El carbono es vital para la existencia de todos los organismos vivos, ya que forma la base de todas las moléculas orgánicas que, a su vez, forman la base de todos los seres vivos. Si bien eso por sí solo es bastante impresionante, recientemente ha encontrado aplicaciones sorprendentemente novedosas endisciplinas como la ingeniería aeroespacial y civil con el desarrollo de fibras de carbono que son más fuertes, más rígidas y más ligeras que el acero. En consecuencia, las fibras de carbono se han apoderado del acero en productos de alto rendimiento como aviones, coches de carreras y equipos deportivos.
Las fibras de carbono generalmente se combinan con otros materiales para formar un compuesto. Uno de esos materiales compuestos es el plástico reforzado con fibra de carbono CFRP, que es bien conocido por su resistencia a la tracción, rigidez y alta relación resistencia-peso.Debido a su alta demanda, los investigadores han llevado a cabo varios estudios para mejorar la resistencia de los CFRP, y la mayoría de ellos se han centrado en una técnica particular llamada "diseño dirigido por fibra", que optimiza la orientación de la fibra para mejorar la resistencia.
Sin embargo, el enfoque de diseño dirigido por fibra no está exento de inconvenientes. "El diseño dirigido por fibra solo optimiza la orientación y mantiene fijo el grosor de las fibras, evitando la plena utilización de las propiedades mecánicas del CFRP. Un enfoque de reducción de peso, que permitela optimización del grosor de la fibra rara vez se ha considerado ", explica el Dr. Ryosuke Matsuzaki de la Universidad de Ciencias de Tokio TUS, Japón, cuya investigación se centra en materiales compuestos.
En este contexto, el Dr. Matsuzaki, junto con sus colegas de TUS, Yuto Mori y Naoya Kumekawa, propusieron un nuevo método de diseño para optimizar la orientación y el grosor de la fibra simultáneamente según la ubicación en la estructura compuesta, lo que les permitiópara reducir el peso del CFRP en comparación con el de un modelo de laminación lineal de espesor constante sin comprometer su resistencia. Sus hallazgos se pueden leer en un nuevo estudio publicado en Estructuras compuestas .
Su método consistió en tres pasos: los procesos preparatorio, iterativo y de modificación. En el proceso preparatorio, se realizó un análisis inicial utilizando el método de elementos finitos FEM para determinar el número de capas, lo que permitió una evaluación cualitativa del peso por unmodelo de laminación lineal y un diseño dirigido por fibra con un modelo de variación de espesor. El proceso iterativo se utilizó para determinar la orientación de la fibra por la dirección de tensión principal y calcular iterativamente el espesor utilizando la "teoría de tensión máxima". Finalmente, el proceso de modificación se utilizó pararealizar modificaciones que tengan en cuenta la capacidad de fabricación creando primero un "haz de fibras base" de referencia en una región que requiera mejorar la resistencia y luego determinando la orientación y el grosor finales colocando los haces de fibras de manera que se extiendan a ambos lados del haz de referencia.
El método de optimización simultánea condujo a una reducción de peso superior al 5% al tiempo que permitió una mayor eficiencia de transferencia de carga que la lograda con la orientación de la fibra solamente.
Los investigadores están entusiasmados con estos resultados y esperan la implementación futura de su método para reducir aún más el peso de las piezas CFRP convencionales. "Nuestro método de diseño va más allá de la sabiduría convencional del diseño compuesto, lo que permite fabricar aviones y automóviles más ligeros, que puedencontribuir a la conservación de la energía y la reducción de las emisiones de CO2 ", observa el Dr. Matsuzaki.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Ciencias de Tokio . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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