Caracterización de propiedades mecánicas de estructuras flexibles basadas en TPMS manufacturadas aditivamente

Abstract

En esta Tesis se presenta las propiedades mecánicas efectivas de una geometría reticulada basado en superficies mínimas triplemente periódicas (TPMS) tipo Diamond, caracterizadas experimentalmente mediante probetas cubicas de 50 mm de lado, fabricadas por manufactura aditiva con tecnología Fused deposition modeling (FDM) utilizando poliuretano termoplástico (TPU) de dureza 95A. Como resultado del estudio del estado del arte, se identificó la estructura Diamond como una de las que exhibe mayor resistencia a la compresión respecto a otras geometrías TPMS. Este comportamiento de resistencia a la compresión fue caracterizado experimentalmente bajo lineamientos de ISO 844, y presenta tres zonas claramente diferenciadas: 1) zona elástica, 2) zona de meseta, y 3) zona de densificación. Una vez descomprimido, este material recupera hasta un 95% de su altura inicial, y minutos más tarde hasta el 98-99% y no presenta fracturas ni separación o desprendimiento de las capas de impresión. Después de diez ciclos de compresión, su resistencia máxima se reduce en un 67%. Las probetas base diseñadas tienen una porosidad de 86,5% (está compuesto en un 13.5% por TPU) y tiene una densidad de 154 kg/m3 y una resistencia máxima ingenieril (σy) de 156 kPa al 10% de compresión y módulo de elasticidad (E) de 2.25 MPa. La TPMS Diamond tiene una resistencia hasta un 70% mayor que la Gyroid y un 214% mayor que Schwarz, en relación con su peso. Estos resultados permiten confirmar la hipótesis bajo la cual se seleccionó la TPMS Diamond. Además, exhibe un comportamiento casi isotrópico, a pesar de que la manufactura aditiva por FDM es un proceso de fabricación inherentemente anisotrópico.

Las propiedades mecánicas (resistencia y módulo de elasticidad) de la estructura TPMS Diamond se relacionan con la densidad relativa en el intervalo 0.1 a 0.64 de acuerdo con el modelo de Gibson-Ashby, con los coeficientes presentados en esta Tesis. Las probetas con gradiente de espesor presentan un comportamiento diferente a las probetas de espesor uniforme. En este caso, la curva esfuerzo – deformación no presenta una zona de meseta definida, sino varios puntos de esfuerzo máximo qué aparecen de forma escalonada y se pueden relacionar con los respectivos puntos máximos de las curvas de las probetas de espesor uniforme.