¿Qué es la prueba de durabilidad?

someter a prueba los productos y materiales para garantizar su seguridad, fiabilidad y un cierto nivel de rendimiento, especialmente a lo largo del tiempo.

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entran en juego las pruebas de durabilidad , que verifican la resistencia de un producto o material al desgaste, al envejecimiento y a otros factores de estrés ambiental y mecánico. 

En el siguiente artículo veremos en qué consiste la prueba de durabilidad, para qué sectores es importante y cómo se realiza.

Tipos de pruebas en pruebas de durabilidad

La prueba de durabilidad no es una sola prueba, sino un conjunto de pruebas que someten la muestra a diferentes condiciones.

Los tipos de pruebas que se incluyen en las pruebas de durabilidad varían de una industria a otra, de un producto a otro, pero estas son algunas de las más comunes y transversales: 

• Ensayos de Fatiga: Estos ensayos verifican la resistencia de los materiales a ciclos de carga repetidos, como vibraciones, choques o movimientos.
• Ensayos de Abrasión: evalúan la resistencia de superficies o recubrimientos al desgaste causado por la fricción repetida.
• Pruebas de corrosión: Simulan la exposición a condiciones corrosivas, como la humedad o entornos químicos agresivos, para determinar la resistencia a la oxidación o la degradación química.
• Pruebas climáticas: Simulan la exposición a cambios de temperatura, humedad, luz solar y otras condiciones ambientales extremas.

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¿En qué sectores es necesario realizar pruebas de durabilidad?

Debido a su universalidad, las pruebas de durabilidad son importantes en casi todos los sectores industriales.

todos los productos que necesitan garantizar una fiabilidad a largo plazo se someten a pruebas de durabilidad. Pero las más comunes son las siguientes:

• Automoción: especialmente componentes como frenos, suspensiones y neumáticos, deben soportar cargas repetidas y condiciones ambientales adversas.
• Aeroespacial: Los aviones y las naves espaciales deben soportar tensiones extremas y cambios climáticos rápidos.
• Electrónica: Tanto los aparatos electrónicos de consumo como sus componentes se someten a una rigurosa serie de pruebas, incluidas pruebas de durabilidad. 
• Construcción: Los materiales de construcción deben mantener su integridad estructural durante años, resistiendo la exposición continua a la intemperie.

Pruebas climáticas para pruebas de durabilidad

Las pruebas climáticas ocupan un lugar importante dentro de las pruebas de durabilidad, ya que casi todos los productos están expuestos a condiciones ambientales más o menos extremas y a cambios bruscos de temperatura. 

Por este motivo, es necesario contar con una cámara climática para realizar la prueba de durabilidad.

La cámara climática es un instrumento de laboratorio capaz de simular diferentes condiciones ambientales en su interior, gracias al control preciso de los temperatura y humedad relativa.

Además, las cámaras climáticas pueden equiparse con sistemas de iluminación y difusores para simular la exposición a la luz solar y a agentes corrosivos, respectivamente.

Las pruebas climáticas del ensayo de durabilidad están reguladas por una serie de normas reconocidas internacionalmente, entre las que podemos mencionar:

• ISO 16750-4: Especifica los requisitos ambientales para los componentes eléctricos y electrónicos en vehículos, incluidas las pruebas de temperatura y humedad.
• ISO 9227: Describe métodos para realizar pruebas de niebla salina, útiles para evaluar la resistencia a la corrosión.
• ISO 4892: abarca la exposición a la luz artificial y a la intemperie para probarel envejecimiento acelerado de materiales poliméricos.

Estas normas proporcionan directrices detalladas sobre cómo realizar pruebas y evaluar los resultados, garantizando que los productos probados cumplan con estrictos requisitos de durabilidad.

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La cámara climática FDM para pruebas de durabilidad

Durante más de setenta años, FDM – Environment Makers ha sido una empresa líder en el campo de las pruebas climáticas.

Las cámaras climáticas FDM están diseñadas para realizar todas las pruebas climáticas mencionadas anteriormente y cumplir con los requisitos internacionales de pruebas de durabilidad.

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Normas de referencia

• IEC 60068-2-2 — Ensayos ambientales Ensayo B: Calor seco, referencia básica para ensayos de calor seco estacionario utilizados en la calificación de durabilidad.
• IEC 60068-2-64 — Ensayo Fh: Vibración aleatoria de banda ancha, especifica perfiles PSD para ensayos de durabilidad mecánica.
• Método MIL-STD-810H 500/501/502 : Métodos militares para pruebas de calificación ambiental de hardware de defensa a baja presión, alta temperatura y frío.
• ISO 16750 — Condiciones ambientales y ensayos de equipos eléctricos y electrónicos para vehículos de carretera, referencia de nivel 1 para el sector automotriz.
• IEC 61215 — Módulos fotovoltaicos cristalinos terrestres: Calificación y aprobación del diseño con pruebas de durabilidad aceleradas.
• JEDEC JESD22-A104 — Ciclos de temperatura: Ciclos térmicos para la estimación de la vida útil de los encapsulados de semiconductores.

Fuentes autorizadas

• La JEDEC Solid State Technology Associationpublica la serie JESD22 para la cualificación de la fiabilidad de los componentes electrónicos.
• Base de datos del manual MIL (DLA). Repositorio oficial de las normas militares MIL-STD-810 y MIL-HDBK-217F para estimaciones de MTBF.
• IEC – Comisión Electrotécnica Internacional. Mantiene la serie IEC 60068 para ensayos ambientales industriales.

Preguntas frecuentes sobre las pruebas de durabilidad

¿Durabilidad y fiabilidad son lo mismo?

No. La durabilidad indica la capacidad de un producto para mantener sus funciones especificadas durante su vida útil nominal bajo las condiciones de uso previstas, que normalmente se miden en ciclos, horas de funcionamiento y kilómetros recorridos. La fiabilidades la probabilidad R(t) de que el producto funcione correctamente sin fallos durante un tiempo t, expresada por MTBF (Tiempo Medio Entre Fallos) o MTTF (Tiempo Medio Hasta el Fallo). Un componente puede ser duradero pero poco fiable (por ejemplo, una lámpara que dura 10 000 horas pero falla repentinamente con frecuencia) o fiable pero poco duradero (un componente que no falla pero tiene una vida útil nominal corta). Las pruebas de durabilidad acelerada aplican tensiones amplificadas (temperatura, vibración, humedad) para comprimir la vida útil real en unas pocas semanas de prueba, utilizando modelos de envejecimiento para extrapolar los datos. El objetivo final es validar la vida útil B10 (tiempo después del cual el 10 % de las piezas han fallado) o especificaciones contractuales equivalentes.

¿Cuál es el factor de aceleración Arrhenius?

El Arrhenius describe cómo la tasa de mecanismos de degradación activados térmicamente aumenta exponencialmente con la temperatura: AF = exp[(Ea/k)(1/T_campo – 1/T_prueba)], donde Ea es la energía de activación en eV, k = 8,617e-5 eV/K la constante de Boltzmann, T la temperatura absoluta. Valores típicos de Ea: 0,7 eV para corrosión metálica, 0,8 eV para electromigración en Al, 1,0 eV para oxidación dieléctrica. Una prueba a 125 C versus uso a 55 C con Ea = 0,7 eV produce AF ~ 38x: 1000 h de prueba son equivalentes a 38000 h (4,3 años) en campo. Para la humedad, se utilizan los modelos de Peck (AF ~ exp(Ea/kT) * RH^n) o Hallberg-Peck. En el caso de vibraciones, se aplica la ley de Miner con un exponente de fatiga m = 4-6, dependiendo del material. La combinación de múltiples tensiones requiere un diseño de experimentos estructurado y perfiles HALT/HASS que aceleren los mecanismos de falla más de 100 veces.

MIL-STD-810 frente a IEC 60068: ¿Cuándo aplicar cada una?

MIL-STD-810H es el estándar de referencia para hardware de defensa y aeroespacial con 29 métodos ambientales: lluvia torrencial, arena y polvo, desprendimiento de hielo, explosión, inmersión, sulfato ácido. Los perfiles son específicos para cada misión (tropical, ártico, montaña, mar) y requieren pruebas prolongadas (6-12 meses para la calificación completa). IEC 60068 es un estándar industrial internacional con métodos básicos más simplificados, orientado a la electrónica comercial, industrial y automotriz. IEC 60068-2-1 (frío), -2-2 (calor), -2-14 (choque térmico), -2-30 (calor húmedo cíclico) y -2-78 (calor húmedo constante) cubren el 90% de las calificaciones civiles. Para la industria automotriz, se utiliza ISO 16750 (subconjunto de IEC con perfiles específicos para vehículos), para aplicaciones ferroviarias EN 50125 y para aplicaciones médicas IEC 60601-1-11. Un producto de doble uso (defensa/civil) suele incluir referencias cruzadas MIL->IEC documentadas en el plan de pruebas. La elección final depende de las especificaciones del cliente y del área geográfica de uso.

¿Cómo diseñar un experimento para evaluar la durabilidad?

El DoE para durabilidad equilibra la cobertura de mecanismos de falla, el costo de las pruebas y el tiempo de programación. Pasos clave: (1) FMECA para identificar los modos de falla dominantes y las tensiones críticas; (2) selección de tensiones de aceleración (temperatura, RH, vibración, ciclos) consistentes con Arrh/Peck /Coffin-Manson; (3) definición del factor de aceleración objetivo dimensionamiento de la muestra estadística con la prueba de Weibull (mínimo 10-30 muestras para un intervalo de confianza del 90%); (5) matriz factorial de cuadrado latino 2^ko de criterios de falla (paramétricos vs. catastróficos); (7) de censura . Software como Weibull++ o Minitab calculan los parámetros de distribución (eta, beta) y producen gráficos de Weibull para la estimación B10/B50. El análisis final debe incluir el intervalo de confianza en la vida útil prevista y la sensibilidad a las suposiciones de Ea.