Las pruebas de resistencia a la tracción son fundamentales en la ingeniería y la ciencia de materiales. Se utilizan con frecuencia en muy diversos métodos de fabricación, como el moldeo por inyección, el mecanizado o la impresión 3D industrial (fabricación aditiva). Para la impresión 3D, estas pruebas proporcionan información sobre la calidad y el comportamiento mecánico del material impreso en 3D y permiten determinar cómo se comportará este bajo carga. Las pruebas de tracción también ayudan a los fabricantes a asegurarse de que su proceso sea coherente y conforme con las normas del sector. Resulta útil realizarlas durante las actividades de investigación y desarrollo dirigidas a crear o modificar materiales, métodos de fabricación o aplicaciones de los productos.
En este artículo, se explora cómo se llevan a cabo las pruebas de tracción, se estudia cómo se calculan las curvas de tensión-deformación, se repasan las normas que se aplican habitualmente a las pruebas de materiales y se incluye una tabla comparativa de materiales con sus resistencias a la tracción asociadas.
Consideraciones sobre las pruebas de materiales aditivos
En primer lugar, vamos a explicar las pruebas que hacen los ingenieros con las probetas de tracción. Las probetas de tracción o barras de tracción, que se utilizan con frecuencia para probar las propiedades mecánicas de los materiales impresos en 3D, tienen a grandes rasgos la forma de un hueso alargado. Imagínate la típica galleta para perros. La probeta para pruebas de tracción está diseñada de forma que presenta dos engrosamientos en los extremos, conectados por un tramo cuya sección transversal es más estrecha. La máquina de pruebas de tracción agarra ambos extremos de la probeta y aplica tensión hasta que la barra se quiebra. La sección más estrecha se ha diseñado para que sea el punto de fallo previsible de la prueba de tracción. La sección transversal puede tener forma circular o rectangular. Piensa en cómo se rompe una galleta para perros por la mitad. El concepto es parecido. Resulta más fácil partirla por el centro.
Para fijar la probeta de tracción a la máquina de pruebas, se suelen utilizar mordazas neumáticas serradas o roscadas, acopladas a celdas de carga. Instron fabrica una de las máquinas de pruebas de tracción que se utilizan habitualmente (consulta la fotografía). Se trata de máquinas que tiran de la probeta hasta que se rompe aplicando una tensión programada y ofrecen resultados demostrados y sistemáticos. Las probetas o barras de tracción se colocan y sujetan entre las mordazas opuestas. El cabezal tira de la barra de forma constante hasta que esta se deforma y se quiebra en el punto más débil. Una celda de carga mide con precisión la tensión aplicada a la probeta y el extensómetro mide cuánto se alarga. Esto permite que la máquina genere la curva de tensión-deformación para su análisis.
Cálculo de curvas de tensión-deformación
Se miden la fuerza, el desplazamiento y la “deformación” (cuánto se alarga el material). A continuación, se traza una gráfica de las curvas de tensión-deformación, que ofrecen información sobre un sinfín de propiedades del material.
Las propiedades mecánicas que se suelen registrar son la tensión de tracción máxima (la máxima tracción que soporta la pieza bajo tensión) y el alargamiento a la rotura (cuánto aumenta la longitud de la probeta antes de romperse). El módulo de elasticidad se puede calcular a partir de estos valores dividiendo la tensión por la deformación.
Si pruebas una cantidad estadísticamente significativa de probetas de tracción, obtendrás información valiosa para tu aplicación de investigación y desarrollo o tus medidas de control de la calidad.
Normas de la ASTM para pruebas de materiales
La norma más utilizada y aceptada para probar materiales plásticos es ASTM D638-14, Método de prueba estándar para las propiedades de tracción de los plásticos. En Protolabs, usamos esta norma para probar los materiales plásticos impresos en 3D. En algunos procesos de impresión 3D, la orientación de fabricación influye en las propiedades mecánicas obtenidas. Para los materiales SLA de Protolabs, las probetas (o barras) de tracción se imprimen en 3D y se registran los valores del plano xy, es decir, de tal forma que la dirección de tracción de la prueba está alineada con las líneas de las capas. Para los materiales de sinterizado selectivo por láser de Protolabs, las probetas de tracción se imprimen en 3D y sus valores se registran para el plano xy y el plano z.
La norma más utilizada para probar materiales metálicos es ASTM E8/E8M-09, Métodos de prueba estándar para pruebas de tensión de materiales metálicos. Para los materiales metálicos impresos en 3D, hay varias normas de la ASTM que abordan las propiedades mecánicas previstas para las aplicaciones de sinterizado basado en polvo. Para los materiales de sinterizado directo de metal por láser (DMLS) de Protolabs, las probetas de tracción se imprimen en 3D en vertical, lo que significa que la dirección de tracción de la prueba es transversal a las líneas de las capas. A continuación figura una lista de normas utilizadas para probar y registrar los distintos materiales para impresión 3D de metal.
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Materiales para DMLS |
Norma |
|---|---|
| Aluminio AlSi10Mg | ASTM F3318-18 |
| Cromo cobalto | ASTM F3213-17 |
| Inconel 718 | ASTM F3055-14A |
| Acero inoxidable 17-4 PH | AMS5604G |
| Acero inoxidable 316L | ASTM F3184-16 |
| Titanio Ti6Al-4V | ASTM F2924-14 |
Comparación de valores de resistencia a la tracción: materiales impresos en 3D
En la tabla de resistencia a la tracción de la izquierda (haz clic para agrandarla), se muestra una representación de los materiales de Protolabs y sus valores asociados de resistencia a la tracción.
Los materiales SLA suelen ser duros y quebradizos en comparación con sus equivalentes para moldeo por inyección. Presentan un alto módulo de elasticidad y se produce muy poco alargamiento antes de la rotura de la probeta. Los materiales de nilón SLS y MJF son más resistentes que los materiales SLA. Por consiguiente, suelen presentar un módulo de elasticidad más bajo y mayor alargamiento. En los materiales SLS, MJF y SLA se produce cierto grado de variación de la resistencia, en función de la orientación de fabricación de la pieza. Esto suele deberse a que la adhesión es más débil entre las capas. Sin embargo, en este aspecto, en todos los casos el valor es superior al que se obtiene con el modelado por deposición fundida (FDM o FFF).
Los metales para DMLS presentan características de resistencia más elevada; el acero inoxidable 17-4 es el más resistente y el aluminio AlSi10Mg, el más débil.