Influencia del ángulo de fibra y caracterización de la tenacidad de materiales compuestos helicoidales de fibra discontinua bioinspirados producidos mediante fabricación aditiva Fiber Angle influence and Toughness characterization of bioinspired discontinuous fiber helicoids composite materials produced via additive manufacturing

Resumen

Durante milenios la naturaleza ha producido materiales compuestos con excelentes propiedades mecánicas frente a las bajas propiedades de sus materiales base y ha conseguido obtener una buena compatibilidad entre rigidez y tenacidad; como resultado, son una buena fuente de inspiración para la optimización de materiales para aplicaciones, como el aumento de la tenacidad y la resistencia al daño, algo que es difícil en los materiales de ingeniería convencionales. En la actualidad se identifican ocho elementos estructurales en los materiales biológicos: fibroso, helicoidal, degradado, estratificado, tubular, celular, sutura y superpuesto. Las estructuras helicoidales consisten en pilas de fibras ordenadas que forman capas que giran en un ángulo de inclinación constante. Estos incluyen estructuras de madera contrachapada y Bouligand. Las estructuras de Bouligand consisten en una disposición de laminados fibrosos que completa un giro de 180° y proporciona a algunos materiales biológicos mayor resistencia y tenacidad en múltiples direcciones y una tenacidad a la fractura excepcionalmente alta. La mecánica clásica de materiales compuestos proporciona algunas aproximaciones de modelos constitutivos para este tipo de materiales, pero aún necesitan ser estudiados y probados para comprender adecuadamente su comportamiento. El moldeo por inyección, el moldeo por compresión, la disposición manual, el moldeo por transferencia de resina, el bobinado de filamentos, la pultrusión y la colocación automatizada de fibras son solo algunos de los métodos tradicionales utilizados para fabricar compuestos de polímeros reforzados con fibras (FRPC). Sin embargo, estas técnicas de fabricación tradicionales tienen una restricción en la alineación de fibra específica y exigen moldes, troqueles o máscaras litográficas costosos. La fabricación aditiva tiene el potencial de reemplazar muchos procesos de fabricación convencionales debido a su capacidad para crear geometrías complejas con propiedades de materiales personalizables y emplear varios materiales simultáneamente, entre otras cosas. El modelado por deposición fundida (FDM) es la técnica de fabricación aditiva más utilizada para la fabricación de FRPC debido a su bajo costo, bajo consumo de energía, consumo de material y simplicidad de operación. Este trabajo presenta modelos tridimensionales que imitan las estructuras de Bouligand girando el ángulo de inclinación de las capas y se realizó una comparación de modelos analíticos. Los especímenes fueron fabricados usando la técnica FDM. Se utilizó poliuretano termoplástico (TPU) para la matriz y ácido poliláctico (PLA) para las fibras. Se utilizaron pruebas de tracción para caracterizar mecánicamente tanto las materias primas como los compuestos fabricados para examinar el impacto del ángulo helicoidal y la contribución de la matriz y los materiales de fibra a la rigidez y tenacidad del compuesto. Los experimentos y análisis revelaron que los altos ángulos de rotación mejoran la rigidez, la resistencia y la tenacidad del compuesto.