Compuestos multifuncionales auxéticos y en forma de panal hechos de preformas de fibra de carbono tejidas en 3D

Scientific Reports volumen 12, número de artículo: 22593 (2022) Citar este artículo

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Los compuestos tejidos tridimensionales (3D) comenzaron a encontrar aplicaciones en diversos sectores industriales, principalmente en el aeroespacial y con potencial en la automoción. Los tejidos tejidos en 3D se pueden diseñar para formar preformas complejas y con una forma casi neta, listas para la fabricación automatizada de compuestos. La tela alveolar tejida en 3D está diseñada para incluir funciones adicionales en los compuestos terminados, como relaciones de Poisson positivas y negativas. En este estudio, se crearon arquitecturas complejas en forma de panal utilizando varios diseños de tejido para demostrar los efectos de los comportamientos auxéticos cuando se fabrican en una estructura compuesta. Se utilizó un sistema de tejido 3D Staubli equipado con Jacquard UNIVAL 100 y una fileta de 3072 estopas de fibra de carbono de 6 k para tejer la arquitectura de panal diseñada. Con la ayuda de inserciones de espuma de poliéster dura, los tejidos 3D se convirtieron en preformas alveolares y auxéticas. Estas preformas se infundieron utilizando resina epoxi para fabricar un conjunto de estructuras compuestas auxéticas y en forma de panal. En comparación con la estructura de panal inicial, se demuestra que los compuestos auxéticos desarrollados exhibieron un índice de Poisson negativo de −2,86 y −0,12 en el caso de los ensayos de tracción y compresión respectivamente.

Los compuestos tejidos 3D multifuncionales tienen la capacidad de absorber energía a través de fallas progresivas, mientras mantienen la caída gradual del perfil de carga más allá del inicio de la falla1,2. En consecuencia, son de gran interés para situaciones en las que la capacidad de soportar cargas de choque o impacto es un requisito de diseño. Los compuestos tejidos en 3D están empezando a encontrar aplicaciones en diversos sectores, en particular en el aeroespacial y el de automoción. Varios OEM y fabricantes de nivel 1 están investigando activamente estas estructuras. En el sector aeroespacial, las estructuras tejidas en 3D ya se utilizan en aspas y carcasas de ventiladores. El desarrollo se encuentra en una etapa temprana y hay muchas oportunidades para mejorar el rendimiento del impacto y optimizar el peso de la estructura. Es importante que las estructuras de protección utilizadas en vehículos como automóviles, autobuses y trenes sean predecibles con precisión y que la fabricación sea repetible. También existe la oportunidad de utilizar el tejido 3D para agregar una funcionalidad adicional a los compuestos.

El tejido 3D es una actividad especializada y existen muy pocos centros capaces de realizar la investigación necesaria. Los fabricantes textiles como DORNIER y STAUBLI fabrican máquinas de tejer 3D, pero los tejidos 3D para aplicaciones de compuestos se encuentran actualmente en su infancia. En el Reino Unido, empresas como Sigmatex UK Ltd, M Wrights & Sons y Antich & Sons han desarrollado capacidades internas para utilizar el tejido 3D, pero se requiere más I+D para implementar dicha tecnología en toda la cadena de suministro. Recientemente, la Universidad de Sheffield AMRC estableció capacidades de tejido 3D que se utilizarán para cerrar la brecha y apoyar a la industria.

Las preformas tejidas en 3D tienen la capacidad de demostrar multifuncionalidad en la fabricación de compuestos avanzados. Una de las estructuras multifuncionales 3D es la funcionalidad auxética que debe investigarse y demostrarse a la industria. Esto podría ser en forma de estructuras expandibles tipo panal3, que podrían tejerse y probarse para demostrar capacidad y desempeño mecánico potencialmente mejorado con alta tolerancia a daños como choques, compresión e impactos. La Figura 1 explica qué es la estructura auxética en comparación con la estructura de panal convencional en términos de su geometría, es decir, un material auxético expuesto a tensión aumentaría en dimensiones en la dirección lateral a una fuerza de tracción aplicada. Una estructura auxética tiene varias ventajas en una situación de accidente, por ejemplo, una buena absorción de energía; sin embargo, la fabricación repetible de una estructura auxética con un comportamiento predecible necesita más trabajo4.

Estructuras convencionales alveolares (a) y auxéticas (b) bajo tensión.

Relación de Poisson, que es la relación entre la deformación normal a la carga aplicada y la deformación de extensión (o deformación axial) en la dirección de la carga aplicada. La relación de Poisson (\(\nu\)) del material estándar se puede expresar como:

donde, εt = deformación transversal, εl = deformación longitudinal o axial, ∆L = cambio de longitud, Lo = longitud inicial, ∆T = cambio de ancho y To = ancho inicial.

La mayoría de los materiales convencionales muestran una relación de Poisson (PPR) positiva bajo cargas de tracción porque exhiben deformaciones longitudinales positivas y transversales negativas, pero los materiales inteligentes como los auxéticos se comportan de manera opuesta y muestran una relación de Poisson (NPR) negativa.

Se sabe que los materiales convencionales como el caucho y los metales se contraen lateralmente cuando se estiran y se expanden lateralmente cuando se comprimen en la dirección longitudinal; dichos materiales tienen un PPR. Por el contrario, hay algunos materiales especiales que poseen un NPR que se expande lateralmente cuando se estira o se contrae lateralmente cuando se comprime en dirección longitudinal. Los materiales con NPR también se denominan 'auxéticos', que provienen de la palabra griega 'auxetos' que significa 'aquello que puede aumentarse'5. Los auxéticos podrían ser materiales y/o estructuras, han sido investigados en la literatura desde diferentes perspectivas, como el desarrollo de materiales y estructuras, la comparación de comportamientos y la prueba de desempeño.

En comparación con los materiales convencionales, las estructuras auxéticas tienen muchas propiedades mejoradas. Tienen un módulo de corte más alto y, por lo tanto, una mejor resistencia al corte. Los materiales auxéticos tienen propiedades mejoradas de resistencia a indentaciones/impactos y de absorción de energía. Cuando el material convencional se somete a una fuerza de impacto, el material se aleja del punto de impacto, pero muestra el comportamiento opuesto, el material auxético fluye hacia el punto de impacto, lo que hace que sea más difícil indentar los materiales auxéticos. También tienen otras ventajas, como una mayor tenacidad a la fractura, una mejor resistencia al crecimiento de grietas y una mayor resistencia a la amortiguación. Debido a estas ventajas, las estructuras compuestas auxéticas podrían encontrar aplicaciones adecuadas en la fabricación de alto valor, como los sectores aeroespacial y automotriz. La desventaja de los compuestos auxéticos es que pueden ser difíciles de fabricar a gran escala 5, pero dicha dificultad ha sido cuestionada en este trabajo.

Se han realizado muchos estudios para desarrollar e investigar nuevas estructuras y materiales auxéticos basados en diferentes escalas de materiales. Los ejemplos incluyen fibras auxéticas6,7, tejidos auxéticos8,9, espumas auxéticas10,11 y compuestos auxéticos12,13. En este proyecto se investigan las estructuras compuestas tejidas auxéticas. Zhou et al.14 desarrollaron compuestos auxéticos hechos de textiles tejidos ortogonales en 3D y espuma de poliuretano. Demuestran que los compuestos auxéticos exhibieron NPR y se comportan más como un material amortiguador con una tensión de compresión más baja, mientras que los compuestos no auxéticos se comportan más como un material más rígido con una tensión de compresión más alta. En otro estudio, se produjeron 15 estructuras tejidas en 3D y se investigó el efecto de la longitud flotante del tejido base y del hilo de unión sobre la auxeticidad de la tela. Se produjo un conjunto de diferentes estructuras tejidas ortogonales en 3D en un telar dobby con pinzas cambiando la longitud del flotador en el tejido base y los hilos de unión. Los resultados mostraron que los materiales tejidos en 3D con igual y máxima longitud de flotación del tejido base y del hilo de unión mostraron un mayor comportamiento auxético. Además, se encontró que la absorción de energía de impacto de los compuestos desarrollados aumenta con el aumento de la longitud del flotador, lo que justifica que las estructuras son auxéticas y poseen NPR. Zulifqar y Hu16 informaron que la tela tejida podría ser auxética mediante una combinación de tejido suelto y tejido apretado en la misma estructura. Demostraron que los tejidos desarrollados exhiben efecto NPR tanto en la dirección de la trama como en la de la urdimbre en un amplio rango de tensiones de tracción.

En este trabajo, se utilizó un sistema de tejido 3D Staubli, que incluye jacquard Unival para tejer telas de panal 3D utilizando fibras de carbono Toray T300-6 k alimentadas desde las direcciones de urdimbre y trama. Con la ayuda de espuma de poliéster, los tejidos 3D desarrollados se convirtieron en dos preformas diferentes: alveolares convencionales y nuevas estructuras auxéticas. Las preformas se infundieron utilizando resina epoxi para fabricar grandes estructuras compuestas investigadas en este estudio. Se llevaron a cabo ensayos de tracción y compresión para evaluar la funcionalidad de estructuras alveolares y compuestas auxéticas a través de sus mediciones del índice de Poisson.

Se utilizó fibra de carbono (CF), sistema de resina termoestable y espuma de PET dura para preformar y fabricar estructuras compuestas. Su grado y propiedades se dan en la Tabla 1:

Según el fabricante de la resina, el T-Prime 130–1 se mezcló al 100/27 % en peso de resina/endurecedor para infundir las preformas secas.

Se utilizó el software de diseño de tejidos EAT para diseñar una estructura de panal compleja. En la Fig. 2 se muestra un diagrama esquemático del diseño de panal sugerido en este estudio. La celda unitaria de esta estructura de panal (Fig. 2) consta de varios tejidos lisos de diferente número de capas; tejido de una sola capa (A), tejido de dos capas (B, C), tejido de cuatro capas (D) y tejido de tres capas (E).

La estructura de panal (A, B, C, D, E) son tejidos lisos de diferente número de capas; 1 capa (A), 2 capas (B, C), 4 capas (D) y 3 capas (E).

Usando el software EAT, primero se asignó un sistema de codificación de colores y luego se asignó a los diferentes diseños de tejido seleccionados para formar la estructura de panal sugerida. La Tabla 2 a continuación presenta el número de picos y la densidad de picos de las diferentes zonas definidas dentro de la estructura diseñada. La Figura 3 muestra los tejidos asignados por EAT (zonas roja, amarilla y verde) incluido el archivo JC5 del diseño de panal instalado para el Jacquard UNIVAL 100.

Diseños de tejido utilizados para las zonas de repetición (roja, amarilla y verde) que se muestran en la Tabla 2 utilizando el archivo de salida JC5 del software EAT.

El objetivo principal de esta investigación es demostrar una estructura compuesta tejida en 3D que puede exhibir una funcionalidad inteligente, como una estructura auxética de NPR. La estructura de panal diseñada en este estudio (Fig. 2) se convierte en auxética como se muestra en la Fig. 4.

Estructura auxética.

Para producir el tejido alveolar se utilizó el sistema de tejido 3D (creel, Jacquard, telar y mesa de salida horizontal). El sistema de tejido 3D (Fig. 5) se enhebró con 3072 estopas de fibra de carbono en la dirección de la urdimbre y también se utilizó la misma fibra en la dirección de la trama. A través de la caña se introducen 16 puntas por abolladura. 128 extremos (64 de cada lado) de los 3072 se cargaron con hilo de poliéster (PET) y se usaron como cordón de captura de orillo para bloquear ambos bordes de la tela tejida (Fig. 6).

Un esquema del sistema de tejido 3D.

La máquina de tejer 3D en funcionamiento con fibras cargadas en la parte posterior (izquierda) y tela producida en la parte delantera (derecha) del telar.

Según la Tabla 2, se fabricaron muestras de telas tejidas en 3D de tres densidades de púas diferentes (6, 8 y 10 púas/cm). La Figura 7 muestra una selección de fotografías de la tela alveolar producida, muestras en blanco a la izquierda y secciones transversales abiertas a la derecha.

Muestras de tejido alveolar tejido en 3D.

Para minimizar errores, pruebas y ahorrar materiales, se utilizó un inserto/núcleo de espuma suave para preformar la tela tejida en el panal y las estructuras auxéticas antes de la infusión de resina. La estructura de la preforma de fibra seca se realizó para probar su formabilidad y funcionalidad, en particular la auxética. La espuma se cortó con las formas adecuadas y se insertó en los bolsillos de tela. La estructura de panal (Fig. 8a) logró su forma de preforma deseada con relativa facilidad, pero la preforma auxética (Fig. 8b) necesitaba algunos soportes adicionales (en forma de abrazaderas G) para mantener la forma.

Preformas de fibra seca alveolar (a) y auxética (b). Mediciones de longitud y altura al inicio (c) y al final (d) del ensayo manual de preforma auxética.

Como preforma seca, se probó la funcionalidad de la estructura auxética para confirmar su relación de Poisson negativa. Se capturaron instantáneas (Fig. 8c y Fig. 8d) durante la prueba de tracción manual. Los parámetros longitudinales y transversales, como la longitud inicial (Lo) y la altura (To), se midieron y resaltaron en la Fig. 8c, d. Aquí se ignoran las unidades de medida ya que la deformación no tiene dimensiones y dichas medidas se tomaron en línea utilizando una regla virtual. Las deformaciones longitudinales y transversales y luego la relación de Poisson se calcularon y enumeraron en la Tabla 3. Se encontró que la relación de Poisson es negativa (-0,78), lo que confirma que la preforma muestra un comportamiento auxético.

Debido a la alta complejidad de las estructuras tejidas, en este estudio se empleó el método de infusión de resina y envasado al vacío. Para evitar aplastar y comprimir la espuma blanda, utilizada arriba en la Fig. 8 durante el proceso de aspiración, se utilizó espuma de PET dura y de alta densidad alternativa (Divinycell P150) para preformar la estructura de panal antes de la infusión. Los insertos de espuma se envolvieron con una película antiadherente para facilitar el desmoldeo después del curado. Las Figuras 9a, b, c muestran un ejemplo de proceso de embolsado de preformas de panal que incluye la infusión de resina tanto de estructuras de panal como de estructuras auxéticas. Se usó una malla de infusión o un material de asistencia al flujo de resina (azul) para estimular el flujo en particular a través de la preforma, como se muestra en la Fig. 9.

Proceso de embolsado de preformas de panal (a) e infusión de resina de ensamblajes de panal (b) y auxéticos (c).

Se utilizaron resina y endurecedor Gurit T-Prime 130–1 para infundir las preformas tejidas producidas en esta investigación. La proporción de mezcla de resina y endurecedor utilizada en estas infusiones fue de 100:27 en peso, según lo prescrito por la TDS del fabricante. La Tabla 4 proporciona la proporción de mezcla utilizada en gramos. Después de desgasificar la mezcla durante 10 min, se llevó a cabo la infusión y se completó en aproximadamente 30 min. Posteriormente, el conjunto se trasladó a un horno precalentado y se curó a 60 °C durante 3 h. La Figura 10 muestra una selección de estructuras compuestas auxéticas y alveolares fabricadas.

Estructuras compuestas curadas en forma de panal (arriba) y auxéticas (abajo).

Se llevaron a cabo pruebas mecánicas para determinar el índice de Poisson para las estructuras compuestas alveolares y auxéticas fabricadas en este estudio. A pesar de las muestras convencionales, como cupones planos y cilíndricos, no existen métodos estándar disponibles para determinar la relación de Poisson de estructuras tan complicadas desarrolladas en esta investigación. Se utilizaron máquinas de prueba Instron para tener un buen control y determinar con precisión las gráficas fuerza-desplazamiento. Las dos estructuras compuestas se someten a ensayos de tracción y compresión, cuyos resultados se detallan en los siguientes apartados.

Antes de la prueba, se midieron la longitud y la altura de las muestras auxéticas y de panal como se muestra y se muestra en la Fig. 11. Se usó un transductor para garantizar una medición precisa y en línea del desplazamiento transversal durante la prueba. Se registraron las repeticiones de la prueba y se capturaron dos capturas de pantalla para determinar los desplazamientos transversales inicial y final. En el caso de la estructura auxética, la Fig. 12 muestra las posiciones inicial (izquierda) y final (derecha) del ensayo de tracción.

Configuración de prueba de tracción de estructuras auxéticas (izquierda) y alveolares (derecha).

Las posiciones inicial (izquierda) y final (derecha) de la prueba de tracción para la estructura auxética.

La Figura 13a,b muestra los desplazamientos longitudinales (L) y transversales (T) máximos de la estructura auxética registrados durante la prueba. Debido a la complejidad y rigidez de la estructura ensayada, se observa que el transductor se ha desviado ligeramente de la posición original al inicio del ensayo (Fig. 13). Para superar esta desalineación, las mediciones del desplazamiento transversal también se recodificaron a partir del fondo de la cuadrícula (papel cuadriculado). A partir de las mediciones realizadas y de las figuras anteriores, en la Tabla 5 se enumeran las mediciones obtenidas. Se encuentra que la relación de Poisson de la estructura ensayada es −2,86, es decir, el compuesto auxético exhibió NPR en el caso de la prueba de tracción.

Desplazamientos longitudinales (a) y transversales (b) registrados en el caso del ensayo de tracción de estructura auxética.

En el caso de la estructura alveolar, la Fig. 14 muestra las posiciones inicial y final del ensayo de tracción. Los desplazamientos longitudinales y transversales de la estructura alveolar registrados durante el ensayo de tracción se muestran en las Fig. 15a,b y los resultados de la relación de Poisson se dan en la Tabla 6. Se encuentra que la relación de Poisson de la estructura ensayada es 8,10, es decir, como se esperaba El compuesto alveolar mostró PPR en el caso de las pruebas de tracción.

Las posiciones inicial (izquierda) y final (derecha) de la prueba de tracción para la estructura alveolar.

Desplazamientos longitudinales (a) y transversales (b) de la estructura alveolar registrados durante el ensayo.

En el caso del ensayo de compresión, se utilizó una regla como indicador del desplazamiento transversal en lugar del transductor utilizado en el ensayo de tracción. En esta prueba se utilizaron diferentes símbolos debido al cambio de dirección de la carga. Para la muestra auxética, se anota la longitud original, que medía 710 mm, mientras que la altura original ho medía 170 mm. Las dimensiones de do y ho para el panal fueron 787 mm y 160 mm respectivamente. Como se muestra en la Fig. 16, se resaltó una pequeña sección en la regla para medir el desplazamiento en la dirección longitudinal. La Figura 16 muestra las posiciones inicial y final de la prueba de compresión para la estructura auxética. La Tabla 7 proporciona los desplazamientos medidos, las deformaciones y la relación de Poisson del compuesto auxético. Se encuentra que la relación de Poisson de la estructura auxética ensayada es −0,12, es decir, el compuesto auxético también presentó NPR en el caso de la prueba de compresión. Está demostrado que la estructura compuesta auxética reveló NPR bajo cargas de tracción y compresión.

Las posiciones inicial (izquierda) y final (derecha) de la prueba de compresión para la estructura auxética.

En términos de la estructura alveolar, la Fig. 17 muestra las posiciones inicial y final de la prueba de compresión. La Tabla 8 proporciona los desplazamientos medidos, las deformaciones y la relación de Poisson del compuesto alveolar. Se encontró que la relación de Poisson de la estructura alveolar ensayada es 0,11, es decir, el compuesto alveolar también presentó PPR en el caso del ensayo de compresión.

Las posiciones inicial (izquierda) y final (derecha) de la prueba de compresión para la estructura alveolar.

En resumen, se encuentra que la estructura compuesta auxética exhibió NPP (- 2.86 y - 0.12), mientras que la estructura alveolar mostró PPR (8.10 y 0.11) bajo ambos mecanismos de prueba (tracción y compresión). Pero en el caso del ensayo de tracción, los índices de Poisson obtenidos para ambas estructuras se encuentran fuera del rango normal de materiales estándar (-1 a 1) lo que puede deberse a las estructuras específicas desarrolladas en este trabajo.

Se tejieron con éxito estructuras de panal en 3D y se necesitó el uso de un material central de soporte (en este caso, espuma) para permitir que las telas tejidas en 3D secas se preformaran y se infundieran resina. Como fibra seca, la preforma auxética se probó manualmente y se demostró con éxito su funcionalidad auxética. Las preformas secas (en forma de panal y auxéticas) se infundieron usando resina epoxi y luego los compuestos curados en forma de panal y auxéticos se probaron con éxito mediante pruebas de tracción y compresión. La estructura de panal exhibió índices de Poisson (PPR) positivos en ambas direcciones de prueba (tracción y compresión), pero la estructura auxética demostró un índice de Poisson (NPR) negativo y, por lo tanto, exhibió una funcionalidad inteligente. Se ha demostrado el concepto de compuestos tejidos en 3D con funcionalidad inteligente y se demuestran los compuestos tejidos en 3D multifuncionales. Los valores del ratio de Poisson obtenidos para ambas estructuras se encuentran fuera del rango de los materiales convencionales en el caso del ensayo de tracción.

Se recomienda trabajar en el futuro para fabricar paneles genéricos o demostradores hechos de compuestos alveolares/auxéticos e investigar su rendimiento mecánico a través de diferentes respuestas, como pruebas de impacto y choque. Además, se seguirá explorando el elevado coeficiente de Poisson de la estructura alveolar para ver si se puede aprovechar en nuevas aplicaciones.

Los datos brutos de las pruebas realizadas en este estudio están disponibles previa solicitud y aquí hay un enlace para ello. https://galalauni-my.sharepoint.com/:u:/g/personal/h_el-dessouky_gu_edu_eg/EYDA59Z5qIFFi5TMy7ojhwwBk3HBbKsli6CgsxejJpz_nQ?e=IkEtdb.

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