Diseño y comportamiento mecánico de núcleos ultralivianos basados en CFRP para uso en estructuras sándwich

Abstract

El uso de materiales base ligeros, como los compuestos reforzados con fibra de carbono (CFRP), puede mejorar la eficiencia energética de los vehículos de pasajeros entre un 6% y un 8% por cada 10% de reducción de peso, lo que aplicado a vehículos eléctricos e híbridos fomentaría una mayor competitividad y atracción hacia la nueva generación del transporte. Dentro del grupo de estructuras más eficientes que ofrecen muy bajo peso y buenas propiedades mecanicas, se destacan las estructuras tipo sándwich. Normalmente éstos se componen de un par de placas de cubierta, llamadas pieles, de polímeros reforzados con fibras o de aluminio, y núcleos celulares de muy baja densidad (por ejemplo, espumas, Nomex® o núcleos tipo panal de abeja o honeycomb de aluminio). En la actualidad, el uso de materiales de tipo celular para núcleos ha ganado mayor atención y es tendencia en el área de los diseñadores de materiales. En este contexto, las estructuras celulares ultraligeras de diseño utilizan los principios de carga orientada con el material base, aprovechando su anisotropía, como es el caso de los núcleos honeycomb 3D y los reticulados o lattices basados en CFRP. El objetivo principal de este trabajo fue contribuir a la investigación en diseño y estudio del comportamiento mecánico de nuevos materiales de tipo núcleo celular, a través de diferentes enfoques. El trabajo se centra en núcleos de muy baja densidad para aplicaciones sándwich (ρ c < 48 kgm -3 ), basados en CFRP, presentando mayor rigidez y resistencia en comparación con sus contrapartes comerciales. En estos términos, el alcance de este trabajo se dirigió a tratar tres puntos focales: 1. Explorar el diseño y la fabricación de nuevos tipos de núcleos sándwich ultraligeros: se propusieron enfoques originales de diseño: (a) núcleos honeycomb 3D, desarrollando el método fabricación por enclavamiento mecánico; (b) núcleos reticulados, con foco en su diseño a partir de materiales prefabricados. En ambos casos, la función objetivo fue lograr núcleos de ultrabajo peso y, a su vez, obtener un panel sándwich completo, alcanzándose buena calidad de terminación y repetibilidad. 2. Estudiar el comportamiento de los núcleos propuestos por casos de carga típicos, identificando y prediciendo sus modos principales de falla: Se estudió la relación morfológica de los núcleos y sus propiedades mecánicas, a partir de las geometrías de las celdas unitarias que los componen y de las propiedades mecánicas del material base, con el fin de desarrollar modelos analíticos para predecir y estudiar los modos de falla de las estructuras obtenidas. Estos modelos fueron complementados por simulaciones por elementos finitos (FE) con buena correlación. Así, se perfilaron los modos principales de falla para evaluar el comportamiento del material previo a los ensayos. Como primera etapa, el trabajo se centra en el estudio de los núcleos en compresión fuera del plano y cizallamiento de placa, para luego complementarse con una investigación en flexión en 4 puntos, evaluando el panel sándwich como conjunto, siendo la rigidez de los núcleos y los espesores de piel las variables. 3. Caracterizar el comportamiento mecánico de los núcleos y de los paneles sándwich, propuestos para la retroalimentación de modelos: se llevaron a cabo una serie de ensayos mecánicos cuasiestáticos, en base a los estados de carga previamente establecidos. Se correlacionaron los datos experimentales y las predicciones de los modelos, proporcionando una retroalimentación para su validación. Los datos experimentales se encuentran en buena correspondencia con los modelos de predicciones. Los núcleos honeycomb 3D presentaron densidades de 38,67 – 47,64 kgm -3 ; mientras que los núcleos reticulados, densidades de 8,66 – 49,7 kgm -3 . El rango menor de densidad representa un tipo de núcleos que aun no ha sido explotado. Ambos núcleos exhibieron avances en el desempeño mecánico específico en comparación con otros materiales de núcleos conocidos, por ejemplo, en algunos casos superando en compresion en 35,5 % en términos de resistencia y en 124,6 % en términos de rigidez al mejor material competidor; y en cizallamiento, con módulos de corte de 5 a 6 veces, e índices de resistencia de 2,7 a 4,5 veces mayores que los núcleos competidores de arquitectura cuadrada. Esta disertación brinda nuevos enfoques para la obtención de núcleos celulares de ultrabajo peso, cuyas características de celda abierta, además ofrece potenciales aplicaciones multifuncionales (por ejemplo, transferencia de calor, capacidad de refuerzo con espumas, o la incorporación de cables o electrónica). Los núcleos de estudio representan una alternativa atractiva a los núcleos celulares tradicionales metálicos y/o poliméricos y, al mismo tiempo, siendo materiales sencillos de fabricar. Los modos de falla predichos por los resultados analíticos brindan una herramienta de interés para diseñadores de materiales en diferentes aplicaciones, pudiéndose conocer las propiedades mecánicas del panel sándwich antes de su fabricación. Mail del autor Juan Pablo Vitale <pablovitale.mdp@gmail.com>