Assaig Charpy: Resiliència d'Impacte en ABS vs PLA
Enunciat
En un estudi comparatiu de materials d’impressió 3D, es vol determinar la resiliència d’impacte dels plàstics ABS i PLA mitjançant un assaig Charpy. Aquesta prova mesura l'energia absorbida durant la fractura, calculada a partir del canvi en l'energia potencial del pèndol.
Dades experimentals:
- Massa del pèndol: \( m = 2.0 \, \text{kg} \)
- Longitud del braç: \( L = 0.8 \, \text{m} \)
- Angle inicial (vertical): \( \theta_0 = 150^\circ \)
- Secció transversal de la mostra:
\[
A = 80 \, \text{mm}^2 = 8 \times 10^{-5} \, \text{m}^2 \quad (\text{Nota: Prova estàndard amb entalla})
\]
- Angles de rebot:
- ABS: \( \theta_{f} = 110^\circ \)
- PLA: \( \theta_{f} = 135^\circ \)
Procediment
Energia absorbida (\(W\)):
\[
W = mgL \left(\cos\theta_f - \cos\theta_0\right)
\]
Resiliència d'impacte (\(K\)):
\[
K = \frac{W}{A} \quad [\text{kJ/m}^2]
\]
Càlculs
1. Paràmetre bàsic \(mgL\)
\[
mgL = 2.0 \times 9.81 \times 0.8 = 15.7 \, \text{J}
\]
2. Energia absorbida
ABS (\( \theta_f = 110^\circ \))
\[
\cos 110^\circ = -0.3420 \quad \cos 150^\circ = -0.8660
\]
\[
W_{ABS} = 15.7 \times (-0.3420 - (-0.8660)) = 15.7 \times 0.524 = 8.23 \, \text{J}
\]
PLA (\( \theta_f = 135^\circ \))
\[
\cos 135^\circ = -0.7071 \quad \cos 150^\circ = -0.8660
\]
\[
W_{PLA} = 15.7 \times (-0.7071 - (-0.8660)) = 15.7 \times 0.1589 = 2.50 \, \text{J}
\]
3. Resiliència d'impacte
ABS
\[
K_{ABS} = \frac{8.23}{8 \times 10^{-5}} = 102,875 \, \text{J/m}^2 = 102.9 \, \text{kJ/m}^2
\]
PLA
\[
K_{PLA} = \frac{2.50}{8 \times 10^{-5}} = 31,250 \, \text{J/m}^2 = 31.3 \, \text{kJ/m}^2
\]
Anàlisi Comparativa
| Material |
Resiliència (kJ/m²) |
Comportament |
| ABS |
102.9 |
Alta capacitat d'absorbir impactes
(Típic en ABS: 80-120 kJ/m²) |
| PLA |
31.3 |
Fragilitat elevada
(Valors habituals: 20-40 kJ/m²) |
Conclusió
L'ABS demostra una resiliència 3.3 vegades superior al PLA, confirmant la seva idoneïtat per a components mecànics. El PLA, amb valors d'impacte més baixos, és adequat per a aplicacions estàtiques o prototipatge ràpid.
Fonts comparatives:
- ASTM D6110 (Ensaigs Charpy per a plàstics)
- Datasheets tècnics d'ABS/PLA (Ultimaker, Prusament)