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Materiales compuestos celulares ensamblados reversiblemente

Los materiales compuestos celulares ensamblados reversiblemente ( RCCM ) son estructuras reticulares tridimensionales modulares que pueden desmontarse parcialmente para realizar...

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Los materiales compuestos celulares ensamblados reversiblemente ( RCCM ) son estructuras reticulares tridimensionales modulares que pueden desmontarse parcialmente para realizar reparaciones u otras modificaciones. Cada celda incorpora material estructural y un sistema de interconexión reversible, lo que permite la creación de estructuras reticulares de tamaño y forma arbitrarios. Los RCCM presentan simetría tridimensional derivada de la geometría de sus componentes. [ 1 ] [ 2 ]

La construcción discreta de compuestos celulares ensamblados reversiblemente introduce un nuevo grado de libertad que determina las propiedades funcionales globales a partir de la disposición local de componentes heterogéneos. Dado que las partes individuales son literalmente elementos finitos, una descomposición jerárquica describe los tipos de partes y su combinación en una estructura. [ 1 ]

RCCM puede considerarse un material "digital" en el que las piezas discretas se unen mediante un conjunto discreto de posiciones y orientaciones relativas. Un ensamblador puede colocarlas utilizando únicamente información local. Los errores de colocación pueden detectarse y corregirse mediante la inversión del ensamblaje. Estos materiales combinan el tamaño y la resistencia de los compuestos con la baja densidad de los materiales celulares y la conveniencia de la fabricación aditiva. [ 1 ]

Historia

Los RCCM fueron introducidos en 2013 por investigadores del Centro de Bits y Átomos del MIT . [ 2 ]

Comportamiento

Elasticidad

Las redes RCCM se comportan como un sólido elástico tanto en tensión como en compresión . Ofrecen un régimen lineal y un modo de deformación superelástica no lineal, con un módulo un orden de magnitud mayor que el de un material ultraligero (12,3 megapascales a una densidad de 7,2  mg por centímetro cúbico). Las propiedades macroscópicas se pueden predecir a partir de mediciones de componentes y los modos de deformación se determinan mediante la ubicación de los tipos de piezas. Las ubicaciones de los sitios están restringidas localmente, lo que da como resultado estructuras que combinan características deseables de los compuestos de fibra de carbono , los materiales celulares y la fabricación aditiva . [ 1 ]

El comportamiento elástico no lineal se deriva de una inestabilidad elástica multiaxial de la red, un pandeo elástico coordinado complejo de los elementos de soporte. La geometría resultante es similar a una distorsión de Jahn-Teller de un complejo octaédrico con respecto a la orientación alrededor de los centros octaédricos. El plegado o plegamiento elástico puede ocurrir en tres dimensiones, probablemente como una respuesta de tensión de torsión antisimétrica coordinada y/o deformación plástica. [ 1 ] [ 3 ]

Falla

A diferencia de los compuestos convencionales, que suelen fallar catastróficamente, los RCCM fallan de forma incremental debido a la fase de deformación no lineal y a la multiplicidad de uniones y enlaces. Estos resultados coincidieron con las simulaciones de elementos finitos [ 4 ] con modelos de cuerpo rígido de malla fina. Además de la convergencia al modo de pandeo coordinado observado, estas simulaciones predicen con precisión la escala de resistencia relativa observada en los experimentos de prueba de carga. Estos resultados son consistentes con la observación de que los materiales de celosía de celda abierta fallan a través de fallas de flexión de puntales microestructurales con σmax ∝. Las simulaciones también sugieren que el fenómeno de pandeo coordinado, así como las mediciones del módulo, no están dominados por efectos de borde, con una influencia mínima en los resultados generales más allá de longitudes características que superan varias unidades. [ 1 ]

Variar la ubicación de elementos más y menos rígidos puede desencadenar compresión axial pura, pandeo euleriano unidireccional simple y pandeo complejo. [ 1 ] [ 3 ]

Escalada

Los compuestos celulares extienden las redes dominadas por la elasticidad al régimen ultraligero (por debajo de diez miligramos por centímetro cúbico). El rendimiento depende positivamente de la rigidez de la estructura de la red, la conectividad de los nodos, la esbeltez de los elementos de los puntales y la escala del coste de densidad de las conexiones mecánicas. [ 1 ]

Los compuestos de fibra convencionales se utilizan para fabricar núcleos de celosía y estructuras, mediante el ensamblaje de subestructuras mediante unión o el bobinado continuo de fibras. Se han descrito ejemplos de estos núcleos de celosía con simetría geométrica bidimensional (2D) continua y una dependencia del módulo específico casi ideal, pero altamente anisotrópica .

Los materiales reticulares tridimensionales de celda abierta se encuentran en sistemas naturales y artificiales, abarcando diversas escalas de longitud. Sus propiedades mecánicas varían con la densidad relativa según la geometría. Presentan un comportamiento microestructural dominado por la deformación o por la flexión transversal, según modelos mecánicos periódicos. Para el módulo de Young E, la escala ideal dominada por la deformación con la densidad ρ sigue una ley proporcional E∝ρ, mientras que las espumas estocásticas comunes siguen una ley cuadrática E∝ρ² asociada a un comportamiento dominado por la flexión transversal. A densidades ultraligeras, es común una ley de escala cúbica aún más reducida, E∝ρ³, como en el caso de los aerogeles y los compuestos de aerogel. [ 1 ]

La dependencia de la escala con respecto a la geometría se observa en materiales periódicos basados ​​en redes que presentan una escala E∝ρ casi ideal, con una alta conectividad de nodos en relación con las espumas estocásticas. Estas estructuras se han implementado previamente solo en materiales de ingeniería relativamente densos. Para el régimen ultraligero, la escala E∝ρ2 observada en materiales celulares estocásticos más densos se aplica a microredes tubulares de níquel electrodepositado, así como a espumas estocásticas de celda abierta basadas en carbono, incluyendo aerografito de microtubos de carbono y corcho de grafeno . [ 1 ]

Diseño

Hacer que las conexiones sean más rígidas y resistentes que los elementos del puntal significa que la respuesta de tensión está gobernada por los puntales. [ 3 ] Extender los métodos de escalado dimensional para incluir las conexiones muestra que el costo de densidad de masa de las conexiones robustas —que escalan con el área de la sección transversal del puntal— es bajo para materiales ultraligeros, donde el diámetro del puntal domina el escalado de la densidad de masa. La densidad relativa (ρ/ρs) de estos materiales es la suma de la contribución de densidad relativa de los elementos del puntal (ρm/ρs) y la contribución de densidad relativa de las conexiones (ρc/ρs). Los elementos del puntal tienen un espesor t y una longitud L. Las conexiones transfieren fuerzas a través de contactos de superficie de carga, lo que requiere que las dimensiones características de las conexiones escalen con la sección transversal de los elementos del puntal unidos, t2, porque esta dimensión determina la tensión máxima transferible a través de la unión. [ 1 ]

Estas definiciones dan una relación de escala cúbica entre la contribución de masa relativa de las uniones y la relación espesor-longitud del puntal (ρc/ρs ∝ Cc(t/L)3, donde Cc es la constante de contribución de conexión determinada por la geometría de la red). La contribución de densidad relativa de los puntales escala cuadráticamente con la relación espesor-longitud de los puntales (ρm/ρs ∝ Cm (t/L)2), lo que concuerda con la literatura sobre materiales celulares clásicos. Las propiedades mecánicas (como el módulo y la resistencia) escalan con la densidad relativa general, que a su vez escala principalmente con el puntal y no con la conexión, considerando solo redes de celda abierta con puntales delgados [t/L < 0,1 (7)], dado que las constantes geométricas Cc y Cm son del mismo orden de magnitud [ρ/ρs ∝ Cc (t/L)3 + Cm (t/L)2]. [ 3 ] El costo de densidad de las uniones mecánicas disminuye con el aumento de la esbeltez del miembro del puntal (disminución de t/L) y la disminución de la densidad relativa. [ 1 ]

La disposición de las piezas en forma de cruz forma la estructura reticular. Cada pieza aporta cuatro elementos de soporte unidos a un nodo central local y un elemento de soporte a cuatro nodos periféricos. Un clip de corte insertado a través de los cuatro orificios de conexión coincidentes une las celdas. [ 1 ]

Cada celda incluye vigas compuestas de fibra alineadas y orificios de soporte de carga de fibra en bucle que se encadenan reversiblemente para formar celosías que llenan el volumen. Las celdas producidas en masa se pueden ensamblar para rellenar formas estructurales arbitrarias, con una resolución determinada por la escala de la pieza que coincide con la variabilidad de la tensión límite de una aplicación. La naturaleza periódica de los ensamblajes simplifica el análisis y la predicción del comportamiento. [ 1 ]

Geometría cubocta

Una red cúbica “cuboct” de octaedros conectados por vértices, similar a la estructura del mineral perovskita , proporciona una celda unitaria poliédrica regular que satisface el criterio de rigidez de Maxwell y tiene un número de coordinación z de ocho. La dependencia de la densidad relativa con respecto al número de coordinación es pequeña en comparación con la dependencia con respecto al diámetro del puntal. El enrollado de las fibras de refuerzo alrededor de los orificios de conexión optimiza su capacidad de carga, al tiempo que las acopla a los puntales que, a su vez, mantienen una orientación uniaxial de las fibras. [ 1 ]

Comparación con materiales compuestos tradicionales

Los materiales compuestos reforzados con fibra de carbono pueden mejorar la eficiencia en sistemas de ingeniería (por ejemplo, fuselajes ) al reducir el peso estructural para requisitos de resistencia y rigidez determinados, pero presentan desafíos en la fabricación y certificación. Los componentes compuestos de alto rendimiento emplean muchas fibras continuas que abarcan la forma del componente y están incrustadas en una matriz de resina . Estas piezas suelen requerir herramientas personalizadas, presurización para la consolidación y curado térmico. La unión de estas piezas añade complejidad y vulnerabilidades estructurales. [ 1 ]

Los compuestos celulares reversibles (RCCM) eliminan la necesidad de herramientas personalizadas, ya que las piezas se pueden agregar o quitar de forma incremental. Su construcción, modificación, reparación y reutilización pueden emplear el mismo proceso de unión reversible. Se pueden incorporar elementos heterogéneos en estructuras cuyas funciones están determinadas por su ubicación relativa. El ensamblaje preciso de compuestos celulares discretos ofrece nuevas propiedades y un rendimiento que no se consigue con las alternativas analógicas de deposición o eliminación continua de material. [ 1 ]

Referencias

  1. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 Cheung, KC; Gershenfeld, N. (2013). "Materiales compuestos celulares ensamblados reversiblemente". Science . 341 (6151): 1219– 1221. Bibcode : 2013Sci...341.1219C . CiteSeerX 10.1.1.672.1351 . doi : 10.1126/science.1240889 . PMID 23950496 . S2CID 206550070 .   
  2. 1 2 Cheung, KC; Gershenfeld, N. (2013-07-17). "Ensamblaje de grandes estructuras a partir de pequeñas piezas ultraligeras" . Science . 341 (6151): 1219– 1221. CiteSeerX 10.1.1.672.1351 . doi : 10.1126/science.1240889 . PMID 23950496. S2CID 206550070. Recuperado el 2013-08-20 .   
  3. 1 2 3 4 Cheung, KC; Gershenfeld, N (2013-08-15). " Materiales compuestos celulares ensamblados reversiblemente: materiales suplementarios" . Science . 341 (6151): 1219– 1221. CiteSeerX 10.1.1.672.1351 . doi : 10.1126/science.1240889 . PMID 23950496. S2CID 206550070. Recuperado el 2013-08-20 .   
  4. ↑ Software ANSYS
  • "Cómo hacer grandes cosas a partir de pequeñas piezas" . MIT Press . Consultado el 15 de agosto de 2013 .
  • "Los bloques tipo juguete crean estructuras ligeras y resistentes" . Sciencenews.org . Consultado el 16 de agosto de 2013 .
  • "Se podrían usar bloques tipo Tinkertoy para construir aviones y naves espaciales" . Gizmag.com . Consultado el 23 de septiembre de 2013 .
  • "Aviones y puentes de fácil montaje" . Scientific American . Consultado el 1 de diciembre de 2013 .