El enfoque de optimización ayuda a diseñar compuestos de fibra de carbono más ligeros

Investigadores de la Universidad de Ciencias de Tokio (TUS, Japón) adoptó un nuevo método de diseño que optimiza el grosor y la orientación de la fibra de carbono, logrando una reducción de peso en compuestos reforzados con fibra y abriendo puertas a aeronaves más livianas y vehículos automotores.

TUS apunta a polímeros reforzados con fibra de carbono (CFRP) que se ha estudiado continuamente para mejorar la resistencia. La mayoría de estos estudios, dice TUS, se han centrado en una técnica particular llamada "diseño dirigido por fibra", que optimiza la orientación de la fibra para mejorar la resistencia.

Sin embargo, el enfoque de diseño dirigido por fibra no está exento de inconvenientes. “El diseño dirigido por fibra solo optimiza la orientación y mantiene fijo el grosor de las fibras, evitando el uso completo de las propiedades mecánicas del CFRP. Rara vez se ha considerado un enfoque de reducción de peso, que también permite optimizar el grosor de la fibra ”, explica el Dr. Ryosuke Matsuzaki de TUS, cuya investigación se centra en materiales compuestos.

En este contexto, el Dr. Matsuzaki, junto con sus colegas de TUS, Yuto Mori y Naoya Kumekawa, propusieron un nuevo método de diseño para optimizar la orientación y el grosor de la fibra simultáneamente dependiendo de la ubicación en la estructura compuesta, lo que les permitió reducir el peso del CFRP en comparación con un modelo de laminación lineal de espesor constante sin comprometer su resistencia. Sus hallazgos se pueden leer en un nuevo estudio publicado en Composite Structures .

Su método constaba de tres pasos:preparatorio, iterativo y procesos de modificación. En el proceso preparatorio, se realizó un análisis inicial utilizando el método de elementos finitos (FEM) para determinar el número de capas, lo que permitió una evaluación de peso cualitativa mediante un modelo de laminación lineal y un diseño dirigido por fibra con un modelo de variación de espesor. El proceso iterativo se utilizó para determinar la orientación de la fibra por la dirección de la tensión principal y calcular iterativamente el espesor utilizando la "teoría de la tensión máxima". Finalmente, el proceso de modificación se utilizó para realizar modificaciones que tengan en cuenta la capacidad de fabricación creando primero un "haz de fibras base" de referencia en una región que requiera mejorar la resistencia y luego determinando la orientación y el grosor finales colocando los haces de fibras de manera que se extiendan a ambos lados del el paquete de referencia.

El método de optimización simultánea condujo a una reducción de peso superior al 5% al ​​tiempo que permitió una mayor eficiencia de transferencia de carga que la lograda con la orientación de la fibra solamente.

Los investigadores notan que están entusiasmados con estos resultados y esperan la implementación futura de su método para una mayor reducción de peso de las piezas CFRP convencionales. “Nuestro método de diseño va más allá de la sabiduría convencional del diseño compuesto, lo que hace que los aviones y automóviles sean más livianos, lo que puede contribuir a la conservación de energía y la reducción de CO ₂ emisiones ”, observa el Dr. Matsuzaki.