Caracterización y Modelización del Comportamiento Mecánico de Materiales Compuestos de Fibra Continua con Orientaciones No-Convencionales fabricados mediante Impresión 3D

Résumé

Alcanzar el ambicioso objetivo de cero emisiones en el sector del transporte requiere del desarrollo de nuevos materiales y tecnologías que puedan contribuir significativamente a la reducción de peso. Los recientes avances en la tecnología de impresión 3D por extrusión FFF ¿Fused Filament Fabrication¿ han hecho posible la impresión de termoplásticos reforzados con fibra continua. Esta tecnología ofrece actualmente una capacidad de curvado de fibras superior a la de cualquier otro proceso automatizado. Esto lo hace ideal para ampliar los espacios de diseño y fabricación de los materiales compuestos con fibra-dirigida para su aplicación, por ejemplo, en componentes con agujeros estructuralmente críticos. Esta situación ha motivado la presente tesis doctoral, cuyo objetivo es caracterizar y modelizar el comportamiento mecánico de composites de fibra continua fabricados mediante impresión 3D para el diseño de componentes estructurales con orientaciones de fibra no-convencionales. En esta tesis se caracterizaron la composición, la microestructura y las propiedades mecánicas de los constituyentes y del composite impreso. Para ello, se aplicaron las técnicas experimentales normalizadas para la caracterización física y mecánica de los composites convencionales. Se identificaron defectos como un gran número de vacíos, una distribución no homogénea de fibras y una baja adhesión entre cordones y capas. Estos defectos son el resultado de una consolidación termomecánica insuficiente del material durante el proceso de impresión. El comportamiento mecánico en la dirección longitudinal es satisfactorio; sin embargo, el comportamiento bajo cargas transversales e interlaminares, dominado por la matriz, está muy influenciado por los defectos de fabricación. Se concluye que este proceso necesita un mayor desarrollo para ser considerado viable para aplicaciones estructurales de altas prestaciones. En este sentido, se observó que el postratamiento de prensado en caliente mejora significativamente el comportamiento interlaminar del composite impreso. Por otro lado, se diseñaron, fabricaron y ensayaron laminados impresos de rigidez-variable VS (¿Variable-Stiffness¿). Se utilizó una función curvilínea para describir la trayectoria de la fibra, lo que permitió parametrizar un modelo de elementos finitos a escala meso orientado al diseño. La predicción del inicio de daño y del fallo último se realizó utilizando modelos convencionales basados en el estado tensional de la lámina, pero adaptados a las características del material compuesto impreso. Estos modelos reprodujeron con éxito el comportamiento dominado por la fibra del laminado impreso. Las impresoras comerciales actuales presentan grandes limitaciones para la configuración de la trayectoria de la fibra, por lo que hubo que adaptar el diseño del laminado para cumplir los requisitos de fabricación. Los laminados VS diseñados mejoraron significativamente el comportamiento ¿open-hole¿ a tracción de los laminados cuasi-isótropos de referencia, confirmando que la impresión 3D de composites es una tecnología apropiada para la fabricación de componentes ligeros con pequeñas discontinuidades.