Diseño, optimización e impresión 3D de laminados dispersos con aplicaciones en el mundo de la competición

García-Moreno Caraballo, Jesús (2020). Diseño, optimización e impresión 3D de laminados dispersos con aplicaciones en el mundo de la competición. Proyecto Fin de Carrera / Trabajo Fin de Grado, E.T.S.I. Industriales (UPM), ETSI Industriales - Departamento de Mecánica.

Description

Title: Diseño, optimización e impresión 3D de laminados dispersos con aplicaciones en el mundo de la competición
Author/s:
  • García-Moreno Caraballo, Jesús
Contributor/s:
  • Pascual-González, Cristina
  • Garoz Gómez, David
  • Chacon Tanarro, Enrique
Item Type: Final Project
Degree: Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales
Date: October 2020
Subjects:
Freetext Keywords: Fabricación Aditiva, Impresión 3D de materiales reforzados con fibra continua, Laminados dispersos, Caracterización Mecánica, Elementos finitos.
Faculty: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Department: Ingeniería Mecánica
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

Full text

[img]
Preview
PDF - Requires a PDF viewer, such as GSview, Xpdf or Adobe Acrobat Reader
Download (20MB) | Preview

Abstract

El mundo de la industria y de los procesos de diseño se encuentran actualmente en un estado de evolución tecnológica. Los grandes avances en procesos de automatización y control de procesos de fabricación, así como la aparición de tecnologías como la impresión 3D o las investigaciones en los campos de Inteligencia Artificial, hacen que la industria avance cada día un paso más hacia la Cuarta Revolución Industrial o Industria 4.0. El uso de tecnologías como la fabricación aditiva hace que se puedan desarrollar mejor campos de diseño que hasta ahora se veían limitados por los procesos de fabricación. La fabricación aditiva permite obtener geometrías complejas y prototipado de piezas con cierta rapidez, llegando a reducir en muchos casos los costes de fabricación, ya que no se precisa del uso de moldes o elementos auxiliares. La evolución y las investigaciones en el campo de la fabricación aditiva desde su aparición se han centrado en la mejora de parámetros como la calidad de impresión, el comportamiento ingenieril de las piezas impresas o la escala de impresión (desde edificios hasta piezas microoscopicas). Este proceso ha llevado al avance en los materiales que se pueden imprimir, siendo posible a día de hoy la impresión de metales, plásticos, vidrios e incluso materiales compuestos. Apariciones como la empresa Markforged han hecho grandes avances en este campo. En concreto, Markforged ha desarrollado máquinas que permiten la impresión en fibra continua de material compuesto. Estos últimos avances en impresión de fibra continua hacen avanzar el campo de diseño de los laminados basados en polímeros con refuerzos de fibra continua. Este avance permite profundizar sobre la optimización y desarrollo de laminados no convencionales, con vistas de la mejora en servicio de piezas, así como la obtención de distintas rigideces para distintos estados de carga. Vistas las ventajas que ofrecen tecnologías como la que proponen sistemas como Markforged, se propone estudiar la sustitución de una pieza sometida a cargas dinámicas y estáticas, extraída de una motocicleta de competición. El objetivo es conseguir una reducción en peso de la pieza, manteniendo las prestaciones en servicio que ahora se consiguen con un diseño en aluminio de alta resistencia (6082-T6). El estudio se va a centrar en resolver la necesidad que hay por parte del equipo UPM-Motostudent de rebajar el peso de sus piezas mediante la ejecución de una metodología. Esta metodología permite gracias a la impresión 3D la obtención de piezas en fibra de carbono, con un coste igual o menor a su obtención en aluminio y de mayor ligereza. Para ello es necesario verificar propiedades del material, así como definir el comportamiento teórico de las piezas para su correcta correlación con datos experimentales. Se propone sustituir la pieza por un laminado con fibras de carbono continuas y alineadas, dispuestas en varias capas con distintas orientaciones. Uno de los puntos más innovadores de la metodología es el uso de laminados dispersos, los cuales son conocidos por estar construidos por orientaciones no convecionales, es decir, orientaciones de las fibras distintas a los ángulos de 90º, 60º, 45º, 30º o 0º. Los laminados dispersos permiten optimizar la distribución de las tensiones en la pieza y conseguir diferentes rigideces dentro de la pieza dependiendo de la dirección de la carga. Esto último, distinta rigidez para distintas direcciones de carga en el mundo de motociclismo es un aspecto muy positivo, ya que conviene en muchos casos que esto suceda para que el piloto pueda tener cierto confort en la conducción. El desarrollo del proyecto se enfoca en el estudio de una pieza del tren delantero encargada de la unión de la suspensión al cuerpo de la motocicleta, de la cuál se conocen su rigidez ante cargas mecánicas y el estado de cargas a las que está sometida durante su vida útil. El proyecto tiene una apartado teórico que estudia los comportamientos mecánicos por análisis en elementos finitos de los laminados que se van usar y la integración de los mismos en la pieza. El trabajo teórico se complementa con una parte práctica la cual se centra en la obtención experimental de las propiedades mecánicas de dichos laminados impresos en 3D, con las que poder ajustar y validar el modelo teórico. La metodología de sustitución de piezas se compone de cuatro fases: (i) el estudio de la pieza y adecuación geométrica para poder ser fabricada con un laminado continuo, (ii) el diseño y optimización de las orientaciones del laminado disperso con el objetivo de minimizar la tensión transversal, cuando se le aplican las cargas mecánicas a las que va a estar sometida la pieza. (iii) La fase experimental, en la cuál se hacen experimentos mecánicos a probetas del laminado diseñado para la pieza. Dentro de esta fase se analiza el aumento de propiedades del laminado ante un post-procesado térmico presurizado, el cuál reporta datos similares a los que se obtienen de la simulación de las propiedades. (iv) La simulación de la pieza, se comienza por un modelo sencillo en el cuál se introduce un laminado a la pieza, sin tener en cuenta la forma de impresión. Una vez estudiado el modelo más sencillo, se pasa a realización de una simulación avanzada con la que se tiene en cuenta la forma en la que imprime la impresora, ya que se obtienen las direcciones de impresión de la fibra y se introducen las orientaciones en cada uno de los elementos de la malla de la pieza a simular, teniendo en cuenta los cambios de orientaciones que se producen cuando se imprimen los anillos concéntricos. Las conclusiones obtenidas del estudio de la viabilidad de sustituir una pieza de aluminio por una pieza impresa en 3D por polímeros reforzados con fibra continua, son variadas. La primera conclusión es la mejoría de las propiedades mecánicas del material al aplicarle un tratamiento térmico presurizado después de la fabricación, el cuál aumenta sobretodo las propiedades en sentido transversal a la fibra, además de reducir aproximadamente en un 90\% la porosidad. Otra de las conclusiones es que se ha producido la validación entre el comportamiento por elementos finitos del material mediante experimentos en la realidad. Gracias a la validación experimental de los elementos finitos se puede analizar los resultados obtenidos de las simulaciones avanzadas la cuál muestra la existencia de tensiones locales que pueden afectar a la integridad de la pieza. Por tanto, será necesaria la búsqueda de una solución capaz de reducir dichas tensiones locales que se producen en los contactos de la pieza. Es por ello que la impresión de piezas estructurales plantea nuevos retos.

More information

Item ID: 65513
DC Identifier: http://oa.upm.es/65513/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:65513
Deposited by: D. Jesús García-Moreno Caraballo
Deposited on: 25 Nov 2020 10:28
Last Modified: 25 Nov 2020 10:28
  • Logo InvestigaM (UPM)
  • Logo GEOUP4
  • Logo Open Access
  • Open Access
  • Logo Sherpa/Romeo
    Check whether the anglo-saxon journal in which you have published an article allows you to also publish it under open access.
  • Logo Dulcinea
    Check whether the spanish journal in which you have published an article allows you to also publish it under open access.
  • Logo de Recolecta
  • Logo del Observatorio I+D+i UPM
  • Logo de OpenCourseWare UPM