Experimental Investigation of Strength–Ductility Trade-Offs and Failure Mechanisms in SLS-Fabricated Nylon 12 and Glass-Fibre-Reinforced Nylon

Resumen Técnico: Investigación Experimental de las Compensaciones entre Resistencia–Ductilidad y Mecanismos de Falla en Nylon 12 y Nylon Reforzado con Fibra de Vidrio Fabricados mediante SLS

Planteamiento del Problema
La rápida adopción de la Sinterización Selectiva por Láser (SLS) en la fabricación aditiva (AM) ha generado una demanda de polímeros compuestos de alto rendimiento y ligeros, particularmente para aplicaciones automotrices y aeroespaciales. Si bien el Nylon 12 es un material estándar para SLS debido a su equilibrio entre resistencia y procesabilidad, existe una necesidad crítica de comprender cómo el refuerzo con fibras de vidrio afecta su comportamiento mecánico bajo condiciones de procesamiento idénticas. La literatura existente carece a menudo de comparaciones sistemáticas y directas entre el Nylon 12 puro y el Nylon reforzado con fibra de vidrio fabricados mediante SLS. Además, las inconsistencias en las propiedades mecánicas reportadas surgen de variaciones en los parámetros de procesamiento y en las metodologías de ensayo. Existe una brecha significativa en la comprensión de las compensaciones específicas entre resistencia, ductilidad y dureza en los compuestos fabricados por SLS, así como en los mecanismos de falla —tales como el desprendimiento interfacial y la porosidad— que pueden anular los beneficios teóricos del refuerzo con fibras.

Metodología
Este estudio empleó un enfoque experimental sistemático para comparar el Nylon 12 puro y un compuesto de Nylon 12/fibra de vidrio de 70:30 (en peso). Ambos materiales fueron fabricados utilizando Sinterización Selectiva por Láser bajo parámetros de proceso idénticos y optimizados para asegurar una comparación válida. Los parámetros clave de SLS incluyeron una potencia de láser de 20–30 W, velocidades de escaneo de 2500–3500 mm/s, espesores de capa de 0.10–0.12 mm y una orientación de construcción horizontal constante.

Se prepararon especímenes estandarizados de acuerdo con las directrices ASTM (D638 para tracción, D790 para flexión, D256 para impacto y D785 para dureza) para minimizar la variabilidad experimental. La caracterización mecánica incluyó:

• Ensayos de Tracción y Flexión: Para determinar la resistencia última, el límite elástico y la rigidez.
• Resistencia al Impacto: Evaluada mediante el método Izod para determinar la absorción de energía.
• Ensayo de Dureza: Realizado tanto en escalas Rockwell (HRL) como Shore D.
• Análisis Microestructural: Se utilizó Microscopía Electrónica de Barrido (SEM) para examinar las superficies de fractura, la distribución de las fibras y la unión interfacial.
• Análisis de Incertidumbre: Se realizó un análisis exhaustivo de propagación de errores, estimando incertidumbres dentro de ±2–3% para las mediciones de resistencia y ±1–2% para impacto y dureza.

Resultados Clave
Los datos experimentales revelaron una clara compensación entre la ductilidad y la dureza superficial, con reducciones inesperadas en la resistencia volumétrica para el compuesto:

• Resistencia a la Tracción y Límite Elástico: Contrario a la expectativa general de que el refuerzo aumenta la resistencia, el compuesto de fibra de vidrio exhibió un rendimiento significativamente menor que el Nylon puro. El Nylon puro alcanzó una resistencia a la tracción media de 36.58 MPa y un límite elástico de 35.02 MPa, mientras que el compuesto cayó a 23.84 MPa (tracción) y 22.47 MPa (límite elástico). Esto representa una reducción de aproximadamente el 34.8% en la resistencia a la tracción y del 35.8% en el límite elástico.
• Ductilidad (Alargamiento): El Nylon puro demostró una ductilidad superior con un alargamiento a la rotura del 30.74%. El compuesto mostró una reducción marcada al 16.30%, indicando una transición hacia un comportamiento semifrágil.
• Resistencia a la Flexión: De manera similar a los resultados de tracción, el compuesto mostró una menor resistencia a la flexión (31.03 MPa) en comparación con el Nylon puro (34.76 MPa).
• Dureza e Impacto: El compuesto superó al Nylon puro en resistencia superficial y absorción de energía. La dureza Shore D aumentó de 65.3 (Nylon) a 69.5 (Compuesto). La resistencia al impacto también mejoró, pasando de 0.63 J para el Nylon a 0.85 J para el compuesto, aunque ambos se mantuvieron por debajo de la fibra de vidrio independiente (1.42 J).
• Hallazgos Microestructurales: El análisis SEM identificó las causas raíz de la reducción de la resistencia. El compuesto exhibió una distribución de fibras no uniforme, aglomeración de fibras y un desprendimiento interfacial significativo (extracción de fibra o fiber pull-out). Además, la presencia de fibras interrumpió el proceso de sinterización, lo que condujo a un aumento de la porosidad y micro-vacíos que actuaron como concentradores de tensión.

Significancia y Contribuciones
La principal contribución de este estudio es la comparación directa y multipropiedad del Nylon 12 puro y su contraparte reforzada con fibra de vidrio fabricados por SLS bajo condiciones controladas. El artículo desafía la suposición de que el refuerzo con fibras aumenta invariablemente la resistencia mecánica en los procesos SLS. En su lugar, demuestra que sin una unión interfacial y una dispersión de fibras optimizadas, el refuerzo puede conducir a una degradación de las propiedades de tracción y flexión.

El estudio proporciona un marco para distinguir entre las ventajas de refuerzo "notionales" y el rendimiento "real" logrado mediante el procesamiento SLS. Destaca que, si bien el refuerzo con fibra de vidrio mejora la dureza superficial y la resistencia al impacto, compromete la ductilidad y la resistencia volumétrica del material debido a los defectos inducidos por el procesamiento. Estos hallazgos ofrecen información valiosa para la selección de materiales, sugiriendo que el Nylon puro es preferible para aplicaciones que requieren alta deformación y tenacidad, mientras que el compuesto es más adecuado para aplicaciones que priorizan la durabilidad superficial y la rigidez moderada. Los autores concluyen que las mejoras futuras en el rendimiento de los compuestos SLS dependen en gran medida de mejorar la interacción fibra-matriz y controlar los parámetros de procesamiento para mitigar la porosidad y asegurar una distribución uniforme de las fibras.