Compósitos multifuncionais auxéticos e em favo de mel feitos de pré-formas de fibra de carbono tecidas em 3D

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 22593 (2022) Citar este artigo

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Compósitos tecidos tridimensionais (3D) começaram a encontrar aplicações em diversos setores industriais, principalmente no aeroespacial e com potencial no automotivo. Os tecidos tecidos 3D podem ser arquitetados para formar pré-formas complexas e com formato quase final, prontas para a fabricação automatizada de compósitos. O tecido alveolar tecido 3D foi projetado para incluir funcionalidade adicional em compósitos acabados, como índices de Poisson positivos e negativos. Neste estudo, arquiteturas complexas em favo de mel foram criadas usando vários designs de trama para demonstrar os efeitos de comportamentos auxéticos quando fabricados em uma estrutura composta. Um sistema de tecelagem Staubli 3D equipado com Jacquard UNIVAL 100 e um cesto de 3.072 fios de fibra de carbono de 6 k foram usados ​​para tecer a arquitetura em favo de mel projetada. Com a ajuda de inserções de espuma dura de poliéster, os tecidos tecidos 3D foram convertidos em favos de mel e pré-formas auxéticas. Essas pré-formas foram infundidas com resina epóxi para fabricar um conjunto de estruturas em favo de mel e compósitos auxéticos. Em comparação com a estrutura alveolar basal, está comprovado que os compósitos auxéticos desenvolvidos exibiram índice de Poisson negativo de - 2,86 e - 0,12 no caso dos ensaios de tração e compressão, respectivamente.

Os compósitos tecidos 3D multifuncionais têm a capacidade de absorver energia através de falhas progressivas, enquanto mantêm a queda gradual do perfil de carga além do início da falha1,2. Consequentemente, eles são de grande interesse para situações onde a capacidade de resistir a choques ou cargas de impacto é um requisito de projeto. Os compósitos tecidos 3D estão começando a encontrar aplicações em vários setores, particularmente aplicações aeroespaciais e automotivas. Vários OEMs e fabricantes de nível 1 estão investigando ativamente essas estruturas. Na indústria aeroespacial, estruturas tecidas em 3D já são usadas em pás e carcaças de ventiladores. O desenvolvimento está numa fase inicial e existem muitas oportunidades para melhorar o desempenho do impacto e otimizar o peso da estrutura. É importante que as estruturas de colisão utilizadas em veículos como automóveis, autocarros e comboios sejam previsíveis com precisão e que o fabrico seja repetível. Também existe a oportunidade de usar a tecelagem 3D para adicionar uma funcionalidade adicional aos compostos.

A tecelagem 3D é uma atividade especializada e existem poucos centros capazes de realizar as pesquisas necessárias. Fabricantes têxteis como DORNIER e STAUBLI fabricam máquinas de tecelagem 3D, mas os tecidos 3D para aplicações em compósitos estão atualmente em sua infância. No Reino Unido, empresas como Sigmatex UK Ltd, M Wrights & Sons e Antich & Sons desenvolveram capacidades internas para utilizar a tecelagem 3D, mas é necessária mais investigação e desenvolvimento para implementar essa tecnologia em toda a cadeia de abastecimento. Recentemente, a Universidade de Sheffield AMRC estabeleceu capacidades de tecelagem 3D que serão usadas para preencher a lacuna e apoiar a indústria.

As pré-formas tecidas em 3D têm a capacidade de demonstrar multifuncionalidade na fabricação de compósitos avançados. Uma das estruturas multifuncionais 3D é a funcionalidade auxética que precisa ser investigada e demonstrada para a indústria. Isto poderia ser na forma de estruturas expansíveis do tipo favo de mel3, que poderiam ser tecidas e testadas para mostrar capacidade e desempenho mecânico potencialmente melhorado com alta tolerância a danos, como colisão, compressão e impacto. A Figura 1 explica o que é a estrutura auxética comparada à estrutura alveolar convencional em termos de sua geometria, ou seja, um material auxético exposto à tensão aumentaria de dimensões na direção lateral a uma força de tração aplicada. Uma estrutura auxética tem várias vantagens em uma situação de colisão, por exemplo, boa absorção de energia, no entanto, a fabricação repetível de uma estrutura auxética com comportamento previsível precisa de mais trabalho4.