COMPARATIVA DE PROBETAS NO NORMALIZADAS DE TIPO LATTICE BCC

Dic 18, 2019Materiales, Tecnologías

Las estructuras Lattice tal y como se vio anteriormente en Estructuras aligeradas lattice  tienen por objetivo soportar las cargas a las que se solicita de la forma más eficiente posible.

En EDDM se ha realizado un estudio comparativo de probetas no normalizadas con estructuras aligeradas tipo Lattice Body Centered Cubic (BCC), utilizando el paquete de cálculo de CATIA para realizar el análisis.

Ilustración 1. Probeta maciza no normalizada

Se parte de una probeta maciza y se sustituye la zona central de la probeta por una estructura Lattice. Esta tiene dos parámetros que definen su forma, el lado de celda y el diámetro de barra.

Lattice BCC

Según estos parámetros la zona central de la probeta se modifica dando lugar a diferentes configuraciones de estructuras Lattice como las que se ven a continuación:

 

Probeta Lattice ejemplo 1

Probeta Lattice ejemplo 2

El objetivo de este estudio es encontrar diferentes configuraciones Lattice que ofrezcan una reducción de volumen destacable y mantengan una capacidad aceptable de soportar cargas.

Para ello, se ha desarrollado un CatPart parametrizado que nos permite crear diferentes probetas modificando el lado de la celda y el diámetro de barra de la estructura Lattice.

Se establece como objetivo conseguir hasta un 50 % de reducción en volumen y para hacerlo de manera gradual y comparativa se establecen reducciones de 15%, 25%, 30% y 50%. Con este objetivo, se van modificando los valores de los parámetros mencionados y se anotan los datos necesarios para calcular la reducción de volumen hasta encontrar los porcentajes deseados tal y como se muestran en la siguiente tabla:

Parámetros de probetas Lattice

Por debajo de 5 mm y por encima de 20 mm del lado de celda, no se realizó ningún estudio debido a la resistencia que se obtenía en las barras del Lattice. Por debajo de 5 mm eran demasiado débiles para fabricación aditiva y por encima de 20 mm demasiado resistentes para realizar el ensayo.

Tras obtener esta tabla de resultados se comprueba que las probetas con un 50% de volumen relativo son demasiado resistentes para la máquina de tracción y no permiten su ensayo, por lo que se decide trabajar únicamente con porcentajes de 15%, 25% y 30%.

En total, se fabricaron y ensayaron un total de 54 probetas. A modo esquemático, se ha representado el estado tensional obtenido en un análisis estructural simulando el ensayo de tracción mediante el método de los elementos finitos (FEM por sus siglas en inglés). Los resultados del análisis de los casos 5-8 (lado de celda 10 mm) aparecen representados en la siguiente tabla:

Resultados FEM probeta Lattice 10mm

En dichas imágenes se muestran las tensiones equivalentes de Von Mises. Los colores son graduales siendo el azul la representación de las tensiones más bajas y el rojo el de las más altas.

En las imágenes se puede observar como evoluciona el resultado del análisis FEM. Las tensiones se van reduciendo según aumenta el diámetro de la barra. También se puede ver cómo la parte frágil de los Lattice se encuentra en las zonas de unión internas que es donde se concentran más tensiones.

De estos 4 casos se ensayan 3, ya que, como se ha indicado anteriormente, el caso 8 en el que se alcanza un volumen relativo del 50%, tiene una sección demasiado grande que no llega a romper. Estas son las curvas de tensión-deformación que se obtienen de estos 3 ensayos:

 

Caso 5 (D_barra 2 mm)

Curva Tensión-Deformación de las 3 probetas del caso 5

Caso 6 (D_barra 2,8 mm)

Curva Tensión-Deformación de las 3 probetas del caso 6

Caso 7 (D_barra 3,1 mm)

Curva Tensión-Deformación de las 3 probetas del caso 7

En la siguiente tabla se pueden ver los módulos elásticos máximos obtenidos de cada uno de los casos y el coeficiente de resistencia con una probeta maciza.

Resultados obtenidos en los casos 5, 6 y 7

Si se calculan los porcentajes de módulo elástico y se comparan con los porcentajes de volumen, se puede observar que los resultados obtenidos son bastante buenos:

 

Comparativa de reducción de volumen y reducción de módulo elástico

Cuanto menor es el coeficiente de resistencia mayor es el porcentaje de módulo elástico y mejor es el Lattice obtenido. En este caso, el mejor de los resultados es el caso 6 donde con un 20 % del volumen inicial se consigue un modulo elástico del 26 % del inicial, siendo dicho porcentaje mayor que el volumen.

Este estudio demuestra que es posible reducir el material de una pieza sin que esto provoque una pérdida directamente proporcional en sus propiedades mecánicas y ofreciendo así la posibilidad de aligerar piezas haciendo uso de diferentes estructuras.

Esta es una de las razones por las que la fabricación aditiva adquiere tanta importancia, pues fabricar estructuras aligeradas es un proceso demasiado complejo para hacerlo por métodos tradicionales y, sin embargo, es un aspecto que favorece la fabricación aditiva pues reduce el tiempo de impresión que, actualmente, es uno de los mayores inconvenientes de esta tecnología.

 

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