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

Abstract

Broadening knowledge about future materials and manufacturing processes will serve to develop high value-added products that respond to major societal challenges. Additive manufacturing (AM) is one such process and demonstrates great potential to contribute to enhanced product customization, digitalization of manufacturing, and the circular economy (EC). Sustainable design is currently one of the criteria in the development of automotive components; with lightweight design, energy savings and efficient use of raw materials the subject of much research. In parallel with environmental concerns, safety remains a critical factor, and manufacturers must strive to ensure or improve the safety of vehicle occupants in impact situations. To satisfy both these requirements, the increase of energy absorption properties by means of complex structure design and non-conventional fibre orientations in cFRTP composite materials is the main objective of the present thesis. To this end, new concepts of structures and metamaterials with predefined or programmable properties addressing specific needs/functionalities within the vehicle structure were analysed and developed using composite AM technologies. 3D printing - FFF of continuous fibre permits greater design freedom and flexibility in terms of fabrication of cFRTP structures, since the fibre can be oriented in the direction of the load, increasing performance and material utilization. The present work focuses on broadening knowledge in three fundamental blocks: The first block investigates increasing the energy absorption properties of fabricated structural components through geometric profile design and selection of continuous fibre printing trajectories. For this purpose, microstructural characterization and identification of printing defects due to the FFF process was carried out, and the relationship between geometry (Fold profile), fibre printing pattern, and the nature of the reinforcement filament (cCF/PA, cGF/PA and cKF/PA) in the generation of these defects was analysed. At the same time, the fracture mechanisms that induce stable collapse modes of printed profiles were identified, analysing the position and typology of the defects and their relationship with the load direction. This work facilitates the conversion of a weakness/discontinuity in the structure (printing defects) into initiators of stable collapse. The cCF/PA profiles achieved an axial and radial static SEA of 30.1 kJ/kg and 9.0 kJ/kg, respectively. In the second block, the response of printed materials reinforced with continuous fibre cFF (carbon, glass, and Kevlar©) at different test speeds was studied. The results proved that there are differences in the nature of the PA matrices that cover the fibres, which explains their greater sensitivity to the strain rate and improvement of their impact resistance (Kevlar©). It was also demonstrated that poor impregnation of the fibres or lack of consolidation of the printing material causes certain failure mechanisms based on fibre fracture, delamination, and friction between the layers and the printing beads. The cGF/PA profiles shown an axial and radial dynamic SEA of 20.0 kJ/kg and 12.8 kJ/kg, respectively. Moreover, the strain-hardening effect enhanced impact resistance of cCF/PA material, whereas in cCF/PA not. The third block was centred on the identification and characterization of auxetic filling structures that improve the transverse behaviour of tubular profiles, and that produces a synergistic effect on the absorption capacity of the profile-core. The results of this study also showed that the collapse mode of the RSH auxetic core (star-shape re-entrant) increases the load capacity of the profile and controls of the profile progressive collapse mode during its densification. A synergetic effect has been observed for every profile filled with the RSH auxetic core. The cKF/PA filled profile achieved the highest radial impact SEA value (20.6 kJ/kg). 3D printing is one of the Industry 4.0 enabling technologies identified in the RIS3 smart specialization strategy of Euskadi. It was selected because it easily integrates into the circular economy through the use of recycled materials (filament or pellet), however it remains underutilised because of its high cost and long manufacturing time. Hybridization in thermoplastic composite manufacturing technologies responds to these challenges by: (i) achieving high levels of lightweighting and material utilization, (ii) reducing the operational cost of parts, and (iii) increasing productivity.

Etorkizuneko materialei eta fabrikazio prozesuei buruzko ezaguera sortzeak gizarteak dituen erronka nagusiei erantzungo dizkieten balio erantsi handiko produktuak garatzeko balio izango du. Produktuen pertsonalizatzea, fabrikazioaren digitalizazioa edo ekonomia zirkularra (EC) fabrikazio gehigarriak (AM) erantzun diezaiekeen erronka horietako batzuk dira. Gaur egun, diseinu jasangarria da ibilgailuetako osagaien garapenean, ildoetatik bat eta diseinu arinak, energia aurrezteak eta lehengaien erabilera eraginkorrak ikerketa anitz izan dituzte. Dena den, ingurumenaren aldeko kezkarekin batera, segurtasunak faktore kritikoa izaten jarraitzen du eta talkak diren egoeretan ibilgailuko bidaiarien segurtasuna bermatu edo hobetzen saiatu behar dute fabrikatzaileek. Horregatik, diseinu geometriko konplexuaren bidez, energia xurgatze propietateak gehitzea eta cFRTP material konposatuko egitura zuntzen orientabide ez konbentzionalak tesi honen helburu nagusi dira. Horretarako, konposite-ko AM teknologien bidez, aurretik definituta dituzten propietateak edo programatu daitezkeen egituren eta metamaterialen kontzeptu berriak aztertu eta garatu dira, ibilgailuaren egituraren barruan berariazko beharrak/funtzionaltasunak betetzen dituztenak. cFRTP (cCF/PA, cGF/PA y cKF/PA) egituren fabrikazioari dagokienez, zuntz jarraituzko 3D – FFF inprimaketak diseinuaren askatasun eta malgutasun handiagoa ematen du, kargaren norabidean zuntza bideratzeari aukera ematen baitio. Beraz, lan honek funtsezko hiru bloketan ezaguera sortzeari ekin dio: Lehen blokea ondorengo honetan ardaztu da: profil diseinu geometrikoaren bidez fabrikatutako egitura-osagaien energia xurgatzeko propietateen gehikuntzan eta zuntz jarraituzko inprimaketa ibilbideak hautatzen. Horretarako, karakterizazio mikroestrukturala eta FFF prozesua dela bide inprimaketa akatsen identifikazioa burutu dira eta baita aztertu ere geometria-erlazioa (Fold perfila), zuntzaren inprimaketa patroia eta errefortzu zuntz mota (karbonoa, beira eta Kevlar©) aipatutako akatsen sorreran. Halaber, inprimatutako profilen kolapso egonkor moldeak eragiten dituzten haustura mekanismoak identifikatu dira, kokapena, akatsen tipologia eta kargaren norabidearekin duen zerikusia aztertuz. Hori guztia, egituraren ahultasuna/etenaldia (inprimaketa akatsak) kolapso egonkorraren abiarazleetan bihurtzeko xedez. cCF/PA perfil baterako 30,1 eta 9,0 kJ/kg-ko SEA balioak lortu dira norabide axialean eta erradialean hurrenez hurren. Bigarren blokean cFF zuntz jarraiez (karbonoa, beira eta Kevlar©) indartutako inprimaketa materialen erantzuna aztertzen da saiakuntza abiadura ezberdinetan eta zera frogatu da: zuntzak estaltzen dituzten PA matrizen izaeran ezberdintasunak daudela, deformazio abiadurarekiko bere sentsibilitate handiagoa eta talkarekiko bere erresistentzia hobea azaltzen dutenak. Frogatu da ere zuntzen inpregnazio txarrak edo inprimaketa materialaren sendotze gabeziak hutsegite mekanismo ziurrak eragiten dituela, zuntzen hausturan, delaminazioetan eta geruzen eta inprimaketa kordoien arteko marruskaduran funtsatzen direnak. cGF/PA profilek sentsibilitate handiagoa erakutsi dute deformazio-abiadurarekiko. Hau dela eta, inpaktuarekiko erresistentzia eta zurruntasuna hobetu direla ikusi da. Inpaktuaren araberako SEA baloreak 20 kJ/kg axialean eta 12,8 kJ/kg erradialean dira. Hirugarren blokea, azkenik, nukleo auxetikoren egiturak identifikatu eta karakterizatzeari dago bideratuta, profil tubularraren zeharkako portaera hobetzeko eta, profil eta nukleo binomioari esker, xurgatze ahalmenean ondorio sinergetikoa eragiteko. Frogatu da ere RSH nukleo auxetiko kolapso moduak (izar motatako errentrantea) profilaren zamaedukiera gehitzen duela eta, loditzearekin batera, bere kolapso progresibo modua kontrolatzen duela. Efektu sinergiko bat hauteman da nukleo auxetiko eta profilen artean, eta inpaktu erradialeko SEA balorerik altuena cKF/PA profilerako lortu da (20,6 kJ/kg). 3D motatako inprimaketa 4.0 Industry-a bideratzen duen teknologietako bat da eta RIS3 Euskadi espezializazio adimendun estrategian identifikatzen da, gai birziklatuen erabileraren bidez, ekonomia zirkularraren integratze errazari aukera ematen diona. Dena den, berez ez da erakargarria bere kostu handiagatik eta fabrikazio denborak luzeak direlako. Beraz, material konposatu termoplastikoen fabrikazio teknologietako hibridazioak materialaren arintze eta ustiatze maila altuagoak lortzeko beharrari ez ezik, piezen operazio-kostuak murriztekoari erantzuten dio eta baita produktibitate gehitzearenari ere.

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 (EC) 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 aligeramiento, la eficiencia energética y el uso eficiente de las materias primas objeto de muchas investigaciones. De forma paralela, 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 de impacto mediante el diseño avanzado de estructuras y nuevas arquitecturas de refuerzos en materiales compuestos 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 tubulares 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 ya que permite orientar la fibra en dirección de la carga, aumentando su rendimiento y el aprovechamiento del material. 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 del 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 (cCF/PA, cGF/PA y cKF/PA) 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, analizando la posición y 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 del colapso estable. Se han alcanzado unos valores de SEA de 30,1 y 9,0 kJ/kg en dirección axial y radial respectivamente, para un perfil cCF/PA, con orientación de fibra concéntrica y bajo solicitación quasi-estática. En el segundo bloque se ha estudiado la respuesta de los materiales de impresos reforzados con fibra continua cFF (carbono, vidrio y Kevlar©) a diferentes velocidades de ensayo. Por un lado, 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 (Kevlar©). Por otro lado, 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. Los perfiles cGF/PA han mostrado una mayor sensibilidad a la velocidad de deformación y se ha observado un efecto rigidizador y una mejora en la resistencia a impacto. Los niveles de SEA a impacto alcanzados son 20 y 12,8 kJ/kg en dirección axial y radial, respectivamente. El tercer bloque se ha orientado a la identificación y caracterización de estructuras de relleno auxético que mejore el comportamiento transversal del perfil tubular, y que produzca un efecto sinérgico en la capacidad de absorción del binomio perfil- núcleo. Además, se ha comprobado que el modo colapso del núcleo auxético RSH (reentrante tipo estrella) aumenta la capacidad de carga del perfil y controla su modo de colapso progresivo a la vez que se densifica. Se ha observado un efecto sinérgico en todos los perfiles rellenos de RSH, obteniendo los niveles de SEA a impacto radial más altos (20,6 kJ/kg) para los perfiles rellenos cKF/PA. La impresión 3D, es una de las tecnologías habilitadora de la Industry 4.0 identificada en la estrategia de especialización inteligente RIS3 de Euskadi que permite una fácil integración de la economía circular mediante el uso de materiales (filamento o pellet) reciclados. Sin embargo, no es atractiva como tal ni por su elevado coste, ni por elevado su tiempo de fabricación. Por lo tanto, la hibridación en tecnologías de fabricación de materiales compuestos termoplásticos responde a una necesidad no sólo de alcanzar cotas más altas de aligeramiento y aprovechamiento del material sino también en reducir el coste operacional de las piezas, así como el aumento de la productividad.