Desarrollo de componentes estructurales mediante impresión 3D de composite de fibra continua para la absorción de energía en caso de impacto

Laburpena

La generación de conocimiento sobre los futuros materiales y proceso de fabricación servirá para desarrollar productos de alto valor añadió que respondan a los grandes retos sociales. La personalización de los productos, la digitalización de la fabricación o la economía circular son algunos de esos retos a los que puede responder la fabricación aditiva (AM). El diseño sostenible es actualmente una de las directrices en el desarrollo de componentes de automoción, siendo el diseño ligero, el ahorro de energía y el uso eficiente de las materias primas objeto de muchas investigaciones. Sin embargo, paralelamente a la preocupación por el medio ambiente, la seguridad sigue siendo un factor crítico, y los fabricantes deben esforzarse por garantizar o mejorar la seguridad de los ocupantes del vehículo en situaciones de impacto. Por ello, el incremento de las propiedades de absorción de energía mediante el diseño geométrico complejo y las orientaciones no convencionales de fibra de estructuras en material compuesto cFRTP, es el principal objetivo de la presente tesis. Para ello, se han analizado y desarrollado, mediante tecnologías de AM de composite, nuevos conceptos de estructuras y metamateriales con propiedades predefinidas o programables que cubren necesidades/funcionalidades específicas dentro de la estructura del vehículo. La impresión 3D – FFF de fibra continua presenta una mayor libertad diseño y flexibilidad en cuanto a la fabricación de estructuras cFRTP (cCF/PA, cGF/PA y cKF/PA) ya que permite orientar la fibra en dirección de la carga. Por lo tanto, el presente trabajo se ha centrado en la generación de conocimiento en tres bloques fundamentales: - El primer bloque se ha centrado en el incremento de las propiedades de absorción de energía de los componentes estructurales fabricados a través del diseño geométrico perfil y la selección de trayectorias de impresión de fibra continua. Para ello se ha llevado a cabo la caracterización microestructural e identificación de los defectos de impresión debidos al proceso FFF y analizar la relación de geometría (perfil fold), patrón de impresión de la fibra y naturaleza del filamento de refuerzo (carbono, vidrio y Kevlar©) en la generación de estos defectos. A su vez, se ha identificado los mecanismos de fractura que inducen modos colapso estable de los perfiles impresos analizado la posición, tipología de los defectos y su relación con la dirección de la carga. Todo ello, a fin de convertir una debilidad/discontinuidad en la estructura (defectos de impresión) en iniciadores de colapso estable. - En el segundo bloque se estudia la respuesta de los materiales de impresos reforzados con fibra continua cFF (carbono, vidrio y Kevlar©) a diferentes velocidades de ensayo y se ha comprobado que existen diferencias en la naturaleza de las matrices PA que recubren las fibras y que explican su mayor sensibilidad a la velocidad de deformación y mejora de su resistencia al impacto. Se ha comprobado que la mala impregnación de las fibras o la falta consolidación del material de impresión provoca mecanismos de fallo seguros basados en fractura de fibras, delaminaciones y fricción entre las capas y los cordones de impresión.