Optimización del procesamiento y evaluación mecánica de estructuras celulares auxéticas fabricadas por impresión 3D-DLP

Abstract

Las estructuras celulares que presentan una relación de Poisson aparente negativa (RPN) son conocidas como estructuras auxéticas. Estas estructuras tienen la particularidad de expandirse lateralmente cuando se someten a tracción uniaxial y de contraerse lateralmente bajo compresión uniaxial, lo que les confiere propiedades mecánicas sobresalientes, especialmente en términos de absorción de energía, en comparación con las estructuras celulares tradicionales. Dentro de la amplia gama de posibilidades que ofrece la manufactura aditiva para la fabricación de estructuras celulares a partir de diversos materiales, este trabajo se centra específicamente en el estudio de estructuras auxéticas poliméricas producidas mediante impresión 3D por procesamiento digital de luz (DLP). Para ello, se fabricaron y evaluaron probetas de una estructura celular hexagonal rentrante auxética y, con fines comparativos, una estructura hexagonal tradicional tipo panal de abeja. Inicialmente, se llevó a cabo una caracterización físico-química exhaustiva de la resina utilizada, junto con un análisis detallado de la influencia de las variables de procesamiento en las propiedades mecánicas del material. Esto permitió definir un procedimiento de fabricación que garantiza la estabilidad de las propiedades mecánicas de las piezas en el tiempo. A continuación, se fabricaron las probetas celulares, en las cuales se variaron sistemáticamente dos parámetros geométricos de las celdas unidad: el espesor de pared y la altura. La evaluación y comparación del desempeño mecánico de ambos tipos de estructuras se realizó mediante ensayos de compresión uniaxial, determinándose en cada caso la rigidez y la energía absorbida por unidad de densidad aparente de las probetas ensayadas. Además, se implementó la técnica de correlación digital de imágenes (DIC) para medir la relación de Poisson aparente de todas las estructuras, relacionando posteriormente este valor con la capacidad de absorción de energía. También, se realizó una simulación numérica del comportamiento mecánico de las estructuras utilizando el software de elementos finitos Abaqus, con el objetivo de establecer una base para futuras evaluaciones de las estructuras en otros modos de carga, como parte de geometrías más complejas, o con variaciones en los parámetros geométricos de la celda unidad. Para ello, se calibró un modelo constitutivo elastoplástico con endurecimiento por deformación empleando los datos experimentales del material base, como el módulo elástico, la relación de Poisson, y la curva tensión real - deformación plástica. Los resultados experimentales evidenciaron que, al comparar estructuras de iguales dimensiones, las auxéticas presentan una mayor absorción de energía por unidad de densidad aparente que las no auxéticas. Asimismo, se observó una relación directa entre la relación de Poisson aparente y la capacidad de absorción de energía, siendo esta última mayor en estructuras con una relación de Poisson aparente cercana a cero. En cuanto al modelado numérico, para algunas de las estructuras se obtuvo un resultado similar al experimental, mientras que una de ellas no replico exactamente el resultado experimental. Además, se llevó a cabo una simplificación de la geometría utilizada para la simulación que permitió alcanzar el mismo resultado con un menor consumo de recursos computacionales y en menores tiempos