Sòlids cel·lulars lleugers per a estructures sandvitx híbrides

Davant de l’amenaça que representa el canvi climàtic i els evidents problemes provocats per la manca de recursos, enginyers i científics de tot el món treballen per aportar solucions més eficients i respectuoses amb el medi ambient. En aquelles activitats industrials responsables de nivells significatius de contaminació, com és el cas del sector del transport, molts dels reptes demanen optimitzar les estructures que s’utilitzen, per tal d’aconseguir els components desitjats i fer un ús més eficient i sostenible de les matèries primeres.

Les configuracions híbrides, com és el cas de les estructures sandvitx, són solucions altament competitives adoptades i consolidades en els darrers anys en molts sectors industrials, com la construcció o el transport. Aquests materials compostos estan formats per dues ‘pells rígides’ i un nucli lleuger. L’elecció de la configuració adequada és crucial per assolir el rendiment desitjat i, en particular, el material i la morfologia del nucli juguen un paper fonamental en les propietats finals de l’estructura.

La irrupció de les tecnologies de Fabricació Additiva (AM) ha revolucionat molts sectors industrials, impactant directament en els processos de fabricació i en el disseny de components, gràcies a la seva versatilitat i flexibilitat per a fabricar components de gran complexitat geomètrica. És en aquest context on el Dr. Albert Forés Garriga va dur a terme  la seva tesi doctoral a IQS, sota el títol “Disseny i Fabricació Additiva de sòlids cel·lulars per a estructures lleugeres híbrides tipus sandvitx”, realitzada al Departament d’Enginyeria Industrial – Grup Applied Mechanics and Avanced Manufacturing (GAM) d’IQS School of Engineering, sota la direcció del Dr. Marco Antonio Pérez.

Nuclis lleugers fabricats per AM

A la natura hi trobem una infinitat de morfologies estructurals, com les closques de tortuga, els ruscs de les abelles, les plomes de les aus, o l’interior dels ossos humans, que han evolucionat durant molt de temps fins a assolir un grau d’optimització molt elevat. Totes elles, conegudes en el camp de l’enginyeria com a sòlids cel·lulars, es caracteritzen per estar formades per una xarxa de barres o parets interconnectades, deixant més d’un 70% d’espai buit entre les cèl·lules que formen. Així, aquestes geometries d’elevada complexitat permeten reduir significativament el pes de manera intel·ligent mentre mantenen excepcionalment la seva capacitat estructural.

No obstant això, el disseny i la construcció d’estructures tan complexes com els sòlids cel·lulars s’han vist limitats durant molts anys degut a les capacitats dels mètodes de fabricació habituals. Ara bé, la irrupció de les tecnologies de fabricació additiva (AM) durant la darrera dècada ha obert les portes a la materialització d’aquestes geometries per al seu estudi.

L’objectiu general de la tesi del Dr. Forés era, per tant, contribuir al disseny i a la fabricació additiva (AM) d’estructures híbrides tipus sandvitx més eficients, utilitzant nuclis cel·lulars lleugers construïts per Fabricació per Filament Fos (FFF), un dels mètodes més estesos d’AM. El material seleccionat per aquesta investigació és l’Ultem™ 9085, una politerimida tècnica d’altes prestacions que ofereix un excel·lent rati resistència-pes i que compta amb la certificació FST – Flame Smoke and Toxicity, necessària per al seu ús en el sector aeronàutic.

La recerca va ser abordada en tres nivells d’estudi diferents. En primer lloc, el Dr. Forés va analitzar el comportament del material, per comprendre com els diferents paràmetres de fabricació que ofereix el procés de FFF modifiquen les seves propietats mecàniques, realitzant assajos de tensió, flexió i cisallament acompanyats per la tècnica d’extensometria sense contacte de Digital Image Correlation (DIC).

Malgrat el potencial de les tecnologies AM per a reproduir geometries complexes, la fabricació d’estructures reticulars i lleugeres, com les d’aquesta investigació, encara suposa un repte per a la maduresa actual de la tècnica. Així doncs, la segona etapa d’aquesta tesi es va focalitzar en l’estudi del disseny i la fabricació dels sòlids cel·lulars bio-inspirats, així com l’anàlisi del seu comportament mecànic.

Finalment, els dissenys amb les propietats més interessants es van implementar com a nuclis cel·lulars lleugers en estructures sandvitx híbrides. Per a fer-ho, els nuclis bio-inspirats d’Ultem^TM 9085 es van combinar amb pells de Polímer Reforçat per Fibra de Carboni (CFRP), i es va analitzar el seu comportament a flexió.

Tots els resultats obtinguts d’aquesta recerca van ser verificats amb la combinació de tres mètodes diferents: analític, mitjançant equacions matemàtiques; numèric, desenvolupant eines de simulació; i experimental, a partir d’assajos i comparacions amb altres materials.

Tot i que queden encara altres àrees per investigar, la tesi del Dr. Forés Garriga ha posat en evidència el potencial de la tecnologia de Fabricació Additiva FFF per a desenvolupar estructures avançades més eficients i sostenibles, fent un millor ús dels recursos disponibles.

Publicacions relacionades

Albert Forés, MA Perez, Giovanni Gomez, Guillermo Reyes, Role of infill parameters on the mechanical performance and weight reduction of PEI Ultem processed by FFF, Materials and Design, 193, 2020, 108810

Albert Forés-Garriga, Marco A. Perez, Giovanni Gomez-Gras, Mechanical performance of additively manufactured lightweight cellular solids: Influence of cell pattern and relative density on the printing time and compression behaviour, Materials & Design, 215 (2022), 110474.

Albert Forés, MA Perez, Giovanni Gomez, Additively manufactured three-dimensional lightweight cellular solids: Experimental and numerical analysis, Materials and design, 226 (2023), 111641.

Albert Forés-Garriga, Giovanni Gomez-Gras, MA Perez, Lightweight hybrid composite sandwich structures with additively manufactured cellular cores, Thin-Walled Structures, 101 (2023), 111082

Aquesta recerca ha estat finançada dins del projecte TRANSPORT del programa RIS3CAT – Llavor 3D, de la Generalitat de Catalunya i ACCIO, i del projecte 3DPC finançat pel Ministeri MCIN/AEI/UE