México investiga en ensayos fractomecánicos en plásticos

México investiga en ensayos fractomecánicos en plásticos

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El plástico es relativamente un material joven, sobre el que todavía hay mucho que investigar, y esa es la razón por la que el Instituto Tecnológico de Estudios Superiores de Monterrey (Itesm) campus Estado de México, acaba de inaugurar el Laboratorio de Ensayos Fractomecánicos de Plásticos Ingenieriles.

El plástico irrumpió en la escena mundial en el siglo XIX, cuando la revolución industrial y el crecimiento de la demanda de productos hizo que este material comenzara a desplazar al metal, las fibras naturales y la madera, gracias a su versatilidad y desempeño.

También el costo de moldear plástico, que era mucho más bajo que el uso de otros materiales, tuvo mucho que ver en que este material sustituyera a otros en la fabricación de ciertos artículos y hacia el siglo XX, la calidad de los productos plásticos fue en aumento igual que el diseño de nuevos productos.

La introducción de polietileno de alta densidad y una nueva generación de plásticos más livianos y moldeables, como fibra de vidrio y fibra de carbón, han hecho de este un material clave enmuchos procesos de producción en la actualidad, de acuerdo con un artículo de la revista Comercio Exterior, del Banco Nacional de Comercio Exterior (Bancomext).

Todavía hoy se siguen desarrollando nuevas aplicaciones de los distintos plásticos en la industria y en la vida cotidiana, pero hacen falta nuevos estándares para asegurar el desempeño de los productos creados con esos materiales.

Esa es la relevancia del nuevo laboratorio coordinado por los investigadores Andrea Guevara y Ulises Figueroa, y que tiene como principal línea de investigación todo lo relacionado con fractura rápida o propagación de grietas a altas velocidades y desarrollar pruebas específicas para plásticos de ingeniería.

Realmente no hay estándares para hacer ensayos en plásticos a altas velocidades, normalmente las pruebas que se hacen con las máquinas convencionales son a velocidades bajas, cuasi estáticas, les llamamos, a altas velocidades no, y eso es lo que estamos haciendo. En el laboratorio desarrollamos pruebas que buscamos que en un futuro puedan terminar, incluso, siendo un estándar nacional e internacional para probar el desempeño del plástico”, asegura Andrea Guevara en entrevista.

La investigadora coincide en que el plástico es un material relativamente nuevo cuando se compara con los metales, pero considera que aun cuando hay muchos estándares para plásticos, en realidad todo lo que se ha desarrollado en normas ha sido a partir de lo que se sabe sobre metales y solo se ajusta, por lo que el área de fractura en plásticos no ha sido tan estudiada.

En el mundo, Inglaterra es líder en el tema de fractura en plástico y fueron quienes desarrollaron el estándar para tuberías de este material, pero lo que buscan los investigadores mexicanos en el nuevo laboratorio es que el conocimiento no solo sea aplicado a tuberías, sino a cualquier plástico que esté sometido a condiciones de alto impacto.

Actualmente por la región en la que se encuentra ubicado el laboratorio, en el Estado de México, donde el sector automotriz es prioritario, se están desarrollando proyectos que beneficiarán a esta industria, sin embargo, podrán realizar proyectos para otros sectores como por ejemplo el de tubería de plástico, que en México se encuentra en crecimiento.

Pruebas en tuberías de plástico

Las fallas fractomecánicos suceden a velocidades muy altas, por ejemplo, cuando un automóvil se impacta y ante el choque los plásticos u otros materiales están sufriendo una deformación a alta velocidad, es decir, en el caso de los plásticos hay propagación de grietas o fracturas rápidas en los plásticos.

Pese a la campaña negativa en contra de los plásticos, para Andrea Guevara, éstos sin duda se seguirán utilizando en el mundo simplemente porque tienen aplicaciones de ingeniería donde pueden usarse por largo tiempo de vida, por ejemplo, en las tuberías, donde su vida útil se estima en alrededor de 50 años.

“Tiene sus ventajas utilizar el plástico en tuberías porque que es un material más ductil, se puede soldar y si está bien soldado no tiene fugas, durante sismos resisten mucho mejor los movimientos de la tierra, entre otras ventajas”, dice la investigadora.

En todo el mundo los materiales flexibles de ingeniería están ganando aceptación en aplicaciones de tuberías comerciales, domésticas e industriales por sus propiedades para transportar materiales, líquidos y otros, y por sus propiedades de resistencia al desgaste y la corrosión, bajo peso, alta resistencia a la tracción y la fluencia en comparación con los metales.

“El mercado global de tubos y tuberías de plástico alcanzó casi USD 56.8 mil millones en 2016 y debería llegar a casi USD 72.3 mil millones para 2021, con una tasa de crecimiento anual compuesta del 5.1%”, menciona un informe de mercado de Report Buyer.

En México, en los últimos años se ha incrementado la sustitución de tubería metálica por la de plástico y aunque existe una norma internacional para pruebas en tuberías, en el país no existe una norma equivalente, así que tanto para instalarlas en el país como si se quiere entrar al mercado estadounidense las empresas de tubería deberían saber que ahora pueden someter a prueba sus productos en el laboratorio del Tec de Monterrey.

En este tema, también se está trabajando en un proyecto a dos años junto con el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (Conacyt) en el programa de Ciudades Resilientes para desarrollar infraestructura que durante alguna catástrofe reduzca los riesgos por daños. En este caso es un proyecto sobre tubería plástica.

Proyectos para automotriz

Varios de los estudiantes de maestría y doctorado en Ingeniería Automotriz, tanto del campus Estado de México como de Puebla, están realizando proyectos para este sector en el nuevo laboratorio, además, el Tec de Monterrey siempre ha mantenido vinculación con la industria automotriz de la región por lo que buena parte de sus investigaciones se hacen en colaboración con empresas del sector.

“Varios de los problemas que nos presentan cuando hacemos estos proyectos, por ejemplo tiene que ver con las tolerancias, es decir, uno diseña el molde, diseña la pieza, se ve muy bien en la computadora, pero cuando sale de la máquina no cumple a veces con las tolerancias tan estrictas que demanda el sector automotriz”, explica Guevara.

Es por eso que uno de los proyectos que actualmente llevan a cabo es para entender mejor los esfuerzos residuales en piezas inyectadas y cómo estos van a generar deformaciones. A partir de este conocimiento se podrá prevenir que ocurran esas fallas y que las piezas salgan con los requerimientos exigidos.

Y es que de acuerdo con la especialista, a nivel licenciatura en México, los planes de estudio en las materias de ciencias de materiales el 80% de los cursos están enfocados en metales, de modo que cuando los estudiantes egresan es la propia industria la que los tiene que capacitar en plásticos.

Guevara señala que el sector automotriz les está pidiendo formar a los estudiantes desde nivel licenciatura en todo lo relacionado con los plásticos, porque el plástico no es un metal y no se pueden aplicar los mismos conceptos, pruebas o procesos en plástico.

“Muchas de las aplicaciones ahorita son en sector automotriz, y no se trabaja solamente cargas estáticas, y sí muchas cargas dinámicas, es importante que el egresado conozca que el plástico es un material completamente diferente, es un material viscoelástico, es un material que es muy sensible a la velocidad de formación, es muy sensible a la temperatura y deben poder diseñar con base en este conocimiento”, detalla.

El Tec de Monterrey y el Laboratorio de Ensayos Fractomecánicos en Plásticos Ingenieriles están dando pasos para mejorar la formación de los egresados mediante cursos y diplomados tanto para automotriz como para otras industrias, y está abierto a recibir proyectos con empresas que así lo requieran.

Alianzas y colaboraciones

El laboratorio cuenta con el equipo necesario para caracterizar plásticos: durómetro, máquina de prueba de tensión convencional, máquinas de impacto tipo charpy convencionales, y para procesamiento, cuentan con máquinas de extrusión, moldeo por compresión, moldeo por inyección, equipo para infusión de resinas, y equipo para plásticos reforzados con fibras tanto naturales (lino, agave, vidrio, carbono)

Y tienen máquinas desarrolladas por los investigadores y los propios estudiantes de posgrado para realizar las pruebas a alta velocidad. Una de esas máquinas es la S4 que es una máquina de prueba de tubería y otras dos, una es Riberscharpy y otra es de doble torsión a alta velocidad y podrían ser una referencia a nivel mundial para pruebas en plásticos.

Además, el laboratorio ha establecido alianzas con el Instituto Politécnico Nacional (IPN) en el área de ingeniería de superficies, que aunque se ha enfocado en metales, se puede aprovechar su experiencia para estudiar el desgaste de plásticos.

En el extranjero la alianza es con el Imperial College en Londres, de donde es egresada la propia Andrea Guevara. También colaboran con universidades de Sudamérica, sobre todo porque muchos de los tesistas del laboratorio vienen de Colombia o Ecuador.

Como práctica común en el Tecnológico de Monterrey, este nuevo laboratorio está abierto a establecer más alianzas en México y en el extranjero, porque al final de lo que se trata es de generar conocimiento y ser más competitivos, por ello también están abiertos a recibir proyectos de empresas que quieran mejorar sus procesos.

“Nuestro interés realmente es la parte de investigación, es decir, los proyectos que nos gustaría sobre todo trabajar con la industria, y la industria debe entender un poco que los resultados de investigación no son de un mes para otro, que son proyectos que se plantean a un medio plazo, a un año o dos años para que se genere conocimiento que ellos realmente puedan aplicar y del que se puedan beneficiar”, asegura la investigadora.

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