CARACTERIZACIÓN MECÁNICA DEL KEVLAR CON RECUBRIMIENTO DE

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UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA

PROGRAMA DE INGENIERÍA MECÁNICA

CARACTERIZACIÓN MECÁNICA DEL KEVLAR CON RECUBRIMIENTO DE STF BAJO EL ENSAYO DE PENETRACIÓN POR PUNZONAMIENTO.

Presentado por:

PAULA ANDREA GUERRERO PELÁEZ 201213698

Profesor Asesor:

EDGAR ALEJANDRO MARAÑON LEON Ingeniero Mecánico, Ph.D

Proyecto de Grado para optar al Título de Ingeniera Mecánica

BOGOTÁ D.C. JUNIO 17 DEL 2016

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CONTENIDO

LISTA DE ILUSTRACIONES ............................................................................................... 4

LISTA DE TABLAS ........................................................................................................... 5

AGRADECIMIENTOS ....................................................................................................... 6

1. INTRODUCCIÓN. ..................................................................................................... 7

1.1. Alcance y límites. ................................................................................................................. 8

2. OBJETIVOS. ............................................................................................................. 8

2.1. Objetivo general. ................................................................................................................. 8

2.2. Objetivo Específico. ............................................................................................................. 8

3. MARCO TEORICO .................................................................................................... 9

3.1. Kevlar ................................................................................................................................... 9

3.2. STF ..................................................................................................................................... 10

3.3. Materiales compuestos. .................................................................................................... 10

3.4. Investigaciones previas ..................................................................................................... 11

4. METODOLOGIA ..................................................................................................... 13

4.1. Norma NIJ 0115.00. ........................................................................................................... 14

4.1.1. Determinación del nivel de energía. ......................................................................... 14

4.1.2. Determinación de la clase de protección. ................................................................. 14

4.1.3. Material de apoyo. .................................................................................................... 15

4.1.4. Dureza del punzón de pruebas.................................................................................. 15

4.1.5. Montaje experimental y características del impacto. ............................................... 16

4.2. Perfeccionamiento del montaje experimental. ................................................................ 17

4.2.1. Perfeccionamiento del electroimán. ......................................................................... 17

4.2.2. Fabricación del sistema de poleas. ............................................................................ 18

4.2.3. Fabricación del sistema anti rebote. ......................................................................... 18

3

4.2.4. Nueva ubicación de la torre de pruebas. .................................................................. 19

4.3. Manufactura del punzón de pruebas ................................................................................ 20

4.3.1. Recocido del bloque de aluminio. ............................................................................. 20

4.3.2. Ensayo de dureza del punzón. ................................................................................... 21

4.4. Material de apoyo. ............................................................................................................ 22

4.4.1. Ensayo de aceptación del material de apoyo. ........................................................... 22

4.5. Fabricación de paneles de Kevlar. ..................................................................................... 23

4.6. Impregnación del Kevlar con STF. ..................................................................................... 24

4.6.1. Fabricación general del STF. ...................................................................................... 24

4.6.2. Proceso de impregnación de STF. ............................................................................. 24

1.1.1. Porcentaje de STF empleado en cada panel. ............................................................ 26

4.7. Calibración de la torre de pruebas. ................................................................................... 29

5. RESULTADOS ........................................................................................................ 29

5.1. Profundidad de penetración ............................................................................................. 29

5.2. Caracterización mecánica de los paneles .......................................................................... 33

6. ANÁLISIS DE RESULTADOS. .................................................................................... 37

7. CONCLUSIONES. .................................................................................................... 39

8. RECOMENDACIONES. ............................................................................................ 39

9. REFERENCIAS. ....................................................................................................... 40

10. ANEXOS. ........................................................................................................... 41

10.1. Plano del punzón de pruebas especificado por la norma NIJ 0115.00 ......................... 41

10.2. Procesamiento de los datos obtenidos por Tracker. .................................................... 42

10.3. Gráficas de Posición, velocidad y aceleración para cada prueba realizada (24 y 36J) .. 43

10.4. Modo de uso del sistema anti-rebote. .......................................................................... 59

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LISTA DE ILUSTRACIONES

Ilustración 1. Energía de impacto vs Profundidad de penetración del punzón para varias capas de

STF-Kevlar. (G.R.EGRES et al) ............................................................................................................ 12

Ilustración 2. Configuración del material de apoyo. ......................................................................... 15

Ilustración 3. Sistema de impacto (Concha, 2014) ............................................................................ 16

Ilustración 4. Perfeccionamiento del electroimán de elevación del proyectil. ................................. 17

Ilustración 5. Sistema de poleas diseñado. ....................................................................................... 18

Ilustración 6. Sistema anti rebote ..................................................................................................... 19

Ilustración 7. Nueva ubicación de la torre de pruebas. .................................................................... 20

Ilustración 8. Montaje experimental de la medición de dureza del punzón. ................................... 21

Ilustración 9. Profundidad de penetración del punzón en el bloque de aluminio en función de la

carga aplicada. ................................................................................................................................... 22

Ilustración 10. Material de apoyo modificado. ................................................................................. 23

Ilustración 11. Montaje experimental para impregnación con STF. ................................................. 25

Ilustración 12. Aplicación del STF. ..................................................................................................... 25

Ilustración 13. Distribución del STF sobre todo el área del kevlar. ................................................... 25

Ilustración 14. Resultados de ensayos realizados a 24J para cada panel con STF y el panel sin STF.31

Ilustración 15. Resultados de ensayos a 36J para cada panel con STF y el panel sin STF. ................ 32

Ilustración 16. Resultados de profundidad de penetración en el material de apoyo a 36 J para cada

panel. ................................................................................................................................................. 32

Ilustración 17. Posición del punzón en función del tiempo para cada panel a 24 J.......................... 33

Ilustración 18. Velocidad del punzón en función del tiempo para cada panel a 24 J. ...................... 34

Ilustración 19. Aceleración del punzón en función del tiempo para cada panel a 24 J. ................... 34

Ilustración 20. Fuerza del punzón en función del tiempo para cada panel a 24 J. ........................... 35

Ilustración 21. Posición del punzón en función del tiempo para cada panel a 36 J.......................... 35

Ilustración 22. Velocidad del punzón en función del tiempo para cada panel a 36 J. ...................... 36

Ilustración 23. Aceleración del punzón en función del tiempo para cada panel a 36 J. ................... 36

Ilustración 24. Fuerza del punzón en función del tiempo a 36 J ....................................................... 37

Ilustración 25. Anexo1. Plano del punzón de pruebas. ..................................................................... 41

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LISTA DE TABLAS

Tabla 1. Principales propiedades de la fibra de Kevlar 29 (Alcaraz D, 2007) .................................... 10

Tabla 2. Resultados de capas perforadas a 24 y 36 J de energía sobre paneles de Kevlar y Kevlar STF

obtenidos por Pedro Gómez (2014) .................................................................................................. 13

Tabla 3. Dureza Rockwell C del punzón de pruebas dependiendo de la profundidad de penetración

en el bloque de aluminio. .................................................................................................................. 16

Tabla 4. Resultados del test de rebote de la esfera. ......................................................................... 22

Tabla 5. Resultados del rebote de la esfera sobre el material de apoyo modificado. ...................... 23

Tabla 6. Organización y distribución de los paneles a ensayar. ........................................................ 24

Tabla 7. Organización de las capas y porcentaje de STF del panel 1. ............................................... 26



Tabla 10. Organización de las capas y porcentaje de STF del panel 4. ............................................. 28

Tabla 11. Organización de las capas y porcentaje de STF del panel 5. ............................................. 28

Tabla 12. Resultados de capas penetradas para el panel 1. ............................................................. 30





Tabla 17. Resultados de capas penetradas para el panel sin STF. .................................................... 31

6

AGRADECIMIENTOS

Hoy culmino mi proyecto de grado, y con ello, mis estudios de ingeniería mecánica, trabajo

que no sólo es el resultado del esfuerzo y dedicación personal sino de la colaboración de

muchas personas tanto en el ámbito académico como en el personal. Esta sección la dedico

a mostrar mi agradecimiento a todas ellas.

A Dios, por darme la firmeza necesaria para afrontar las dificultades presentadas, por

guiarme y hacer este sueño realidad, por estar conmigo en todo momento de mi vida.

A mis padres Doris Peláez y Javier Guerrero que con todo su esfuerzo lograron hacerme

profesional, que con sus buenos consejos y apoyo incondicional me impulsaron a progresar

y moldearon la persona que soy ahora.

Al profesor Alejandro Marañon, quien con su dedicación me mostró el camino para

culminar este proyecto, agradezco sus buenos consejos y enseñanzas a lo largo de mi

carrera, su tiempo y paciencia para dirigir este proyecto.

A Carolina Triviño por su colaboración con la fabricación de los reactivos empleados en el

proyecto, por su paciencia y guía para enseñarnos el manejo de ellos.

Finalmente, gracias a todo el personal de laboratorios que con sus valiosos aportes

contribuyeron a la finalización de mi proyecto y mi carrera profesional.

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1. INTRODUCCIÓN.

Dado el conflicto interno de Colombia, es de gran importancia que las personas dedicadas

a la seguridad y vigilancia del país cuenten con la protección necesaria contra diferentes

amenazas que puedan perjudicar su integridad física. Durante los últimos años, la

vestimenta de protección se ha centrado en minimizar o anular los daños ocasionados por

armas de fuego mediante la utilización de chalecos antibalas de Kevlar.

El Kevlar es una fibra polimérica descubierta en 1965 por Stephanie Kwolek y comercializada

por primera vez en 1971 por DUPONT. Esta fibra cuenta con una combinación única de alta

resistencia, tenacidad, estabilidad térmica y ligereza que la hace ideal para aplicaciones

náuticas, de protección militar y seguridad industrial (Dupont, 2015). La protección balística

que ofrece la fibra de Kevlar, es sin duda el más importante descubrimiento en cuanto a la

protección militar. Sin embargo, este material presenta baja resistencia cuando se trata de

penetrarlo con armas cortantes o punzantes, lo cual resulta desventajoso en un acto de

delincuencia común, pues la mayoría de ataques se realizan con este tipo de armas (Concha

N, 2014). Adicionalmente, se estima que sobrevivieron el 85% de los heridos con armas de

fuego, mientras que sólo el 65% de los heridos con arma blanca lo lograron (Ciencias

criminalísticas, forenses y jurídicas, 2013). Por lo anterior, ha sido necesario reforzar la fibra

con otros materiales que aumenten su resistencia frente al corte con armas blancas.

Los fluidos STF, por sus siglas en inglés Shear Thickening Fluids, son suspensiones coloidales

que pueden incrementar su viscosidad con el aumento de la velocidad de cizallamiento

(Ramírez 2004), y dado que los ataques con armas blancas se realizan a velocidades de

6.25m/s aproximadamente (Ciencias criminalísticas, forenses y jurídicas, 2013), se espera

que estos fluidos no newtonianos retengan mayor energía en el ataque disminuyendo los

efectos en el Kevlar sin aumentar excesivamente su peso.

Por lo anterior, el proyecto a realizar tiene como objetivo comparar los efectos del

punzonamiento sobre Kevlar únicamente y sobre Kevlar con recubrimiento de STF con base

en la norma NIJ 0115.0-Stab Resistance of Personal Body Armor. Para ello, se realizaron ensayos

8

experimentales de impacto sobre ambas superficies midiendo la profundidad de

penetración, la energía y velocidad del impacto. Se empleó el montaje experimental

fabricado por Natalia Concha (2014) modificando algunos aspectos del mismo para obtener

datos veraces.

1.1. Alcance y límites.

El proyecto se centra únicamente en determinar los efectos causados por armas punzantes

y los ensayos dinámicos son realizados solamente en caída libre (sólo ángulos de impacto

de 90°). Tanto el montaje experimental como la realización de las pruebas experimentales

están basados en la norma NIJ 0115.0-Stab Resistance of Personal Body Armor.

2. OBJETIVOS.

2.1. Objetivo general.

Comparar los efectos del punzonamiento sobre superficies de Kevlar únicamente y sobre

superficies del mismo con recubrimiento de STF.

2.2. Objetivo Específico.

Perfeccionar el montaje experimental previo para alcanzar el estándar sugerido por la

norma NIJ 1105.00 y obtener datos veraces. Las modificaciones a realizar se nombran a

continuación.

Fabricación de un sistema de poleas que permita elevar el proyectil de manera segura

hasta la altura deseada.

Fabricación de un sistema de rebote que evite un doble impacto en el material de

prueba.

Perfeccionamiento del sistema de agarre por electroimán para elevar de manera

segura el proyectil hasta la altura deseada.

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3. MARCO TEORICO

En esta sección se presentan los conceptos necesarios para contextualizar y entender el

desarrollo del proyecto a realizar. Inicialmente se explicará con detalle las características

principales de Kevlar, posteriormente se explicará que es STF y sus propiedades y

finalmente se mostrarán los resultados obtenidos en investigaciones previas sobre la

temática del proyecto a realizar.

3.1. Kevlar

El Kevlar es una fibra orgánica de Aramida. La Aramida es un filamento que proviene de

ciertos derivados del petróleo y cuyos enlaces están, en su mayoría, adheridos a anillos

aromáticos. Las fibras de Aramida se caracterizan por su alta resistencia al impacto, a la

corrosión y ataques químicos y se encuentran disponibles en tres formas distintas: Twaron,

Kevlar y Technora. La fibra de Kevlar fue la primera en ser introducida al mercado por

DuPont en el año 1972 (Stupenengo, 2011).

Las principales propiedades de la fibra de Kevlar son la alta resistencia a la tracción debido

a su alta orientación molecular, estabilidad térmica, resistencia térmica y resistencia a altas

llamas (Stupenengo, 2011).

Actualmente se comercializan dos tipos de fibras de Kevlar: Kevlar 29 y Kevlar 49. La primera

de estas es la fibra tal cual se obtiene después de su fabricación y se emplea generalmente

en chalecos antibalas, cables y cuerdas de alta tensión. Por otra parte la fibra de Kevlar 49

incluye una resina para formar un material compuesto, se emplea generalmente en la

industria aeronáutica, satélites de comunicaciones y equipos de deportes extremos

(Dupont, 2015).

En el presente proyecto se utilizó la fibra de Kevlar 29 pues es la empleada en vestimenta e

protección militar. En la tabla N°1 se presentan las principales propiedades de esta fibra.

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Tabla 1. Principales propiedades de la fibra de Kevlar 29 (Alcaraz D, 2007)

Propiedad Kevlar 29

Densidad (g/cm3) 1.44

Diámetro de la fibra (𝜇𝑚) 12

Modulo de Young (GPa) 83

Resistencia a la tracción (GPa) 3.6

Alargamiento a la rotura (%) 4.0

A pesar de que la resistencia a la tracción del kevlar es muy alta (mayor a la del acero), esta

fibra es poco resistente a la compresión y el corte en direccion transversal, lo cual la hace

vulnerable al ataque con armas blancas.

3.2. STF

La ley de viscosidad de Newton sugiere que los fluidos se comportan siguiendo una relación

linealmente proporcional entre el gradiente de velocidad y el esfuerzo cortante al que se

somete el fluido. Los fluidos que se comportan de esta manera se denominan fluidos

Newtonianos, sin embargo, existen fluidos industriales que no cumplen con esta relación

de proporcionalidad y se les denomina fluidos no Newtonianos. (Ibarrola, 2010)

Entre los fluidos no Newtonianos, se encuentran los fluidos dilatantes, los cuales aumentan

su viscosidad con el aumento del esfuerzo cortante. El STF, fluido que se trabajará en este

proyecto, se clasifica como un fluido dilatante, por lo que se espera que al aumentar su

viscosidad al ser sometido al esfuerzo del punzón pueda aumentar la resistencia y disminuir

los efectos en el Kevlar.

3.3. Materiales compuestos.

Los materiales compuestos son materiales compuestos de dos o más materiales distintos y

diferenciables macroscópicamente que juntos otorgan mejores propiedades sin perder las

características individuales (Stupenengo, 2011). Los materiales compuestos están formados

de una matriz y un refuerzo.

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La matriz es la fase continua del material encargada de transmitir las cargas al material de

refuerzo, protegerlo, adherirlo y evitar que se propaguen las grietas a través de él. En cargas

de tracción la matriz puede distribuir las cargas en el material de refuerzo para que sea éste

el que esté sometido al esfuerzo. Sin embargo, bajo cargas compresivas es la matriz la

encargada de soportar todo el esfuerzo.

El material de refuerzo es la fase discontinua y puede presentarse en forma de partículas y

fibras.

Haciendo énfasis en el presente proyecto, el Kevlar corresponde al material de refuerzo

(Fibras) y el STF a la matriz del material compuesto a probar.

3.4. Investigaciones previas

Se han realizado varios estudios con el fin de determinar si el recubrimiento de STF aumenta

la resistencia del Kevlar tanto al punzonado como a la penetración de objetos cortantes,

obteniendo en la mayoría de estos resultados favorables. A continuación se presentan

algunos de los resultados encontrados en trabajos previos.

G.R.Egres y su equipo de trabajo (2005) determinó que el STF reduce significativamente la

penetración del punzón dentro de la fibra en comparación con la profundidad de

penetración al realizar el ensayo con Kevlar sin recubrimiento. En la ilustración 1, se

evidencian estos resultados. La penetración máxima del punzón en la fibra de Kevlar sin

refuerzo es de cinco capas y se alcanza a una energía de impacto de 4 J, mientras que la

fibra reforzada con STF (entre 12 y 15 capas) alanzó una profundidad máxima de 3 capas de

Kevlar y hasta alcanzar una energía de impacto de 16 J. Lo anterior verifica la ventaja del

STF no sólo al disminuir la distancia de penetración del punzón, sino también aumentar la

cantidad de energía de impacto soportada.

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Ilustración 1. Energía de impacto vs Profundidad de penetración del punzón para varias capas de STF-Kevlar.

Adaptado de G.R.EGRES et al

Por otra parte, El proyecto de grado realizado por Natalia Concha (2014) en la universidad

de los Andes, tuvo como objetivo “Caracterizar y comparar la respuesta de penetración con

arma blanca, tipo punzón, en paneles de Kevlar reforzados con STF”, encontrando

resultados similares a los obtenidos en el trabajo anterior: la profundidad de punzón sobre

las superficies reformadas con STF se redujeron un 37.10% para un ensayo realizado a 24 J

y un 17.33% en un ensayo a 36 J, sin embargo, aunque disminuyeron la penetración

considerablemente, estas alcanzaron valores hasta de 20 mm de profundidad por debajo

de las capas de Kevlar, lo cual aún supera la profundidad permitida por la norma NIJ 0115.00

para vestuarios de protección personal, es por esto, que se recomienda aumentar el

número de capas de material. Siguiendo esta recomendación, durante este proyecto se

aumentaron las capas del material para evaluar los efectos del punzonado.

Finalmente, y continuando con la investigación en la Universidad de los Andes, Pedro

Alejandro Gómez en su proyecto de grado obtuvo los resultados presentados en la tabla 2.

Realizando el ensayo con 18 capas de Kevlar sin recubrimiento de STF y sólo 13 capas de

Kevlar impregnado con STF, se obtuvo mejor desempeño en los paneles con recubrimiento

pues a 36 J de impacto, el número de capas perforadas es en promedio 10 capas sin dejar

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rastros en las últimas 3, por lo que cumple con los estándares de protección establecidos

por la norma NIJ 0115.00 para vestuarios de protección personal.

Tabla 2. Resultados de capas perforadas a 24 y 36 J de energía sobre paneles de Kevlar y Kevlar STF obtenidos por Pedro Gómez (2014)

Panel KEVLAR Panel KEVLAR-STF

No. Panel Ensayo Capas perforadas Capas perforadas

24 J 36 J 24 J 36 J

Panel 1

1 18 18 3 7

2 18 18 5 10

3 18 18 4 9

4 18 18 5 7

Panel 2

1 18 18 4 8

2 18 18 6 8

3 18 18 3 7

4 18 18 5 7

Panel 3

1 18 18 6 9

2 18 18 5 8

3 18 18 5 9

4 18 18 4 7

Panel 4

1 18 18 5 9

2 18 18 5 7

3 18 18 6 8

4 18 18 4 8

Teniendo en cuenta los resultados y las recomendaciones brindadas por los trabajos

anteriores, se procede a describir la metodología empleada para el desarrollo del proyecto.

4. METODOLOGIA

En esta sección se presentan todos los pasos seguidos antes de realizar los ensayos

experimentales. Inicialmente se presenta un resumen y los puntos más importantes de la

norma mencionada que se tuvieron presentes en el desarrollo del montaje experimental y

las pruebas experimentales, posteriormente se presenta la descripción del ensayo y las

modificaciones realizadas al montaje existente, luego se presentan los resultados de los test

de aceptación del material de apoyo y del punzón, el proceso de fabricación de los paneles

de Kevlar y el proceso de impregnación de los mismos.

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4.1. Norma NIJ 0115.00.

4.1.1. Determinación del nivel de energía.

Para determinar si una prenda de protección es segura para salvaguardar a la persona que

la porte, la norma NIJ 0115.00 establece que deben realizarse ensayos con el material a dos

niveles de energía de impacto para tres niveles de protección según sea el caso. El primer

nivel de energía indica la energía de impacto al cual debe realizarse la primera prueba, y la

profundidad máxima de penetración después del material debe ser de 7 mm. El segundo

nivel de energía, corresponde a una prueba de seguridad donde la profundidad máxima de

penetración después del material debe ser 20 mm. Los niveles de protección se enuncian a

continuación con sus correspondientes niveles de energía.

Nivel 1 de protección: Bajo nivel, empleado en vestimenta ocultable o disimulada. Energías

de ensayo de 24 y 36 J.

Nivel 2 de protección: Prendas de porte general y obligatorio. Energías de ensayo 33 y 50 J.

Nivel 3 de protección: Prendas utilizadas en situaciones de alto riesgo. Energía de ensayo

de 43 y 65J.

De acuerdo con lo anterior, el presente proyecto se sitúa en nivel de protección 1 (chalecos

antibalas) con energías de impacto de 24 y 36 J.

4.1.2. Determinación de la clase de protección.

Existen dos clases de vestimenta de protección a las cuales aplicar las energías de impacto

anteriores: Clase de protección 1, que corresponde a las vestimentas capaces de soportar

ataques como los esperados en la calle (contra armas afiladas como navajas y cuchillos) y

clase de protección 2, que corresponde a las vestimentas capaces de soportar ataques como

los esperados en las cárceles (contra armas punzantes como pica hielos).

Este proyecto se centra únicamente en ensayos realizados con clase de protección tipo 2.

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4.1.3. Material de apoyo.

La norma establece que los ensayos con la prenda de protección deben realizarse sobre un

material de apoyo determinado. Este material de apoyo consta de 4 capas de neopreno de

5,8 mm de espesor, 1 capa de polietileno de 30mm de espesor y 2 capas de caucho de

5,8mm de espesor ubicadas como se muestra en la ilustración 2.

Ilustración 2. Configuración del material de apoyo.

Antes de realizar los ensayos correspondientes, es necesario realizar un ensayo de

aceptación del material de apoyo. Este consiste en dejar caer libremente una esfera de 1 kg

desde 1500 ± 15 mm de altura obteniendo un rebote de 450 ± 102 mm. Si la altura de rebote

de esta esfera cumple con el rango determinado, el material de apoyo es apropiado para

realizar los ensayos. En la sección 4.4 se presentan los resultados obtenidos.

4.1.4. Dureza del punzón de pruebas.

Para medir la dureza del punzón de pruebas, se debe realizar un ensayo de dureza Rockwell,

cambiando el identador estándar por el punzón y penetrando un bloque de aluminio de

99.997% de dureza. La carga de identación debe ser progresiva entre los 3kg y los 8kg. El

punzón debe ser fabricado de acero Plata y la profundidad de penetración en el bloque de

aluminio debe estar entre los 0.3mm y los 0.50 mm para una correspondencia de -50 a -150

HRC como se muestra en la tabla 3.

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Tabla 3. Dureza Rockwell C del punzón de pruebas dependiendo de la profundidad de penetración en el bloque de aluminio. Adaptado de NIJ 0115.00

4.1.5. Montaje experimental y características del impacto.

El montaje experimental cuenta con una torre de pruebas y un sistema de impacto, ambos

fabricados en 2014 por Natalia Lizeth Concha Ospina en su proyecto de grado y verificadas

sus condicionas para emplearlos en el presente proyecto.

La torre de pruebas corresponde a un tubo de acrílico transparente ubicado verticalmente

mediante el cual se deja caer un sistema de impacto sobre el material a probar.

El sistema de impacto es la masa que contiene el punzón y cae bajo la influencia de la

gravedad dentro del tubo desde las alturas correspondientes a las energías definidas

anteriormente. El sistema de impacto pesa 1.85 kg de y cumple con lo especificado en la

norma.

Ilustración 3. Sistema de impacto (Concha, 2014)

En cuanto a las características del impacto es necesario tener en cuenta los siguientes

aspectos.

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La medición de la velocidad de impacto (para calcular que la energía de impacto sea

la especificada) debe realizarse entre los últimos 51 mm antes del impacto.

Los impactos en un mismo panel deben estar separados 51mm entre ellos y entre

los bordes del panel de Kevlar.

En un mismo panel, se deben realizar los ensayos a las dos energías de impacto

especificadas (24 y 36J respectivamente)

4.2. Perfeccionamiento del montaje experimental.

Con el fin de obtener resultados más confiables y facilitar la realización de las pruebas

experimentales, se realizaron algunas modificaciones al montaje experimental previo.

4.2.1. Perfeccionamiento del electroimán.

Para elevar el sistema de impacto mostrado en la ilustración 3, se emplea un electroimán

con la capacidad de elevarlo la distancia requerida, el electroimán ya existente presentaba

un desbalance que dificultaba el agarre del proyectil, por lo que se instalaron unos

triángulos metálicos centrados para amarrar de ellos una guaya que eleva el electroimán.

Por otra parte, al electroimán se le instaló un interruptor que permita cortar el paso de

corriente cuando sea deseado sin necesidad de apagar la fuente de voltaje, se le instalaron

un kit de conectores tipo banana para reducir el riesgo de corto y desconexión por el uso

de cinta aislante. Estas modificaciones se muestran en la ilustración 4.

Ilustración 4. Perfeccionamiento del electroimán de elevación del proyectil.

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4.2.2. Fabricación del sistema de poleas.

Para elevar el sistema de impacto una vez este agarrado por el electroimán, se emplea un

sistema de poleas, la polea empleada anteriormente estaba instalada en el tubo de acrílico

directamente, por lo que era la torre de pruebas la que soportaba esta carga adicional, por

otra parte, la polea estaba ubicada en el centro del tubo lo que ocasionaba que al halar la

guaya, ésta quedara con un ángulo de inclinación y no en posición vertical, por lo que

ocasionalmente la guaya se salía de la polea.

Para solucionar estos problemas, se diseñó un sistema de dos poleas conectadas entre ellas

y soportadas por un tubo de PVC. El tubo de PVC es instalado dentro de la abrazadera

metálica que sostiene la torre de pruebas, por lo que las cargas ya no las soporta el tubo de

pruebas sino directamente la pared. El sistema de dos poleas se diseñó con el fin de que

una polea esté ubicada dentro del tubo para elevar el proyectil y la otra este alineada

horizontalmente por fuera del tubo, para que el operario pueda halar la guaya desde fuera

y verticalmente, evitando que ésta se salga de las poleas. La ilustración 5 presenta el sistema

de poleas fabricado.

Ilustración 5. Sistema de poleas diseñado.

4.2.3. Fabricación del sistema anti rebote.

Revisando la documentación presentada por Natalia Concha y Pedro Gómez en su proyecto

de grado (2014), el proyectil rebota entre 20 y 60 cm después del impacto en el Kevlar con

recubrimiento de STF, esto corresponde a una energía adicional que impacta nuevamente

el Kevlar entre 3.6 J y 10.8 J, lo cual es significativo para perforar más capas que las

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perforadas en el primer impacto. Por lo anterior, es necesario evitar este doble impacto

presentado por medio de un sistema que permita atrapar el proyectil antes de que impacte

nuevamente.

De acuerdo con lo anterior, se diseñó un sistema anti rebote que consiste de un pasador

que se activa automáticamente cuando una fotocelda detecta cambio de luz, es decir, la

fotocelda inicialmente detecta el nivel de luz del ambiente (con las luces de la cámara

encendidas) y lo convierte en determinados valores de voltaje, cuando el proyectil

desciende por el tubo transparente e interrumpe la luz en la fotocelda, esta detecta un

cambio de voltaje que alerta un electroimán y hala una puntilla que sostiene que el pasador

para que éste a su vez se active una vez los niveles de voltaje vuelvan a la normalidad

(rebote del proyectil). La ilustración 6 presenta el sistema de rebote fabricado.

Ilustración 6. Sistema anti rebote

4.2.4. Nueva ubicación de la torre de pruebas.

En el montaje experimental anterior, la distancia entre el final de la torre de pruebas y el

Kevlar era de 30 cm aproximadamente, por lo que el proyectil alcanza a salir del tubo acrílico

al momento del impacto. Por seguridad al operario es importante que el proyectil con el

punzón no quede expuesto de esta manera, pues puede ocasionar accidentes si se quiebra

el punzón o cualquier otra pieza peligrosa. Por esta razón y para garantizar un rebote

20

completamente vertical que pueda ser atrapado por el sistema anti rebote, se decidió

realizar las pruebas de tal forma que el borde final del tubo acrílico este a 2 cm del Kevlar y

con ello, ni el punzón ni el proyectil quedan expuestos fuera del tubo.

Ilustración 7. Nueva ubicación de la torre de pruebas.

4.3. Manufactura del punzón de pruebas

Como se mencionó en la sección 4.1.4, el punzón fue fabricado siguiendo el plano

presentado en la norma (Anexo 1). Para el ensayo de dureza del punzón era necesario

conseguir un bloque de aluminio de 99.997% de pureza, lo cual, no es comercial en

Colombia. Los aluminios con este porcentaje de pureza reportan una dureza entre 25 y 28

HB (Brinell), mientras que la aleación comercial 6061 presenta una dureza de 65 HB (ASM

International, 1991), por lo cual, fue necesario hacer un proceso de recocido del aluminio

adquirido para alcanzar una dureza aproximada a la requerida por la norma.

4.3.1. Recocido del bloque de aluminio.

El proceso para disminuir la dureza del bloque de aluminio 6061, consistió en elevar la

temperatura a 415°C y mantenerla constante por dos horas y media, posteriormente se

disminuye la temperatura a una tasa de 28°C cada hora hasta alcanzar los 260°C, finalmente

se deja enfriar lentamente hasta temperatura ambiente (Dentro del horno ya apagado).

Después de realizar este proceso, se midió la dureza Brinell del bloque ya recocido,

obteniendo una dureza de 27 HB, la cual se encuentra dentro del rango de durezas de los

21

aluminios con alto porcentaje de dureza. Con el bloque de aluminio ya recocido, se procede

a realizar la prueba de dureza del punzón.

4.3.2. Ensayo de dureza del punzón.

De acuerdo con lo mencionado en la sección 4.1.4, se realizó la prueba de dureza Rockwell,

cambiando el identador estándar por el punzón de pruebas, realizando un ensayo de

compresión sobre el bloque de aluminio como se muestra en la ilustración 9. Para ello se

empleó la máquina de ensayos universal INSTRON, proporcionando una carga progresiva

de 3 a 8 kg a una velocidad de 0.1 mm/min. Los resultados de penetración del punzón en el

bloque de aluminio se presentan en la ilustración 9.

Ilustración 8. Montaje experimental de la medición de dureza del punzón.

22

Ilustración 9. Profundidad de penetración del punzón en el bloque de aluminio en función de la carga aplicada.

Como se observa en la gráfica anterior, la penetración máxima del punzón fue de 0.47 mm

lo cual entra dentro del rango establecido por la norma con un equivalente de -100

Rockwell C. Con esto, se confirma el buen estado del punzón para realizar los ensayos de

impacto.

4.4. Material de apoyo.

De acuerdo con la norma en lo que respecta al material de apoyo (sección 4.1.3.), se realizó

el ensayo de rebote de la esfera. A continuación se presentan los resultados obtenidos.

4.4.1. Ensayo de aceptación del material de apoyo.

Al dejar caer la esfera de 1 kg sobre el material de apoyo especificado a una altura de

1500 mm, se obtuvieron las alturas de rebote reportadas en la tabla 4.

Tabla 4. Resultados del test de rebote de la esfera.

Prueba Material de apoyo 1 Material de apoyo 2

1 65 cm 62 cm

2 63 cm 65 cm

Como se observa en la tabla 4, las alturas de rebote de la esfera sobre el material de apoyo

exceden el límite de lo establecido por la norma (450 ± 102mm), por lo que fue necesario

modificar la base el material de apoyo como se indica en la ilustración 11.

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

0,5

0 20 40 60 80 100

PR

OFU

ND

IDA

D D

E P

ENET

RA

CIÓ

N E

N E

L B

LOQ

UE

DE

ALU

MIN

IO (

mm

)

CARGA (N)

Prueba 1

Prueba 2

Prueba 3

prueba 4

Prueba 5

23

Ilustración 10. Material de apoyo modificado.

Con esta modificación del material de apoyo, se obtuvieron las alturas de rebote indicadas

por la norma. En la tabla 5 se presentan estos resultados.

Tabla 5. Resultados del rebote de la esfera sobre el material de apoyo modificado.

Prueba Material de apoyo 1 Material de apoyo 2

1 48 cm 49 cm

2 46 cm 48 cm

4.5. Fabricación de paneles de Kevlar.

Inicialmente se determinó el tamaño óptimo de los paneles de Kevlar teniendo en cuenta

el tamaño del horno a emplear y el número de pruebas posibles a realizar en cada panel

(teniendo en cuenta separación de 51 mm entre impactos y distancia de 51 mm desde el

borde del panel). De acuerdo con lo anterior, para obtener un total de 9 pruebas en cada

panel y para hornear 4 paneles en un mimo horno, el tamaño del panel utilizado fue de

23x23 cm. Los paneles fueron cortados del tamaño indicado por corte Láser en la empresa

CYGNI Ingeniería.

24

En cuanto al número de paneles a ensayar, se cuenta con STF suficiente para realizar 5

paneles, es decir, 45 pruebas con Kevlar impregnado con STF y un panel (9 pruebas) sin el

recubrimiento de STF.

Los chalecos antibalas comunes están compuestos de 18 capas de Kevlar con una masa

promedio total de 440 gr, por esta razón, la cantidad de capas de Kevlar-STF del panel debe

pesar aproximadamente este valor, por esta razón, se emplearon 14 capas de Kevlar STF en

cada panel. En la tabla 6 se presenta el resumen de la organización de los paneles a ensayar.

Tabla 6. Organización y distribución de los paneles a ensayar.

Dimensiones Número de capas Cantidad de paneles

Kevlar 23 cm x 23 cm 18 1

Kevlar-STF 23 cm x 23 cm 14 5

4.6. Impregnación del Kevlar con STF.

4.6.1. Fabricación general del STF.

El proceso de fabricación del STF se constituye de tres etapas: La etapa de síntesis, la etapa

de macerado y preparación de PEG, y la etapa de ultrasonido.

En la etapa de síntesis se mezclan 820 ml de agua, 5600 ml de etanol, 743 ml de Amoniaco

y 425 ml de TEOS (Tetraetilo Ortosilicato). Esta mezcla se agita continuamente por 16 horas.

Una vez terminado el tiempo de agitación, ésta se vacía en vasos calibrados de 2L y se agitan

nuevamente a 200 rpm a 100 °C de temperatura hasta que la mezcla se reduzca a polvo.

Posteriormente, en la segunda etapa, se macera el polvo obtenido y se rinde con PEG

(Polietilenglicol), y finalmente, se somete esta última mezcla a un baño ultrasónico hasta

que no puedan verse partículas sólidas en ella. Una vez el proceso se ha terminado el STF

está listo para ser impregnado en el Kevlar.

4.6.2. Proceso de impregnación de STF.

Como primera medida, es necesario establecer el lugar adecuado y los materiales de

trabajo. Los paneles se impregnaron dentro de la cámara de extracción de gases del

25

Laboratorio de Procesamiento de Polímeros de la Universidad y sobre una bandeja metálica

envuelta en papel Vinipel, se requiere adicionalmente una jeringa con la cual medir el

volumen de fluido a emplear y rodillo metálico (también envuelto en Vinipel) para eliminar

los excesos. El montaje experimental se presenta en la ilustración 12.

Ilustración 11. Montaje experimental para impregnación con STF.

Una vez se cuenta con todos los elementos requeridos, se pesan las capas de Kevlar antes

de ser impregnadas.

En segundo lugar, se ubican sobre la bandeja metálica y con la jeringa se vacían 12 ml en

una cara de la capa, teniendo en cuenta no aplicar el STF solamente en el centro del panel

sino aplicarlo en toda su área como se muestra en la ilustración 13. Posteriormente, se

distribuye con los dedos en todo el área del panel haciendo una leve presión para facilitar

la absorción del STF como se presenta en la ilustración 14. A continuación se elimina el

exceso con el rodillo y se deja secar la capa por un minuto. Se repite el mismo procedimiento

por la otra cara de la capa, para un total de 24 ml por capa.

Ilustración 12. Aplicación del STF.

Ilustración 13. Distribución del STF sobre todo el área del kevlar.

Rodillo para eliminar excesos

Bandeja Forrada en Vinipel

Kevlar

26

Finalmente, se ubican las capas impregnadas sobre láminas de aluminio y se ingresan al

horno a 80°C durante media hora, una vez transcurrido el tiempo de horno, se dejan secar

a temperatura ambiente durante un día y se pesan nuevamente para determinar el

porcentaje de STF de cada una de las capas.

1.1.1. Porcentaje de STF empleado en cada panel.

Una vez realizado el proceso de impregnación, se ordenaron los paneles a utilizar como se

presenta en las tablas 7 a 10. Se verificó que no más de 3 capas por cada panel presentaran

porcentajes de STF menores al 20% (Lo ideal es del 20 al 25%). El porcentaje de STF se

calculó por medio de la ecuación 1.

%𝑆𝑇𝐹 =𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 − 𝑃𝑒𝑠𝑜 𝐼𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙

𝑃𝑒𝑠𝑜 𝐹𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑥100 (1)

Tabla 7. Organización de las capas y porcentaje de STF del panel 1.

PANEL 1

N°Capa Masa inicial (g) Masa final (g) porcentaje STF

1 24.90 30.40 18.1%

2 24.25 30.20 19.7%

3 24.80 31.40 21.0%

4 24.38 31.60 22.8%

5 24.73 32.80 24.6%

6 24.81 33.20 25.3%

7 24.41 32.60 25.1%

8 24.92 32.00 22.1%

9 24.74 33.60 26.4%

10 23.63 32.20 26.6%

11 24.40 32.20 24.2%

12 23.41 30.60 23.5%

13 23.99 31.00 22.6%

14 23.90 32.60 26.7%

27


PANEL 2


1 23.49 31.00 24.2%

2 24.08 31.80 24.3%

3 23.83 31.20 23.6%

4 24.10 32.60 26.1%

5 24.40 32.60 25.2%

6 24.53 32.20 23.8%

7 24.12 32.60 26.0%

8 24.43 32.60 25.1%

9 23.95 32.20 25.6%

10 24.56 31.20 21.3%

11 24.04 31.40 23.4%

12 24.66 32.40 23.9%

13 24.66 32.00 22.9%

14 24.92 31.80 21.6%


PANEL 3


1 24.67 32.40 23.9%

2 24.46 32.00 23.6%

3 24.77 29.80 16.9%

4 24.62 30.00 17.9%

5 24.05 30.15 20.2%

6 24.43 31.14 21.5%

7 24.41 31.54 22.6%

8 24.70 31.76 22.2%

9 24.56 32.26 23.9%

10 24.57 32.04 23.3%

11 24.12 32.00 24.6%

12 24.13 32.30 25.3%

13 24.62 31.56 22.0%

14 24.32 31.37 22.5%

28


PANEL 4


1 24.07 31.73 24.1%

2 24.81 32.36 23.3%

3 24.46 32.55 24.9%

4 24.81 33.20 25.3%

5 24.35 32.46 25.0%

6 24.66 31.43 21.5%

7 24.38 29.83 18.3%

8 23.94 29.81 19.7%

9 24.57 30.84 20.3%

10 24.59 30.89 20.4%

11 24.02 31.95 24.8%

12 24.09 30.81 21.8%

13 24.50 33.62 27.1%

14 24.20 32.33 25.1%


PANEL 5


1 24.36 30.41 19.9%

2 24.23 32.56 25.6%

3 24.67 31.98 22.9%

4 24.98 32.86 24.0%

5 24.95 32.46 23.1%

6 24.13 31.43 23.2%

7 24.59 30.01 18.1%

8 24.67 30.45 19.0%

9 24.86 30.84 19.4%

10 24.12 30.89 21.9%

11 24.89 32.40 23.2%

12 24.92 31.02 19.7%

13 24.66 33.76 27.0%

14 24.83 32.34 23.2%

29

4.7. Calibración de la torre de pruebas.

La altura de lanzamiento del proyectil fue calculada por medio de las siguientes fórmulas:

𝐸 =1

2𝑚𝑉2 (2)

Donde la energía corresponde a 24 y 36 J según sea el caso. De ésta fórmula se despeja la

velocidad (5.0 m/s para 24 J y 6.0 m/s para 36 J aproximadamente).

ℎ =𝑉2

2𝑔 (3)

Las alturas obtenidas teóricamente corresponden a 1.27 y 1.83 m para 24 y 36 J

respectivamente. Sin embargo, las velocidades calculadas son mucho menores a las

alcanzadas por el proyectil por pérdidas de fricción principalmente. Por esto, se empleó la

cámara de alta velocidad FASTEC para medir la velocidad en los últimos 5 cm antes del

impacto para determinar la velocidad real a la que cae el proyectil y a partir de ésta

aumentar la altura de caída.

De acuerdo con lo anterior, las alturas reales de caída para obtener las velocidades teóricas

(y por ende la energía exigida) son 1.5 y 1.9 m para 24 y 36 J respectivamente.

5. RESULTADOS

En esta sección se presentan los resultados obtenidos de capas perforadas en cada uno de

los paneles, así como la caracterización mecánica de los mismos. Cada panel debía

componerse de 5 ensayos a 24 J y 4 ensayos a 36 J, sin embargo, por calibración y ensayos

de prueba con el sistema anti rebote, algunos paneles presentan menor número de pruebas

realizadas.

5.1. Profundidad de penetración

En las tablas 11 a 14, se presentan los resultados de penetración obtenidos para cada panel

ensayado con STF y el panel sin STF. En la ilustración 15 se presenta la gráfica comparativa

30

de los paneles para cada prueba realizada a 24 J, En las ilustraciones 16 y 17 se presentan

los resultados de todas las pruebas realizadas a 36 J.

Tabla 12. Resultados de capas penetradas para el panel 1.




24 J

CAPAS PENETRADAS KEVLAR+STF CAPAS PENETRADAS KEVLAR+STF PENETRACIÓN EN MATERIAL DE APOYO

1 4 14 6 mm

2 6 14 10 mm

3 3 11 0 mm

36 J

PANEL 1

PRUEBA

24 J

CAPAS PENETRADAS KEVLAR-STF CAPAS PENETRADAS KEVLAR+STF PENETRACIÓN EN MATERIAL DE APOYO

1 4 14 12 mm

2 6 12 0 mm

3 6 11 0 mm

4 3 12 0 mm

5 5

PANEL 2

PRUEBA36 J

24 J


1 9 14 6 mm

2 4 7 0 mm

3 4 8 0 mm

4 4 14 12 mm

PANEL 3

PRUEBA36 J

24 J


1 6 13 0 mm

2 9 13 0 mm

3 8 14 12 mm

4 9 14 18 mm

5 9

PRUEBA36 J

PANEL 4

31


Tabla 17. Resultados de capas penetradas para el panel sin STF.

Ilustración 14. Resultados de ensayos realizados a 24J para cada panel con STF y el panel sin STF.

24 J


1 7 14 6 mm

2 9 13 0 mm

3 10 14 12 mm

4 7 14 6 mm

5 9

PANEL 5

PRUEBA36 J

24 J

CAPAS PENETRADAS KEVLAR PENETRACIÓN EN MATERIAL DE APOYO CAPAS PENETRADAS KEVLAR PENETRACIÓN EN MATERIAL DE APOYO

1 18 39 mm 18 69 mm

2 18 24 mm 18 69 mm

3 18 24 mm 18 69 mm

4 18 39 mm 18 69 mm

5 18 24 mm

PANEL SIN STF

PRUEBA36 J

32

Ilustración 15. Resultados de ensayos a 36J para cada panel con STF y el panel sin STF.

Ilustración 16. Resultados de profundidad de penetración en el material de apoyo a 36 J para cada panel.

33

5.2. Caracterización mecánica de los paneles

En las ilustraciones 18 a 25, se presentan una gráfica representativas del comportamiento

mecánico de cada panel: Posición del punzón de pruebas, velocidad del impacto (para

verificar la energía de caída), aceleración y fuerza del punzón. En el Anexo 2 se presentan

las gráficas correspondientes a todos los ensayos realizados para cada panel.

Ilustración 17. Posición del punzón en función del tiempo para cada panel a 24 J.

34

Ilustración 18. Velocidad del punzón en función del tiempo para cada panel a 24 J.

Ilustración 19. Aceleración del punzón en función del tiempo para cada panel a 24 J.

35

Ilustración 20. Fuerza del punzón en función del tiempo para cada panel a 24 J.

Ilustración 21. Posición del punzón en función del tiempo para cada panel a 36 J

36

Ilustración 22. Velocidad del punzón en función del tiempo para cada panel a 36 J.

Ilustración 23. Aceleración del punzón en función del tiempo para cada panel a 36 J.

37

Ilustración 24. Fuerza del punzón en función del tiempo a 36 J

6. ANÁLISIS DE RESULTADOS.

En la ilustración 14 se observa que la impregnación con STF disminuye notablemente la

profundidad de penetración en el Kevlar frente al impacto de armas tipo punzón, pues

ninguno de los ensayos realizados atravesaron las 14 capas de Kevlar impregnado (Máxima

penetración a 24 J: 9 Capas de Kevlar), mientras que al emplear las 18 capas de Kevlar y

realizar las pruebas a la misma energía, el punzón traspasó completamente el panel e

incluso alcanzó profundidades de penetración de hasta 39 mm en el material de apoyo

como se muestra en la tabla 14. De acuerdo con la norma NIJ 0115.00, las profundidades

de penetración en el material de apoyo son menores a 7 mm para 24 J, por lo cual la

vestimenta de Kevlar con STF es apta para proteger completamente a la persona que la

porte.

38

Por otra parte, las ilustraciones 15 y 16 muestran que para caídas a 36 J de energía, los

paneles de Kevlar sin recubrimiento de STF alcanzan profundidades de penetración de hasta

69 mm, lo cual es suficiente para perforar órganos vitales. Mientras que para el caso de los

paneles con recubrimiento de STF, aunque algunos de estos atravesaron las 14 capas

impregnadas, la máxima profundidad alcanzada por el punzón fue de 18 mm, lo cual es

menor a lo reglamentado en la norma NIJ 0115.00 (20 mm), por lo que se confirma que este

material protege completamente a la persona frente al ataque con armas tipo punzón, sin

incrementar significativamente el peso de este.

En comparación con los resultados obtenidos anteriormente por Natalia Concha Ospina en

su proyecto de grado (2014), se obtuvo una mejoría en el desempeño mecánico de los

paneles al incrementar el número de capas recubiertas con STF, pues aunque en sus

resultados el STF disminuye las profundidades de penetración en el material de apoyo, éstas

se encuentran fuera de la profundidad máxima exigida por la norma. Por otro lado, en

comparación con los resultados obtenidos por Pedro Gómez en su proyecto de grado (2014)

los impactos a 24 J penetran en promedio el mismo número de capas de Kevlar que lo

obtenido en el presente proyecto, sin embargo, en los ensayos a 36 J el número de capas

perforadas es menor que las obtenidas actualmente, esto se puede deber a diferencias

entre la dureza de los punzones empleados, la composición del STF fabricado y el proceso

de impregnación de los paneles.

En cuanto al comportamiento mecánico de los paneles, se observa en las gráficas de

velocidad (Ilustraciones 18 y 24) que los paneles con recubrimiento de STF, una vez

impactan el material (punto de velocidad 0 m/s) rebotan con velocidades de hasta 3 m/s lo

cual corresponde a una energía de rebote de 8 J aproximadamente, mientras que los

paneles sin STF alcanzan velocidad 0 m/s en el momento del impacto y ésta no se

incrementa posteriormente, es decir, el proyectil no rebota en este caso. De acuerdo con

lo anterior, se puede afirmar que los paneles con recubrimiento de STF absorben menor

energía en el impacto disminuyendo los efectos en la persona que la porta.

39

Finalmente, se observa en las gráficas de aceleración y fuerza del punzón (Ilustraciones 20,

21, 24 y 25) que los paneles de Kevlar con STF causan mayor desaceleración en el punzón

de pruebas en comparación con los paneles sin STF, esto genera mayor fuerza del punzón

en el caso sin recubrimiento.

7. CONCLUSIONES.

El resultado del recubrimiento del Kevlar con STF es un material compuesto

resistente a los ataques con armas tipo punzón, ya que se evita la perforación total

del material a impactos de 24 J y profundidades de penetración insuficientes para

dañar órganos vitales (menores a 20 mm) en impactos a 36 J.

Se presentan disminuciones del 44% en profundidad de penetración para paneles

con recubrimiento de STF e impactados a 24 J, y de 70% para paneles con

recubrimiento de STF e impactados a 36 J. Lo anterior, manteniendo el peso

aproximado de un chaleco antibalas compuesto por 18 capas de Kevlar.

8. RECOMENDACIONES.

En cuanto a la realización del proyecto, es importante tomar datos de aceleración del

punzón mediante un acelerómetro para verificar que los datos obtenidos mediante las

regresiones de Matlab realizadas sean correctas.

Para continuar con la investigación es pertinente estudiar cual es el efecto de la adición de

STF en el desempeño del Kevlar para evitar el paso de balas, es decir, se ha comprobado

hasta el momento, que la adición de STF mejora significativamente el desempeño del Kevlar

al impacto con armas blancas, sin embargo, ¿Hay algún efecto (positivo o negativo) de la

adición de esta sustancia frente al impacto con armas de fuego?

Adicionalmente, es importante estudiar también, la durabilidad del panel impregnado con

STF, es decir, por cuanto tiempo se mantiene el efecto del STF para mejorar la resistencia

del panel de Kevlar frente al impacto con armas blancas.

40

9. REFERENCIAS.

DUPONT. (2015). KEVLAR BRAND . Recuperado el 19 de Abril de 2015, de

http://www.dupont.com/products-and-services/fabrics-fibers-nonwovens/fibers/brands/kevlar.html

DUPONT. (s.f.). Tecnichal guide: KEVLAR ARAMID FIBER. . Recuperado el 19 de Abril de 2015, de

http://www2.dupont.com/Personal_Protection/en_GB/assets/PDF/Kevlar%C2%AE%20Technical%20

Guide.pdf

Handbook, A. I. (1991). Heat Treating. Volumen 4: ASM International.

Ibarrola, E. (2010). Introducción a los fluidos no Newtonianos. Obtenido de

http://www.efn.unc.edu.ar/departamentos/aero/Asignaturas/MecFluid/material/introducci%C3%B3

n%20no%20newtonianos.pdf

Lorente, D. A. (16 de Junio de 2007). Carbono y Aramida, del concepto a la producción . Obtenido de

http://www.interempresas.net/Plastico/Articulos/17156-Carbono-y-Aramida-del-concepto-a-la-

produccion.html

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Aires, Argentina: Ministerio de educación-Instituto nacional de Educación Tecnológica.

Natalia, C. O. (2014). Comportamiento mecánico de paneles fabricados con STF Y KEVLAR frente al

impacto de armas blancas. Bogotá.

R.G Egres, C. H. (2005). STAB PERFORMANCE OF SHEAR THICKENING FLUID (STF) -FABRIC

COMPOSITES FOR BODY ARMOR APPLICATIONS. University of Delaware, Newark, DE 19716 .

Ramirez, J. D. (Mayo de 2004). Characterization of shear-Thickening Fluid-Filled Foam Systems for Use

in Energy Absorption Devices. Recuperado el 19 de Abril de 2015, de

http://dspace.mit.edu/bitstream/handle/1721.1/32777/57570918.pdf

Xilong Gong, Y. X. (2013). Study of the Knife and puncture-resistant performance for shear thickening

fluid. . Journal of composite materials Vol 48(6).

National Institute of Justice. Ballistic Resistance of Personal Body Armor, NIJ Standard -0101.04.

(2000). Disponible en: https://www.ncjrs.gov/pdffiles1/nij/183651.pdf

41

10. ANEXOS.

10.1. Plano del punzón de pruebas especificado por la norma NIJ 0115.00

Ilustración 25. Anexo1. Plano del punzón de pruebas.

42

10.2. Procesamiento de los datos obtenidos por Tracker.

Inicialmente, se obtuvieron los datos de posición del marcador con Tracker, tomando

suficientes puntos en la zona de caída libre (mínimo 10) y en la zona del impacto. Se

dividieron estos datos en las tres regiones principales: Caída libre antes del impacto, zona

del impacto y rebote después del impacto como se muestra en la ilustración 26.

Ilustración 26. División de regiones de caída en la gráfica de posición vs tiempo.

Se realizó una regresión lineal de segundo orden en la región 1 de la gráfica obtenida, de tal

manera que la ecuación involucre la gravedad característica de caída libre. En la región

número 2 se realizó una regresión de cuarto grado y finalmente una de segundo orden para

la zona del rebote del proyectil. Estas regresiones se realizaron utilizando la aplicación de

Matlab CURVE FITTING.

Posteriormente, se determinaron las ecuaciones de frontera para establecer continuidad

entre las tres regiones de la regresión.

Finalmente, se realiza derivación polinómica para obtener las gráficas de velocidad,

aceleración y con ella, la fuerza aplicada sobre el panel.

43

10.3. Gráficas de Posición, velocidad y aceleración para cada prueba realizada (24 y 36J)

Ilustración 27. Posición del punzón en cada prueba del panel 1 a 24J

Ilustración 28. Velocidad del punzón en cada prueba del panel 1 a 24J

44

Ilustración 29. Aceleración del punzón en cada prueba del panel 1 a 24J

Ilustración 30. Fuerza sobre el panel en cada prueba del panel 1 a 24J

45

Ilustración 31. Posición del punzón en cada prueba del panel 1 a 36J

Ilustración 32. Velocidad del punzón en cada prueba del panel 1 a 36J

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Ilustración 33. Aceleración del punzón para cada prueba del panel 1 a 36J

Ilustración 34. Fuerza sobre el panel para cada prueba del panel 1 a 36J

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Ilustración 35. Posición del punzón para cada prueba del panel 2 a 24J

Ilustración 36. Velocidad del punzón para cada prueba del panel 2 a 24J

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Ilustración 43. Posición del punzón para cada prueba en el panel 3 a 24J


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Ilustración 45. Aceleración del punzón para cada prueba en el panel 3 a 24J


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Ilustración 51. Posición del punzón para cada prueba del panel sin STF a 24J

Ilustración 52. Velocidad del punzón para cada prueba del panel sin STF a 24J

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Ilustración 53. Aceleración del punzón para cada prueba del panel sin STF a 24J

Ilustración 54. Fuerza sobre el panel para cada prueba del panel sin STF a 24J

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Ilustración 55. Posición del punzón para cada prueba del panel sin STF a 36J

Ilustración 56. Velocidad del punzón para cada prueba del panel sin STF a 36J

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Ilustración 57. Aceleración del punzón para cada prueba del panel sin STF a 36J

Ilustración 58. Fuerza sobre el panel para cada prueba del panel sin STF a 36J

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10.4. Modo de uso del sistema anti-rebote.

El sistema anti rebote está compuesto principalmente de una estructura de sujeción de dos

platinas encargadas mantener el sistema en la ubicación correcta, un pasador hexagonal de

acero encargado de frenar el proyectil después del rebote y activado por un electroimán

solenoide que saca la puntilla que sostiene el pasador (un resorte se descomprime

activando el pasador), y un circuito ordenador conformado de una fotocelda y un Arduino

principalmente, encargado de detectar una diferencia de voltaje ocasionada por la variación

de luz en el ambiente y ordenando al solenoide quitar la puntilla. De acuerdo con lo

anterior, es importante verificar los siguientes pasos antes de realizar cada prueba.

1. Verifique el circuito esté conectado correctamente de acuerdo a la marcación

establecida en cada cable.

2. Encienda la fuente de voltaje y verifique que los bombillos naranja y verde del

Arduino estén encendidos.

3. Realice los ajustes correspondientes a la prueba a realizar y encienda las luces de la

cámara para iniciar la prueba.

4. Antes de soltar el proyectil y con las luces encendidas oprima el botón del Arduino

rojo llamado Reset.

5. Ubique la puntilla dentro del pasador y verifique nuevamente que los bombillos

naranja y verde de Arduino se encuentren encendidos. Una vez culminados estos

pasos se puede proceder a realizar la prueba correspondiente.

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CARACTERIZACIÓN MECÁNICA DEL KEVLAR CON RECUBRIMIENTO DE