Nuevo método de diseño reduce peso de fibra de carbono, permitiendo aeronaves y vehículos más ligeros

Investigadores de la Universidad de Ciencia de Tokio (TUS, Japón) han adoptado un nuevo método de diseño que optimiza tanto el espesor como la orientación de la fibra de carbono, logrando reducción de peso en compuestos reforzados con fibra y abriendo puertas a aeronaves y vehículos automotrices más ligeros.

TUS señala los polímeros reforzados con fibra de carbono (CFRP) que se han estudiado continuamente para mejorar la resistencia. La mayoría de estos estudios, dice TUS, se han centrado en una técnica particular llamada «diseño orientado a fibra» (fiber-steered design), que optimiza la orientación de la fibra para mejorar la resistencia.

Sin embargo, el enfoque de diseño orientado a fibra no está exento de inconvenientes. «El diseño orientado a fibra solo optimiza la orientación y mantiene fijo el espesor de las fibras, impidiendo el uso completo de las propiedades mecánicas del CFRP. Un enfoque de reducción de peso, que permita optimizar también el espesor de la fibra, se ha considerado raramente», explica el Dr. Ryosuke Matsuzaki de TUS, cuya investigación se centra en materiales compuestos.

Con este telón de fondo, el Dr. Matsuzaki —junto con sus colegas de TUS, Yuto Mori y Naoya Kumekawa— propuso un nuevo método de diseño para optimizar la orientación y el espesor de la fibra simultáneamente según la ubicación en la estructura compuesta, lo que les permitió reducir el peso del CFRP comparado con un modelo de laminado lineal de espesor constante sin comprometer su resistencia. Sus hallazgos pueden leerse en un nuevo estudio publicado en Composite Structures.

Su método consistió en tres pasos: procesos preparatorio, iterativo y de modificación. En el proceso preparatorio, se realizó un análisis inicial usando el método de elementos finitos (FEM) para determinar el número de capas, permitiendo una evaluación cualitativa del peso por un modelo de laminado lineal y un diseño orientado a fibra con modelo de variación de espesor. El proceso iterativo se usó para determinar la orientación de la fibra por la dirección del esfuerzo principal y calcular iterativamente el espesor usando la «teoría del esfuerzo máximo». Finalmente, el proceso de modificación se usó para hacer modificaciones considerando la fabricabilidad creando primero un «haz de fibra base de referencia» en una región que requiere mejora de resistencia y luego determinando la orientación y espesor finales disponiendo los haces de fibra de forma que se extiendan a ambos lados del haz de referencia.

El método de optimización simultánea condujo a una reducción de peso superior al 5 % mientras permitía una eficiencia de transferencia de carga mayor que la lograda con solo orientación de fibra.

Los investigadores señalan que están emocionados por estos resultados y esperan la futura implementación de su método para mayor reducción de peso de piezas CFRP convencionales. «Nuestro método de diseño va más allá de la sabiduría convencional del diseño de compuestos, permitiendo aeronaves y automóviles más ligeros, que pueden contribuir a la conservación de energía y reducción de emisiones de CO₂», observa el Dr. Matsuzaki.