Ensayo CAI: Compresión después de impacto (CAI)
El ensayo de compresión tras impacto (Compression After Impact) es un método de ensayo para determinar la resistencia residual a la compresión de un laminado tras un daño por impacto. El ensayo CAI se utiliza para extraer conclusiones sobre la tolerancia al daño de un material compuesto multicapa.
Las normas ASTM D7136 y ASTM D7137 describen el procedimiento de predañado por impacto y el ensayo de compresión, respectivamente, para medir la resistencia al daño en materiales compuestos. El ensayo CAI se describe, por ejemplo, en las normas ASTM D7136, ASTM D7137, ISO 18352, Airbus AITM1-0010 o Boeing BSS 7260 tipo II.
Objetivo del ensayo Normas Predañado de las placas de ensayo Ensayo de compresión CAI Descargas
Objetivo del ensayo de compresión tras impacto
El ensayo de compresión tras impacto (CAI) determina la resistencia residual a la compresión de un laminado tras un daño previo por impacto. Para ello, la probeta de ensayo de un laminado multidireccional se daña previamente con una energía de impacto especificada en la norma de ensayo correspondiente.
Con la ayuda de los ensayos de impacto y la determinación de la resistencia residual a la compresión en el ensayo de compresión estático posterior, se puede evaluar la tolerancia al daño de un laminado compuesto de fibras a posibles daños por impacto. En las estructuras de materiales compuestos utilizadas en la aviación, pueden producirse daños por impacto, por ejemplo, debido a la caída de herramientas durante el mantenimiento, al impacto de piedras durante el despegue y el aterrizaje o a la colisión con vehículos de apoyo en tierra.
Dado que los daños en el lado del impacto suelen ser difíciles de detectar, también se denominan "daños por impacto apenas visibles", mientras que "dentro" del laminado y en el lado opuesto puede haber daños masivos con importantes grietas en la matriz y delaminaciones.
El ensayo CAI puede dividirse en 3 fases:
- La aplicación del daño por impacto utilizando una máquina de ensayos de caída libre adecuada y la energía de impacto especificada en la norma utilizada.
- Evaluación y documentación del daño por impacto midiendo la deformación en el punto de impacto y determinando adicionalmente el daño dentro del laminado utilizando un método de ensayo no destructivo adecuado, por ejemplo, mediante ultrasonidos (C-scan).
Nota: Los ensayos no destructivos (END) mediante C-scan no forman parte del catálogo de ZwickRoell. Para ello nos remitimos a proveedores externos. - Determinación de la resistencia residual estática a la compresión mediante una máquina de ensayos estáticos de materiales adecuada y un dispositivo de ensayo CAI.
¿Qué normas cubren los ensayos CAI?
Las normas comunes utilizadas para el ensayo de compresión tras impacto son
- ASTM D7136: Measuring the Damage Resistance of a Fiber-Reinforced Polymer Matrix Composite to a Drop-Weight Impact Event
- ASTM D7137: Compressive Residual Strength Properties of Damaged Polymer Matrix Composite Plates
- ISO 18352: Determinación de las propiedades de compresión tras el impacto con una energía de impacto específica
- AITM1-0010: Airbus Test Method for determination of Compression Strength After Impact
- Boeing BSS 7260, Tipo II: Análisis de la resistencia a la compresión de laminados compuestos tras la exposición al impacto
La norma ASTM D7136 describe el ensayo de impacto y la evaluación y documentación de los daños por impacto que debe realizarse posteriormente. La norma ASTM D7137 describe el ensayo de compresión estática para determinar la resistencia residual a la compresión del laminado dañado.
Todas las demás normas mencionadas anteriormente describen las 3 fases del ensayo, aunque el procedimiento para determinar los daños internos mediante END no se describe en detalle.
Realización del ensayo CAI: Predañado de la probeta
En una máquina de caída libre instrumentada HIT230F o HIT600F se daña previamente la probeta utilizando un dispositivo de sujeción y una energía de impacto especificados en las normas. Dependiendo de la norma utilizada, las dimensiones del dispositivo de sujeción y la posición de sujeción pueden variar ligeramente.
Para facilitar el ensayo, las probetas se sujetan por fuera del aparato de ensayo de caída de peso y luego se colocan en posición de ensayo. Es importante para el ensayo de impacto utilizar una máquina de caída libre con sistema antirrebote para que el primer daño por impacto no quede enmascarado por el impacto repetido de la probeta con el impactador. El uso de un equipo de ensayos de caída instrumentado también permite determinar fácilmente la curva de fuerza, la velocidad de impacto y la energía de impacto absorbida en la probeta.
Máquinas de ensayos adecuadas para el predañado de las placas de ensayo
La máquina de caída libre instrumentada HIT230F, con una altura de caída regulable de hasta 1 metro, medición de la velocidad integrada en el punto de impacto, dispositivo antirrebote, impactador adecuado para el ensayo de impacto (diámetro de 16 mm) y los pesos disponibles fácilmente intercambiables para ajustar diferentes energías de impacto, está diseñado para cumplir los requisitos para el predañado de probetas CAI.
La máquina de caída libre instrumentada HIT600F también es ideal para el predañado en ensayos CAI, pero además también puede alcanzar velocidades y energías de impacto más elevadas si se ajusta una distancia de caída más elevada y se añade un dispositivo de aceleración opcional. Por lo tanto, también es adecuado para realizar ensayos de perforación multiaxiales en probetas de plástico.
Realización del ensayo CAI: ensayo de compresión estática
Una vez predañada la probeta mediante el ensayo de impacto en la máquina de ensayos de caída libre y de evaluar los daños por impacto, midiendo la deformación en el lugar del impacto y determinando el alcance de los daños en el interior del laminado, por medio de un ensayo no destructivo, puede pasar a realizarse el ensayo de compresión estática para determinar la resistencia residual a la compresión.
Para ello, la probeta previamente dañada se instala en un dispositivo especial de compresión CAI. Dado que los requisitos generales para la sujeción de la probeta difieren en las normas de ensayo CAI, se utilizan dos fijaciones de ensayo de compresión diferentes.
- Para las normas ASTM D7137 y Boeing BSS 7260 Tipo II, la probeta es guiada por los cuatro lados, pero no se sujeta.
- Para las normas ISO 18352 y Airbus AITM1-0010, la probeta está sujeta por arriba y por abajo y es guiada por los laterales mediante un contacto de línea.
Dispositivo de compresión CAI (Compression After Impact)
El dispositivo CAI se coloca entre dos platos de compresión en la máquina de ensayos estáticos de materiales. En el ensayo CAI, la probeta se somete a carga de compresión hasta que se produce el fallo. El ensayo de compresión tras impacto es válido si el fallo de la probeta se produce en la zona central del daño por impacto. No se admiten fallos en o cerca de las fijaciones superior o inferior.
Ventajas:
- Fácil cambio de la probeta gracias al sencillo manejo del dispositivo CAI
- Uso en un amplio rango de temperaturas de -70 °C a +300 °C
- Mayor rigidez lateral gracias a las barras de soporte que evitan la flexión lateral del dispositivo, especialmente cuando se utilizan estructuras laminadas no convencionales
- Los insertos de carburo reemplazables en las superficies de contacto superior e inferior con la probeta minimizan el desgaste de las superficies de aplicación de fuerza sometidas a grandes cargas
Ensayo de compresión CAI según ASTM D7137
En el ensayo de compresión CAI, una probeta de composite predañada se somete a una carga de compresión hasta 600 kN en un dispositivo específico para compresión. El ensayo de compresión CAI se lleva a cabo con una máquina de ensayos de materiales Z600E en el rango de temperatura de -60 °C hasta +350 °C.
Máquinas de ensayos adecuadas para el ensayo de compresión CAI
En el ensayo de compresión (Compression After Impact Test), pueden generarse fácilmente fuerzas de más de 100 kN debido al uso de una probeta relativamente grande con unas dimensiones de 100 mm x 150 mm x 5 mm (anchura x longitud x grosor). Esto también depende del tipo de material compuesto ensayado (por ejemplo, CFRP o GFRP), del tipo de refuerzo de fibra utilizado (por ejemplo, UD, scrim o tejido) o del uso de construcciones laminares y espesores laminares distintos de las construcciones laminares y espesores laminares nominales definidos en las normas de ensayo anteriores.
Por lo tanto, los ensayos de compresión CAI deben realizarse en una máquina de ensayos estáticos de materiales con una carga nominal de 150 kN a 250 kN. Para los ensayos CAI con laminados muy gruesos, también pueden utilizarse dispositivos CAI reforzados y máquinas de ensayos de materiales estáticos con una carga nominal superior de hasta 600 kN.
Para comprobar la alineación exacta del montaje de ensayo y verificar la precisión dimensional del dispositivo de compresión CAI, deben utilizarse probetas con bandas extensométricas aplicadas en ambos lados en cada ensayo, en la puesta a punto del ensayo o a intervalos especificados, en función de la norma de ensayo CAI utilizada (4 unidades por probeta en total). Las señales de las bandas extensométricas pueden integrarse en la máquina de ensayos mediante cajas de bandas extensométricas premontadas o utilizando un amplificador de medida universal adecuado.
PREGUNTAS FRECUENTES
Mediante un ensayo de impacto se genera un daño previo de la probeta de material compuesto. En el ensayo de compresión estático posterior se determina la resistencia residual a la compresión. Esto permite evaluar la tolerancia al daño de un laminado compuesto de fibras frente a posibles daños por impacto.
La compresión tras impacto (también conocido como ensayo CAI) imita los daños que puede sufrir el material compuesto, como los que pueden producirse en aeronaves o vehículos por impactos de piedras, choques con aves o accidentes. El valor característico determinado en el ensayo se denomina resistencia residual a la compresión.
El ensayo CAI requiere una máquina de ensayos de caída libre para dañar previamente la probeta y una máquina de ensayos estáticos de materiales para el ensayo estático de compresión.