La fabricación aditiva generó un seguimiento temprano con impresoras 3D que utilizan polímeros para crear un objeto sólido a partir de un modelo de diseño asistido por computadora. Los materiales utilizados fueron polímeros limpios, perfectos para un prototipo rápido, pero no se usan comúnmente como materiales estructurales.
Una nueva ola de fabricación aditiva utiliza compuestos poliméricos que se extruyen de una boquilla como resina epoxi, pero que se refuerzan con fibras de carbono cortas y picadas. Las fibras fortalecen el material, al igual que las barras de refuerzo en una acera de cemento. El objeto resultante esmucho más rígido y más fuerte que una resina por sí solo.
La pregunta que un estudio reciente de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign planteó para responder a las preocupaciones sobre qué configuración o patrón de fibras de carbono en las capas de resina extruida dará como resultado el material más rígido.
John Lambros, profesor de Willett en el Departamento de Ingeniería Aeroespacial y director del Laboratorio de Pruebas y Evaluación de Materiales Avanzados en la U de I, se acercó a un grupo de investigación de fabricación aditiva en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore para probar las piezas compuestas que habían creado usando untécnica de escritura directa de tinta.
"Las fibras de carbono son pequeñas, de aproximadamente siete micras de diámetro y 500 micras de longitud", dijo Lambros. "Es más fácil con un microscopio, pero ciertamente se puede ver un haz a simple vista. Las fibras están mayormente alineadas en la extrusiónresina, que es como un pegamento que mantiene las fibras en su lugar. El grupo Lawrence Livermore proporcionó las partes, creadas con varias configuraciones diferentes y una hecha sin fibras incrustadas como control. Una de las partes había sido teóricamente optimizada para la máxima rigidez,pero el grupo quería corroboración experimental definitiva del proceso de optimización "
Lambros dijo que mientras esperaba las muestras compuestas fabricadas aditivamente, Lambros y su estudiante hicieron sus propias muestras "falsas" de plexiglás, y de esa manera podrían comenzar a probar los maniquíes.
En este caso, la forma que se estaba probando era una junta de horquilla: una placa pequeña de forma ovalada con dos orificios utilizados para conectar otras dos superficies. Para cada forma de muestra diferente, el laboratorio de Lambros debe crear un dispositivo de carga único para probareso.
"Creamos los soportes, las empuñaduras y todo: cómo se pintarán, cómo las cámaras grabarán las pruebas, etc.", dijo Lambros. "Cuando obtuvimos las muestras reales, no estabanexactamente la misma forma. El grosor era un poco diferente al de nuestros Plexiglás, así que hicimos nuevos espaciadores y lo resolvimos al final. Desde el punto de vista mecánico, debemos ser muy cautelosos. Es necesario usar la precisión para tener confianzaque cualquier certificación eventual de piezas fabricadas aditivamente se realiza correctamente "
"Creamos un marco experimental para validar el patrón óptimo del material compuesto reforzado con fibra corta", dijo Lambros. "Cuando la máquina de carga tensó las placas de unión de la horquilla, utilizamos una técnica de correlación de imagen digital para medir el campo de desplazamiento a través dela superficie de cada muestra mediante el seguimiento del movimiento en los valores de intensidad de píxeles de una serie de imágenes digitales tomadas a medida que la muestra se deforma. Se aplica un patrón de moteado aleatorio a la superficie de la muestra y sirve para identificar subconjuntos de las imágenes digitales de una manera única.pueden ser rastreados durante la deformación "
Probaron una muestra de control y cuatro configuraciones diferentes, incluida la que se cree que está optimizada para la rigidez, que tenía un patrón de fibra ondulado en lugar de uno orientado a lo largo de líneas horizontales o verticales.
"Cada muestra de placa de junta de horquilla tenía 12 capas en una pila. La optimizada tenía líneas de deposición curvadas y espacios entre ellas", dijo Lambros. "De acuerdo con las predicciones del grupo Livermore, las brechas están allí por diseño, porque usted no 'No se necesita más material que este para proporcionar la rigidez óptima. Eso es lo que probamos. Pasamos los pasadores de carga a través de los agujeros, luego extrajimos cada muestra hasta el punto de rotura, registrando la cantidad de carga y el desplazamiento.
"La configuración que predijeron sería óptima, de hecho fue óptima. La menos óptima fue la muestra de control, que es solo resina, como era de esperar porque no contiene fibras".
Lambros dijo que existe una premisa en el análisis de que este es un óptimo global, lo que significa que esta es la mejor muestra posible construida para la rigidez; ningún otro patrón de construcción es mejor que este.
"Aunque, por supuesto, solo probamos cuatro configuraciones, parece que la configuración optimizada puede ser la mejor en la práctica porque las configuraciones que se usarían más comúnmente en el diseño, como las alineaciones de 0 ° -90 ° o ± 45 °, fueron más conformes o menos rígidos de lo que era ", dijo Lambros." Lo interesante que encontramos es que la muestra optimizada para ser la más rígida también resultó ser la más fuerte. Entonces, si observa dónde se rompen, esta se encuentra en la carga más alta. Esto fue algo inesperado en el sentido de que no se habían optimizado para esta función. De hecho, la muestra optimizada también fue un poco más ligera que las otras, por lo que si observa una carga específica, el fallocarga por unidad de peso, es mucho más alta. Es bastante más fuerte que las otras. Y por qué ese es el caso es algo que vamos a investigar a continuación ".
Lambros dijo que puede haber más pruebas en el futuro, pero por ahora, su equipo demostró con éxito que podían proporcionar una validación para la compilación de aditivos compuestos optimizada.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Facultad de Ingeniería de la Universidad de Illinois . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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