Construcción y análisis de Honeycombs para cargas cuasi estáticas

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CONSTRUCCIÓN Y ANÁLISIS DE HONEYCOMBS PARA CARGAS

CUASI ESTÁTICAS

Franz Ricardo Alberto Mojica Hanke

Universidad de los Andes

Facultad de Ingeniería

Departamento de Ingeniería Mecánica

Bogotá D.C.

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CONSTRUCCIÓN Y ANÁLISIS DE HONEYCOMBS PARA CARGAS

CUASI ESTÁTICAS

Por:

FRANZ RICARDO ALBERTO MOJICA HANKE

Profesor Asesor:

JUAN PABLO CASAS RODRÍGUEZ. PHD

Proyecto de Gado para optar al título de Ingeniero Mecánico

Universidad de los Andes

Facultad de Ingeniería

Departamento de Ingeniería Mecánica

Bogotá D.C.

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I

Resumen

La utilización de materiales en estructuras celulares periódicas en las últimos años, ha tomado gran acogida en múltiples sectores industriales, esto se debe a la mejora presentada en relación a los beneficios de costo, peso y propiedades Mecánicas del material. De las estructuras periódicas desarrolladas en la actualmente es de interés en este documento las estructuras conocidas como celdas de abeja , hexagonales o Honeycombs.

En el presente documento se presentan algunos de los métodos de manufactura de las celdas utilizados en la actualidad, geometrías, características fundamentales, manufactura, y modelos teóricos que describen las propiedades pertinentes a los Honeycombs.

La propuesta de proyecto de grado tiene como principal enfoque el desarrollo de celdas hexagonales (Honeycombs) mediante la utilización de materiales encontrados en el mercado Colombiano, y construidos mediante dos métodos utilizados comercialmente: corrugado continuo y doblado y el método HOBE, y su viabilidad mediante pruebas para cargas cuasi estáticas comparando los resultados con los modelos analíticos.

Después de la construcción y análisis de 36 Honeycombs de diferentes características, de los cuales 12 fallaron en la expansión y las 24 restantes fueron probadas bajo cargas cuasi estáticas, los resultados obtenidos muestran que la estructura construida por el método HOBE con tamaño de celda 5/32 y espesor de lamian 1 mm presenta el mejor comportamiento dentro de los Honeycombs construidos.

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II

A mi familia y profesores

Tabla de contenido

Tabla de contenido ... II

LISTA DE IMÁGENES ... VI

LISTA DE TABLAS ... VIII

LISTA DE GRAFICAS ... IX

1. INTRODUCCION... 1

1.1 Contextualización del problema ... 1

1.2 Objetivos ... 3

1.1.1 Objetivo General... 3

1.1.2 Objetivos Específicos. ... 3

2. MARCO TEORICO ... 4

2.1 Introducción ... 4

2.2 Geometrías básicas de las estructuras periódicas ... 4

2.3 Características geométricas de un Honeycomb ... 5

2.4 Respuesta de un Honeycomb Hexagonal a condiciones de carga compresiva cuasi estáticas. ... 6

2.5 Propiedades Mecánicas en Honeycomb Hexagonal ... 9

2.5.1 Modelos del Módulo Elástico ... 9

2.5.2 Modelo de Resistencia a la Compresión. ... 10

2.6 Materiales para la construcción de Honeycomb Hexagonales ... 10

2.6.1 Materiales para el Núcleo ... 11

2.6.2 Adhesivos para la Manufactura ... 11

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III

2.7.1 Método HOBE ... 12

2.7.2 Método Corrugado Continuo ... 13

2.7.3 Método Corrugado no Continuo ... 13

2.7.4 Método Corrugado Continuo-Doblado ... 14

3. METODOLOGÍA ... 16

3.2 Selección de materiales ... 16

3.2.1 Materiales para el Núcleo ... 16

3.2.2 Adhesivos ... 17

3.3 Características Honeycomb Hexagonales (Configuraciones) ... 17

3.3.1 Características Honeycomb Hexagonales método HOBE... 18

3.3.2 Geometría de los Honeycomb Hexagonales método corrugado continuo-doblado ... 19

3.4 Proceso de manufactura para Honeycomb Hexagonales ... 19

3.4.1 Método HOBE ... 19

3.4.1.1 Método con cintas doble cara 4945 y 9088 ... 21

3.4.1.2 Método con adhesivo de lámina AF 163-2 ... 23

3.4.1.3 Método con adhesivo liquido Henkel Hysol EA 934NA .... 25

3.4.2 Método de Corrugado Continuo-Doblado ... 26

3.5 Pruebas de Honeycombs a condiciones cuasi estáticas ... 29

3.6 resumen capitulo ... 29

4. ANÁLISIS Y RESULTADOS ... 30

4.2 Resultados de la construcción de celdas ... 30

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IV

4,2,2 Calidad de los métodos de manufactura ... 32

4.3 Predicciones de modelos... 33

4.3.1 Factores de corrección ... 34

4.3.2 Predicciones de modelos de Elasticidad... 35

4.3.3 Predicciones de modelos de fuerza máxima (elástica y plástica) .. 36

4.3.4 Predicciones de modelos de esfuerzo máximo (elástica y plástica) ... 36

4.4 Resultados Experimentales ... 37

4.4.1 Resultados método HOBE ... 37

4.4.2 Resultados corrugado continuo y doblado ... 40

4.4.3 Modos de Falla ... 44

4.4.3.1 Método HOBE ... 44

4.4.3.2 Método corrugado Continuo y Doblado ... 45

4,4,4 Comparación de resultados experimentales y teóricos: ... 46

4.4.4.1 Comparación de resultados método HOBE ... 47

4.4.4.2 Comparación de resultados método Corrugado continuo y doblado ... 48

4.3.5Comparación de resultados entre configuraciones ... 51

5 Conclusiones ... 54

6 Recomendaciones ... 56

7 Bibliografía ... 58

8 Anexos ... 61

Anexo 1 ... 61

Anexo 2 ... 61

Anexo 3 ... 62

Anexo 4 ... 63

Anexo 5 ... 64

(7)

V

Anexo 7 ... 64

Anexo 8 ... 65

Anexo 9 ... 66

Anexo 10 ... 66

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VI

LISTA DE IMÁGENES

- Imagen 1: Honeycombs comerciales (izquierda) (Honeycombpanels, 2013) ... 2

- Imagen 2 Algunas configuraciones típicas de panel de abeja. (Hexcel, 2005) ... 5

- Imagen 3: Geometría característica un Honeycomb (University.Virginia, 2008); (Zhu,Wang,Lu & Zhao,2008) ... 5

- Imagen 5: efectos en las celdas hexagonales por fuerzas aplicadas en los planos X1 (a) y X2 (b) ( Gibson & Aschby, 1988 ) ... 7

- Imagen 6: modelo de colapso de celda de un Honeycomb sometido a Cargas cuasi estáticas: a) pandeo elástico, b)pandeo plástico y c) densificación [basadas en las gráficas de (Gibson & Aschby, 1988) (Hexcel, 2005)] ... 8

- Imagen 7: Manufactura de Honeycomb por el método HOBE. (University of Virginia, 2008) ... 12

- Imagen 8: Manufactura de Honeycomb por el método de corrugado continuo. (University of Virginia, 2008) ... 13

- Imagen 9: Manufactura de Honeycomb por el método de corrugado no continuo. (University of Virginia, 2008) ... 14

- Imagen 10: Manufactura de Honeycomb por el método de corrugado continuo-Doblado. (Pflug, Verpoest & Vandepitte, 2003) ... 14

- Imagen 11: Test de Honeycomb hexagonales en papel ... 20

- Imagen 12: láminas cortadas y dimensión ... 20

- Imagen 13: limpieza de las láminas ... 21

- Imagen 14: corte de adhesivos ... 22

- Imagen 15: Método de construcción HOBE cintas doble cara, (a) guía de posición, (b) adhesión entre planos, (c) celda antes de expansión, (d) celda expandida ... 23

- Imagen 16: Método de construcción HOBE lamina de adhesivo AF 163-2, (a)matriz de vinilo (b) adhesión entre planos, (c) celda antes de expansión, (d) celda expandida ... 24

- Imagen 17: Método de construcción HOBE adhesivo liquido Henkel Hysol EA 934NA (a) matriz de vinilo (b) adhesión entre planos, (c) celda antes de expansión, (d) celda expandida ... 26

- Imagen 18: láminas cortadas y dimensión ... 27

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VII

- Imagen 20: Método de construcción corrugado C&D, superior (a), izquierda inferior (b), derecha inferior (c) ... 28 - Imagen 21: Prueba de Compresión (10mm/min) ... 29 - Imagen 22: falla de celdas expandidas celdas e (10mm/min) ... 32 - Imagen 23: Prueba de Compresión (prueba 2 C1) (10mm/min) configuraciones manufacturados por el método HOBE a) zona elástica sin pandeo, b) inicio pandeo plástico, c) pandeo plástico formación de bucles a S d) densificación . 37 - Imagen 24: Prueba de Compresión (10mm/min) configuraciones manufacturados método Corrugado C&D a) zona elástica sin pandeo, b) inicio falla por pandeo único, c) colapso de la celda d) densificación... 40 - Imagen 25: Prueba de Compresión (10mm/min) configuraciones manufacturados método Corrugado C&D 11 y 12 a) zona elástica sin pandeo, b) inicio falla por pandeo en varios puntos , c) colapso de la celda por pandeo único d) densificación ... 41 - Imagen 26: Honeycombs comprimidos manufacturados por el método HOBE a) celda característica de configuraciones 1 y 4 adhesivo 4945, b) fotografía lateral imagen a, c) celda característica de configuraciones 1 y 4 adhesivo 9088 d) fotografía lateral imagen c ... 45 - Imagen 27: Honeycombs comprimidos manufacturados por el método HOBE a) celda característica de configuraciones 9 y 10 , b) fotografía lateral imagen a, c) celda característica de configuraciones 11 y 12 d) fotografía lateral imagen c .. 46 - Anexo 1 grafico 1 Tabla relativa de costos para la producción de Honeycombs, (Bitzer, 1997). ... 61 - Imagen anexo 8 Curva característica de curado de adhesivo AF 163 – 2K(Peñaranda ,2013). ... 65

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VIII

LISTA DE TABLAS

- Tabla 1: HOBE Geometría 1 Honeycomb 5/32-1100-0,1mm ... 18

- Tabla 2: HOBE Geometría 2 Honeycomb 5/32-1100-0,15mm... 18

- Tabla 3: HOBE Geometría 4 Honeycomb 5/32-1100-(0,1mm y 0.15mm) ... 18

- Tabla 4: Corrugado C&D Geometría 5 Honeycomb ( 5/32 y 1/8)-1100-0,1mm . 19 - Tabla 5 Corrugado C&D Geometría 6 Honeycomb ( 5/32 y 1/8)-1100-0,1mm .. 19

- Tabla 6: Configuraciones manufacturados por el método HOBE y probados ... 31

- Tabla 7: Configuraciones manufacturados por el método Corrugado C&D y probados ... 31

- Tabla 8: escala de valores cualitativos ... 33

- Tabla 9: parámetros de comparación de los métodos de construcción HOBE y corrugado C&D ... 33

- Tabla 10: factores de corrección para adhesivos y geometrías ... 34

- Tabla 11: Módulos de Elasticidad teóricos utilizando los modelos A,B,C, y D y las diferentes geometrías ... 35

- Tabla 12: Módulos de Elasticidad teóricos A,B,C, y D con el factor de corrección ... 35

- Tabla 13: Esfuerzo pico y de meseta teórico para los diferentes modelos y geometrías ... 36

- Tabla 14: Esfuerzo pico y de meseta teórico con el factor de corrección ... 36

- Tabla 15: resultados experimentales de los valores característicos de un Honeycomb para las configuraciones 1 y 2, 4 y 5. ... 39

- Tabla 16: resultados experimentales de los valores característicos de un Honeycomb para las configuraciones 9 y 11 ,10 y 12. ... 43

- Anexo 2 Tabla 1 Propiedades del Aluminio de acuerdo con pruebas de tensión bajo la norma ASTM E345 (Matweb, 2013) ... 61

- Anexo 12 Tabla 1 : Resultados prototipo 1 ... 69

- Anexo 12 Tabla 2: Resultados prototipo 2 ... 70

- Anexo 12Tabla 3: Resultados prototipo 4 ... 71

- Anexo 12Tabla 5: Resultados prototipo 9 ... 73

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IX

LISTA DE GRAFICAS

- Grafica 1: curva característica de pruebas de compresión para configuraciones

C1 y C2,C3 y C4 ... 38

- Grafica 2: curvas características de pruebas de compresión para configuraciones C9, C10, C11 y C12 ... 42

- Grafica 3: Comparación del módulo elástico experimental y teórico pare el método HOBE. ... 47

- Grafica 4: Comparación del Esfuerzo pico experimental y teórico pare el método HOBE. ... 47

- Grafica 5: Comparación del Esfuerzo de compresión experimental y teórico pare el método HOBE. ... 48

- Grafica 6: Comparación del módulo elástico experimental y teórico pare el método teórico pare el método Corrugado C&D ... 49

- Grafica 7: Comparación del Esfuerzo pico experimental y teórico pare el método Corrugado C&D ... 49

- Grafica 8: Comparación del Esfuerzo de compresión experimental y teórico pare el método Corrugado C&D ... 50

- Grafica 9: Comparación del módulo elástico experimental entre configuraciones. ... 51

- Grafica 10 : Comparación del Esfuerzo Pico experimental entre configuraciones ... 52

- Grafica 11 : Comparación del Esfuerzo de compresión experimental entre configuraciones ... 52

- Anexo 12 Grafica 1: Prueba 1-3 Honeycomb Prototipo 1... 68

- Anexo 12 Grafica3: Prueba 7-9 Honeycomb Prototipo 3 ... 70

- Anexo 12 Grafica 4: Prueba 10-12 Honeycomb Prototipo 5 ... 71

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1. INTRODUCCION

1.1 Contextualización del problema

Durante los últimos años en la industria de la construcción (automotriz, aeronáutica, Protección contra explosiones ..) se han buscado materiales y geometrías estructurales de estos para el cumplimiento de las necesidades y exigencias a nivel mundial, como lo son el mejoramiento de propiedades mecánicas, disminución en el peso de estructuras y otras propiedades. Dado a que el mejoramiento de las propiedades mecánicas es una de las ramas de mayor estudio en el momento y a que el mejoramiento de las propiedades existentes en cada material es limitado y de alto costo, se ha procedido a la construcción de estructuras geométricas que mejoran dichas propiedades, y es así como en el último siglo se han desarrollado estructuras basadas en estructuras ya existentes en la naturaleza.

Dado a que no todas las estructuras analizadas a lo largo de los años han generado los resultados deseados, se han realizado múltiples estudios tanto estáticos como dinámicos, dando como resultado unas cuantas estructuras con propiedades interesantes, de las cuales son de interés las estructuras conocidas como celdas de abeja, celdas hexagonales o Honeycombs (Imagen 1), las cuales son estructuras celulares periódicas que dependiendo de su estructura asociada y de ciertas proporciones en sus dimensiones presentan propiedades mecánicas distintas.

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2

Imagen 1: Honeycombs comerciales (izquierda) (Honeycombpanels, 2013)

Por otro lado, cada una de estas mejorías en las propiedades mecánicas de una estructura tiene su costo asociado, y no por el hecho de que se requiera en la industria esto implica su viabilidad, lo anterior significa que si la tecnología utilizada para el mejoramiento de dichas propiedades representa un alto costo y su utilidad es reducida, es probable que no se realice su desarrollo. Este es el caso de las estructuras Honeycomb, las cuales dependiendo de la geometría periódica utilizada, su complejidad en la construcción pueden aumentan el costo de producción considerablemente, por lo cual es necesario en ocasiones una simplificación que permita conseguir las propiedades requeridas a un menor costo (Bitzer, 1997).

Teniendo en cuanta las condiciones anteriores, estudios previos realizados y la importancia que presenta este tema en la industria, para la construcción de estructuras periódicas de bajo costo pero con propiedades mecánicas deseables. Se desea continuar con la labor investigativa de estructuras periódicas (Honeycomb) de tal forma que con la construcción de Honeycomb, en base a materiales encontrados en la industria nacional se puedan obtener resultados favorables. Dado lo anterior, se propone el objetivo principal de este proyecto, el cual se presenta en el siguiente capitulo

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3

1.2Objetivos

1.1.1 Objetivo General

Continuación y análisis de Honeycomb de configuración Hexagonal para la elaboración de ensayos a cargas cuasi estáticas.

1.1.2 Objetivos Específicos.

 Revisión bibliográfica acerca de geometrías materiales, adhesivos y maquinaria para la construcción de Honeycombs de configuración hexagonal.

 Manufactura de Honeycomb Hexagonales mediante diferentes métodos de manufactura, adhesivos y materiales disponibles en el comercio local.

 Experimentación con Honeycomb Hexagonales a cargas cuasi estáticas.

 Comparación de los parámetros característicos obtenidos experimentalmente con modelos analíticos

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4

2. MARCO TEORICO

2.1 Introducción

En el presente capitulo se describe con alguna profundidad las áreas en las cuales se ha presentado desarrollo en las celdas Honeycomb: la geometría utilizada en las estructuras periódicas (especialmente las de los Honeycombs), los modelos teóricos que describen las propiedades de los Honeycomb, los materiales utilizados en la fabricación de las estructuras periódicas y por último los procesos de manufactura.

2.2 Geometrías básicas de las estructuras periódicas

En el desarrollo de las estructuras periódicas la geometría de estas es de gran importancia, dado a que la forma está dada por varios factores como el espesor de la pared (menores o iguales a 0,1mm) el tamaño de la estructura periódica o celda (tamaños comerciales 1/8”, 5/32”, 3/16” y 1/4”) y la geometría de la celda donde según Hexel (Hexcel, 2005) de la variedad de geometrías encontradas en el mercado, las más comunes son las configuraciones Hexagonales, Ox, Flex, Doble Flex (Imagen2).

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5

Imagen 2 Algunas configuraciones típicas de panel de abeja. (Hexcel, 2005)

2.3 Características geométricas de un Honeycomb

En esta sección se presenta la geometría hexagonal de un Honeycomb con sus características dimensionales para su caracterización

Imagen 3: Geometría característica un Honeycomb (University.Virginia, 2008); (Zhu,Wang,Lu & Zhao,2008)

Núcleo Hexagonal Núcleo OX

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6

En la ilustración 3 se aprecia la morfología normal de una celda unitaria donde se tienen en cuenta los siguientes parámetros: Nodo: zona de adhesión entre dos celdas conjuntas, Tamaño de celda: √ , Altura: espesor del núcleo, Espesor: espesor de la pared de cada celda, Dirección transversal: es la dirección de expansión del núcleo (perpendicular a . En el caso de los Honeycomb comerciales, para su comercialización están especificados en pulgadas mediante el tamaño de la celda (1/8=3,175mm), material (5056) y espesor de lámina (0,003”=0,08mm) como por ejemplo 1/8-5056-0,003

Un valor de gran importancia para las celdas es la densidad relativa de estas respecto a un sólido del material, dado a que la densidad relativa es un valor directamente proporcional a la resistencia a la compresión. Este valor se calcula con el tamaño de la celda y el espesor de la pared (ecuación 1) (Gibson & Aschby, 1988 )

( 1.

2.4 Respuesta de un Honeycomb Hexagonal a condiciones de carga compresiva cuasi estáticas.

Los Honeycomb hexagonales tienen 3 direcciones de carga principales (Imagen 3). Donde la dirección es la dirección transversal, esta y son las caras, donde la aplicación de la fuerza se denomina in plane (en el plano) y out of plane (fuera del plano) se denomina la aplicación de la fuerza en el plano

En el caso de aplicar la fuerza en los planos se generan momentos flectores en los vértices de las celdas hexagonales (imagen 5a y 5b respectivamente) y en el caso de aplica la fuerza en el plano se generan esfuerzos axiales sobre las láminas generando pandeo en las paredes de la celda hexagonal (imagen 6).

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Imagen 4: Geometría característica un Honeycomb (Gibson & Aschby, 1988 )

Teniendo en cuenta la dirección de aplicación de las fuerzas se obtienen propiedades mecánicas diferentes, en el caso de aplicarla fuerza en la dirección el valor del módulo elástico se duplica y el de resistencia a la compresión es 20 veces mayor a que si se aplicara la fuerza en las direcciones (Gibson & Aschby, 1988).

Imagen 5: efectos en las celdas hexagonales por fuerzas aplicadas en los planos X1 (a) y X2 (b) ( Gibson

& Aschby, 1988 )

Según (Zarei y Sadighi, 2011) y (Wiersbicki, 1983) en el proceso de compresión por cargas para los Honeycomb hexagonales en el plano se destaca 3 etapas: Pandeo

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8

elástico (Imagen 6a): en esta primera etapa las paredes de los hexágonos se soportan entre si generando que el esfuerzo obtenido sea lineal, hasta alcanzar un esfuerzo máximo (punto P, imagen 6). Pasando este punto se presenta el Pandeo Plástico (Imagen 6b): en esta etapa las paredes del panel colapsan en forma periódica, generando un esfuerzo de compresión (esfuerzo de meseta) constante pero oscilatorio (línea Pm, imagen 6), en esta sección es donde se disipa la mayor cantidad de energía en el proceso, hasta el punto en que las celdas quedan completamente comprimidas entrando en la 3 etapa, 3. esta etapa es donde se densifica (Imagen 6c) el material obteniendo esfuerzos considerables para pequeñas deformaciones comportándose como un solido

Imagen 6: modelo de colapso de celda de un Honeycomb sometido a Cargas cuasi estáticas: a) pandeo elástico, b)pandeo plástico y c) densificación [basadas en las gráficas de (Gibson &

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9

2.5 Propiedades Mecánicas en Honeycomb Hexagonal

En el presente capitulo se describe con mayor énfasis los modelos teóricos que describen las propiedades de los Honeycomb Hexagonales,

2.5.1 Modelos del Módulo Elástico

La importancia del módulo elástico en la caracterización de los Honeycomb es tal, que existe una gran variedad de modelos que según los parámetros geométricos de la celda hexagonal dan un valor teórico aproximado del módulo elástico que debería tener la celda. Los primeros modelos desarrollados relacionan la densidad relativa con el módulo elástico de un salido para obtener el modulo del Honeycomb hexagonal estos son los modelos de Ashby (ecuación 2) (Gibson & Ashby, 1988) y el Burton-Noor (ecuación 3 ) (Burton & Noor, 1996)

√

El siguiente modelo propuesto por Zhu-Wang-Lu-Nurick (Zhu, Wang Guoxing, & Nurick, 2008) es basado en resultados experimentales de pruebas de compresión (ecuación 4)

( ) ( )

A diferencia del resto el modelo de Wiersbicki (Ecuación 5.) consultado tiene en cuenta el pandeo de los núcleos en contacto

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10

2.5.2 Modelo de Resistencia a la Compresión.

Los modelos teóricos para el cálculo a la resistencia a la compresión son varios, pero los modelos propuestos por Wierbicki son los de mayor uso y aceptación (Gibson & Aschby, 1988) (Marqués., Julio 2010), en los cuales se basan en la energía mínima para generar las condiciones de pandeo y el principio mínimo de plasticidad para Honeycomb hexagonales.

Los Honeycomb hexagonales cuando son sometidos a cargas de compresión se deforman generando en las paredes de las celdas pandeo elástico y plástico los cuales se describen según el modelo de Wiersbicki. Para el pandeo elástico se calcula la fuerza máxima soportada por la celda (ecuación 7) (P en la imagen 6) y el esfuerzo máximo en este punto (ecuación 8). Para el pandeo plástico se calcula la fuerza Promedio soportada por la celda (ecuación 9) (Pm en la imagen 6b) y el esfuerzo promedio en la etapa de pandeo plástico (ecuación 10)

( )

̅

̅ ( )

2.6 Materiales para la construcción de Honeycomb Hexagonales

Los paneles de Honeycomb están constituidos por las estructuras periódicas o nucleó y las caras (estas últimas no se utilizan para pruebas) por lo cual se debe seleccionar el material del cual van a estar compuestos y el adhesivo para unir las capas del núcleo.

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11 2.6.1 Materiales para el Núcleo

Los materiales utilizados para la fabricación de estructuras periódicas de mayor uso (Hexcel, 2005) son aquellas que su relación entre mejores propiedades mecánicas y menor peso sea la más alta para obtener características deseables, los materiales de mayor uso en el mercado son: el Aluminio (5052,5056), la Fibra de Vidrio, Fibra de Armida, Fibra de Carbono y Poliuretano y Keblar. Con un espesor máximo de 0,1 mm

2.6.2 Adhesivos para la Manufactura

Los adhesivos comúnmente utilizados para este tipo de aplicaciónes son de tipo estructural, según Higgins (Higgins, 2000) y Castaño (Castaño, 2011)se encuentran en el mercado mundial empresas como 3M (adhesivo 3M AF 163-2 y SW 9323 B/A 150), Hexel (adhesivo Redux 778 y 308/Na), Cytec (adhesivo FM 73) y Hysol (adhesivo Hysol EA 9330-1) y otros más, los cuales presentan una resistencia del esfuerzo cortante del rango de 27 MPa a 45 MPa lo cual es ideal para la construcción de Honeycomb Hexagonales Higgins (Higgins, 2000).

2.7 Métodos de Manufactura

En la actualidad se presenta gran variedad en los métodos para la fabricación de Honeycomb, para los cuales se tienen que tener en cuenta los factores geométricos y el material de construcción; dado a que, según estas condiciones el método de manufactura varia así como sus costos, como observa en la imagen 1 Anexo 1 (Bitzer, 1997). Por lo cual en este documento se enfocara en la manufactura de Honeycomb

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Hexagonales Metálicos, dado a la disponibilidad y costo para la producción de estas. De los procesos para manufacturar las celdas metálicas encontramos 2 metodologías principales: por expansión método HOBE (Honeycomb Before Expansion) y corrugado (método: continuo, no continuo y continuo-doblado)

2.7.1 Método HOBE

Este es el método más utilizado para para la fabricación de Honeycomb en la actualidad, este proceso inicia con el corte de láminas de aluminio de una dimensión predeterminada, posteriormente se aplica adhesivo en ciertas zonas y se adhiere una lamian encima, esto se hace repetidamente hasta terminar, el espesor (la distancia en la dirección ) está dada por el número de láminas utilizadas, terminado el proceso de unión entre las láminas. Luego de unidas las láminas se realiza un proceso de expansión (Imagen 7), este proceso se puede realizar en la misma fábrica donde se producen o en su lugar de destino dado a que comprimidas se ahorra espacio en el transporte.

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13 2.7.2 Método Corrugado Continuo

El método de manufactura por corrugado continuo hace referencia a el paso del material por medio de dos rodillos dentados con la geometría de celda deseada, corrugando el material perpendicularmente a la dirección del movimiento de la lámina a través de los rodillos. Las láminas posteriormente se cortan del tamaño deseado y se apilan alineando los medios hexágonos para poder así con el uso de algún adhesivo unir las láminas y generar el núcleo como en la anterior el número de láminas da el espesor en la dirección

Imagen 8: Manufactura de Honeycomb por el método de corrugado continuo. (University of Virginia, 2008)

2.7.3 Método Corrugado no Continuo

El método de manufactura por corrugado no continuo es muy similar al continuo, en este proceso se conforma el material pero mediante una matriz que se desplaza verticalmente en vez de rodillos, deformando el material en secciones. Este meto requiere más tiempo y un mejor control que el continuo pero permite tamaños de celda más grandes en su proceso que el continuo (Imagen 9)

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Imagen 9: Manufactura de Honeycomb por el método de corrugado no continuo. (University of Virginia, 2008)

2.7.4 Método Corrugado Continuo-Doblado

El concepto del método de corrugado continuo-doblado (corrugado C&D) se desarrolló a partir del concepto de nido de abeja y la producción de cartón corrugado (Pflug, Verpoest & Vandepitte, 2003) este tipo de producción hace referencia al paso de material por un troquel que corta zonas de la lámina, posteriormente es doblada mediante un troquel horizontal (corrugado paralelo a la dirección del movimiento) o rodillos (corrugado perpendicular a la dirección del movimiento ). Terminado el corrugado se empieza a doblar y pegar el material (Imagen 10) obteniendo en la estructura del núcleo celdas parcialmente cerradas

Imagen 10: Manufactura de Honeycomb por el método de corrugado continuo-Doblado. (Pflug, Verpoest & Vandepitte, 2003)

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Comparando los métodos propuestos anteriormente el método de corrugado no continuo da la posibilidad de generar geometrías diferentes a las celdas hexagonales y de mayor tamaño en comparación a las otras propuestas pero con la desventaja de mayor tiempo y mejores controles en su operación

Adicionalmente para todos los métodos mencionados anteriormente se requiere garantizar las condiciones de limpieza, temperatura, humedad y tiempo de curado de acuerdo al adhesivo utilizado, dado a que los parámetros mencionados anteriormente influyen en la etapa de adhesión en cada proceso y sin una correcta adhesión de las superficies, las propiedades finales que se esperan de un Honeycomb no se dan.

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3. METODOLOGÍA

En el presente capitulo se describe el proceso con el cual se llevó a cabo el desarrollo de los objetivos propuestos para este proyecto. Donde se ilustra el proceso de manufactura (materiales, diseño, herramientas), como segundo el procedimiento utilizado para la obtención de las propiedades del material utilizado y las propiedades características ya de los Honeycomb y por último el análisis numérico

3.2 Selección de materiales

La selección de los materiales se realizó en base a la investigación realizada y a la disponibilidad de los materiales que se encuentran en el mercado Colombiano. Comparando las listas de los materiales encontrados en la investigación y en el mercado, se concluyó que no todos los utilizados en la investigación no se encuentran en el mercado, por lo cual es necesaria la búsqueda de estos con características similares, los cuales se presentan a continuación

3.2.1 Materiales para el Núcleo

Los materiales escogidos para la fabricación del núcleo (Honeycomb) en la investigación son el aluminio 5052 o el aluminio 5056 especificado por Hexel (Hexcel,

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2005). El aluminio especificado para la construcción de las celdas se encuentra disponible pero el espesor de la lámina menor o igual a 0,1 mm necesaria para la producción de Honeycomb no se importa al país.

La construcción de los núcleos de las celdas requiere láminas con espesores , según este criterio se buscó en el mercado alguna clase de aluminio que cumpliera con dichas especificaciones. Buscando finalmente se encontró el aluminio con las características requeridas, este es: el Aluminio (1100-O) de 0,1mm y 0.15mm de espesor. Las propiedades relevantes del material que se encuentran en el anexo 2 fueron encontradas mediante pruebas de tención bajo la norma ASTM E345 (ASTM E345,2008) para probetas delgadas y comparadas con la base de datos Matweb (1996-2013) .

3.2.2 Adhesivos

La disponibilidad de adhesivos en el mercado es limitada para cumplir los requerimientos para la fabricación de los Honeycomb según lo investigado. Por lo cual se optó por utilizar adhesivos encontrados en el mercado, con propiedades similares a las necesitadas, estos son: de la compañía 3M tenemos 2 Cintas: cinta acrílica espumosa VHB 4945 y cinta recubierta de alto desempeño 9088FL (Primer de 3M 94) y un adhesivo de lámina 3M AF 163-2, 2 adhesivos líquidos, el primero de 3M DP100 y el segundo de Henkel Hysol EA 934NA

3.3 Características Honeycomb Hexagonales (Configuraciones)

Las características propuestas para cada configuración planteada se basaron inicialmente en el tamaño de celda. Esta característica de los Honeycombs se tomó a partir de la investigación realizada tomando los tamaños de celda de mayor uso comercial, le= 5/32” y 1/8”(3.96 y 3.17 mm respectivamente). La segunda característica

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tenida en cuenta fueron las dimensiones del Honeycomb; el espesor de las paredes de las celdas el cual es igual al de las láminas del material utilizado (t: 0,1mm y 0,15mm) y el ancho del arreglo es 30mm. Como ultimo parámetro, los métodos de manufactura elegidos para la construcción de celdas hexagonales son: el método HOBE y el método de Corrugado C&D. Para cada configuración propuesta se realizaron 3 arreglos, cada uno con 26 láminas de 62mm X 30mm.

3.3.1 Características Honeycomb Hexagonales método HOBE

Características Honeycomb configuración 1

Honeycomb configuración 2

Tamaño de la celda 5/32” (3,95mm) 5/32” (3,95mm) 5/32” (3,95mm)

Espesor de la lamina 0,1mm 0,1mm 0,1mm

Adhesivo 3M 4945 3M 9088 3M AF 163-2

Densidad relativa % 6,2 6,4 6,4

Tabla 1: HOBE Geometría 1 Honeycomb 5/32-1100-0,1mm

Tamaño de la celda 5/32” (3,95mm) 5/32” (3,95mm) 5/32” (3,95mm)

Espesor de la lamina 0,15mm 0,15mm 0,15mm

Adhesivo 3M 4945 3M 9088 3M AF 163-2

Densidad relativa % 8,7 9,4 9,4

Tabla 2: HOBE Geometría 2 Honeycomb 5/32-1100-0,15mm

Tamaño de la celda 5/32” (3,95mm) 5/32” (3,95mm)

Espesor de la lamina 0,1mm 0,15mm

Adhesivo Hysol EA 934 NA Hysol EA 934 NA

Densidad relativa % 6,4 9,4

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19

3.3.2 Geometría de los Honeycomb Hexagonales método corrugado continuo-doblado

Características Honeycomb configuración 9 Honeycomb configuración 10

Adhesivo 3M DP100 3M DP100

Densidad relativa % 7,9 6,4

Tabla 4: Corrugado C&D Geometría 5 Honeycomb ( 5/32 y 1/8)-1100-0,1mm

Características Honeycomb configuración 11 Honeycomb configuración 12

Adhesivo 3M DP100 3M DP100

Densidad relativa % 12 9,4

Tabla 5 Corrugado C&D Geometría 6 Honeycomb ( 5/32 y 1/8)-1100-0,1mm

3.4 Proceso de manufactura para Honeycomb Hexagonales

De los métodos de manufactura para Honeycomb hexagonales, los parámetros y materiales de construcción definidos se procedió a manufacturar las configuraciones propuestas. Las imágenes de las celdas construidas están en el Anexo 3

3.4.1 Método HOBE

El método propuesto para la construcción de Honeycombs es pionero en la Universidad de los Andes, y dado a que no se tiene información específica de la construcción de estos, se realizó un prototipo en papel, (imagen 11) donde se concluyó que: la expansión tiene que ser controlada, las celdas se forman por deformación plástica (no

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por estirado del material), el adhesivo tiene que tener dimensiones uniformes y si el adhesivo no se adhiere de forma adecuada a las superficies se generan rombos como se ve en la imagen 11.

Imagen 11: Test de Honeycomb hexagonales en papel

En general este método de producción es realizado actualmente por maquinas dirigidas a computadora y sensores de movimiento los cuales permiten gran precisión en el proceso de manufactura. Dado a esto, se fabricaron guías que permitieran precisión y calidad en los diferentes pasos de la construcción.

Corte de las láminas

Las láminas de aluminio se cortaron con dimensiones de 62mm x 30mm

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21

Terminado el proceso de cortado, el siguiente paso a seguir es la limpieza de las piezas ya que se requiere que la superficie este libre de impurezas para que la adherencia de el adhesivo sea la adecuada. En consecuencia se decidió llevar a cabo este proceso bajo la norma ASTM 2651-01(7,4,1 y 7,4,2) (ASTM D2651-01,2008) para aluminios.

Resumiendo el proceso de limpieza se sumergieron las láminas en una preparación de ácido sulfúrico y bicromato de sodio por 10 minutos, posteriormente se realizó un lavado sumergiendo las láminas en agua desionizada, lo cual se repite 2 veces, entre las repeticiones es necesario dejar pasar un tiempo de 5 minutos y terminadas las repeticiones las piezas deben ser secada por calor (horno a 73 °C por 5 minutos) o un papel anti pelusas dado a que papel o cualquier otro elemento puede dañar el trabajo realizado

Imagen 13: limpieza de las láminas

Hasta este punto los métodos con cintas doble cara y adhesivo liquido son iguales en su procedimiento.

3.4.1.1 Método con cintas doble cara 4945 y 9088

Después de la limpieza de las láminas, según el tamaño escogido para este tipo de manufactura (5/32”) se determinó el tamaño del pegante que es igual al ancho de la

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zona de adhesión (2 mm), definido esto se corta la cinta doble cara 4945 y 9088 en tiras de 2 mm (imagen 14)

Imagen 14: corte de adhesivos

Para obtener en la construcción de las celdas precisión y calidad, se mandaron a construir guías de acrílico (Imagen 15a) cuyas dimensiones (Anexo 4) permiten posicionar el adhesivo en cada lamina correctamente para crear los espacios adecuados para generar las celdas de 5/32”, además de esto se utilizó un limpiador de superficies y activador, Primer 94 de 3M. Las láminas recibieron 2 capas del Primer 94 dejando secar cada capa 5 minutos

Al término de la aplicación del Primer, el procedimiento a seguir fue ubicar la primera lamina en el interior de la guía, posteriormente se colocó el adhesivo de izquierda a derecha, dejando un espacio entre adhesivos (2mm) de 6 mm en la primera lamina, posteriormente se retiró el protector del adhesivo (Imagen 15 b) y se colocó la siguiente lamina, en este caso el adhesivo se colocó de derecha a izquierda generando que los adhesivos entre laminas quedaran separados por 2 mm de vacío como se ve en la imagen 15 d (Anexo 5).

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Imagen 15: Método de construcción HOBE cintas doble cara, (a) guía de posición, (b) adhesión entre planos, (c) celda antes de expansión, (d) celda expandida

Los pasos anteriores se repitieron hasta unir una totalidad de 29 láminas (Imagen 15 d), las cuales corresponden a un arreglo, en total se realizaron 3 arreglos por cada geometría (configuraciones 1, 2, 4, 5). Terminada la construcción de las celdas, el siguiente paso es pulir los extremos y la expandir controladamente los arreglos, generando las celdas hexagonales, (Ej: Imagen 15 d) (Anexo 3) de donde se descartan 3 láminas teniendo un total de 26 láminas expandidas por arreglo.

3.4.1.2 Método con adhesivo de lámina AF 163-2

En este caso se utilizó el mismo procedimiento para las cintas doble configuraciones 4945 y 9088 se cortó el adhesivo con las mismas dimensiones y se limpiaron las láminas. Según las propiedades del adhesivo que es un polímero termoestable es necesario el uso de temperatura para curarlo, esto genera que el adhesivo se expanda y se adhiera a regiones donde no se desea. Por lo cual se genera una matriz que

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permita solo la adherencia del adhesivo en zona de adhesión (2 mm) y una longitud de 30 mm.

Imagen 16: Método de construcción HOBE lamina de adhesivo AF 163-2, (a)matriz de vinilo (b) adhesión entre planos, (c) celda antes de expansión, (d) celda expandida

Por lo cual se decidió generar una matriz en vinilo que cumpliera dichas condiciones (Anexo 5), esta matriz de vinilo tiene un patrón a lo largo de la lámina comprendida por 7 franjas de 2mm y 6mm y una de 2 mm y 4 mm. Esta matriz se adhiere a las láminas de donde se retiran las franjas de 2 mm (Imagen 16a), de donde las franjas de vinilo son retiradas se limpia nuevamente con el primer 94 y se adhieren las tiras del adhesivo AF 163-2(Imagen 16b). Este procedimiento se realiza para cada arreglo de 29 láminas, para un total de 3 arreglos por geometría (Configuración 5 y 6) las láminas se colocan unas sobre otras con el mismo procedimiento de las cintas doble cara (imagen 16c)(Anexo 6).

Terminando la construcción de los arreglos se curar el adhesivo, para obtener las propiedades características de adhesión entre superficies. Para lo cual se utiliza la curva característica de curado del adhesivo (Peñaranda ,2013) (Anexo 7). Teniendo

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25

terminado el proceso de curado se procedió a pulir los extremos para obtener superficies paralelas y expandir los arreglos (imagen 16d)

3.4.1.3 Método con adhesivo liquido Henkel Hysol EA 934NA

En este método después de la limpieza de las láminas, dado a que el adhesivo es líquido no se puede controlar sus características geométricas como ocurre con los adhesivos sólidos, por lo cual se utiliza la matriz de vinilo utilizada para la lámina de adhesivo AF 163-2 la que permite dar al adhesivo liquido la forma de la zona de adhesión (2 mm) una longitud de 30 mm y un espesor de 0.05mm.

Después de adherir la matriz de vinilo a las láminas de aluminio, se retiran las franjas de 2 mm (imagen 17 a), se limpia y se esparce el adhesivo en la superficie de las láminas. Este procedimiento se realiza para cada arreglo de 29 láminas, para un total de 3 arreglos por geometría (Configuración 7 y 8) las láminas se colocan unas sobre otras con el mismo procedimiento de las cintas doble cara (imagen 17b) (Anexo 6).

Terminando el proceso de armado de esperan de 5 a 7 días para que el adhesivo cure completamente y tenga las propiedades deseadas, a continuación de pulen los extremos y a expandir el arreglo para obtener las celdas (imagen 17 c).

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Imagen 17: Método de construcción HOBE adhesivo liquido HenkelHysol EA 934NA (a) matriz de vinilo (b) adhesión entre planos, (c) celda antes de expansión, (d) celda expandida

3.4.2 Método de Corrugado Continuo-Doblado

El método de corrugado C&D propuesto permite generar diversas geometrías con mayor precisión, según esto para este caso se fabricaron celdas hexagonales de 1/8” y de 5/32”. Para la manufactura de las celdas se modificó, ya que el corte de los agujeros antes de doblar la lámina presenta 2 inconvenientes: el primero, el proceso se realiza manualmente y no hay la certeza de que se realicen los agujeros en el lugar correcto y la segunda, se generan concentradores de esfuerzos en las esquinas de corte. En consecuencia se dobló primero la lamian y a continuación se realizó el corte de los agujeros en la posición correcta. Según lo anterior se siguió el siguiente proceso de construcción.

Corte de las láminas

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Imagen 18: láminas cortadas y dimensión

Al terminar el proceso de corte, las láminas son corrugadas mediante un troquel horizontal paralelo a la dirección de movimiento (Imagen 19) (Anexo 8), en este caso se corrugan 6 láminas con el tamaño de celda 5/32” y 6 láminas con el tamaño de celda 1/8” (3 láminas de espesor 1mm y 3 láminas de espesor 1,5 mm para cada tipo de celda). Para el corrugado de las láminas con tamaño de celda de 1/8” y 5/32” se utilizaron los troqueles diseñados y fabricados por CASTAÑO (Castaño, 2011) y Echeverry (Echeverry, 2012)respectivamente.

Imagen 19: láminas cortadas y dimensión

62mm

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Terminado el proceso de corrugado, el material se midio y se cortaron los espacios (Anexo 9) de 4mm cada 30 mm para los 2 tipos de celdas (Imagen 20a). Terminado el conformado se realiza la limpieza del material donde se realiza el procedimiento ya propuesto para las láminas de método HOBE (Imagen 13). Siguiendo el proceso de construcción después de la limpieza, se empieza a doblar y pegar el material con el adhesivo DP100 de 3M (Imagen 20b), obteniendo la estructura del núcleo de celdas parcialmente cerradas (Imagen 20c). Este procedimiento se realiza para cada arreglo de 26 láminas dobladas, para un total de 3 arreglos por geometría (Configuración 9 a 12).

Imagen 20: Método de construcción corrugado C&D, superior (a), izquierda inferior (b), derecha inferior (c)

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3.5 Pruebas de Honeycombs a condiciones cuasi estáticas

Terminada la construcción de los Honeycomb hexagonales por los métodos definidos se realizó un ensayo de compresión a cada una de las probetas construidas (24 arreglos de 36 arreglos construidos) (imagen 21). Según la norma (Kahn, 2006), las dimensiones de las probetas deben superar los 50mmx50mm, este parámetro cumplió por todas las probetas. Las pruebas se realizaron en la máquina de ensayo universal Instron 3367 con la norma ASTM E9 con una tasa de deformación de 10mm/min.

Imagen 21: Prueba de Compresión (10mm/min)

3.6 resumen capitulo

Como resultado se obtuvieron 12 configuraciones distintas, para cada una de estas se manufacturaron 3 arreglos para un total de 36. De las configuraciones probadas fallaron en la expansión 12 arreglos.

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4. RESULTADOS Y ANÁLISIS

En este capítulo se presentaran los resultados, análisis y algunas comparaciones de los temas mencionados en los capítulos anteriores, inicialmente se presentan los resultados obtenidos del proceso de manufactura, continuando, los resultados de los modelos teóricos, y por último los resultados obtenidos de las pruebas de compresión.

4.2 Resultados de la construcción de celdas

En esta sección se presentan los resultado obtenidos del proceso de manufactura donde se analiza la calidad e las celdas construidas y los proceso de manufactura empleados

4,2,1 Calidad de las celdas construidas

De las configuraciones de Honeycomb propuestos por el método HOBE fueron construidos con éxito las configuraciones 1, 2, 4, 5 (tabla 6) y las configuraciones de Honeycomb propuestos por el método corrugado C y D fueron construidos con éxito, las configuraciones 9, 10, 11, 12(tabla 7) (fotografías de las celdas construidas Anexo 3).

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31 Características Honeycomb configuración 1 Honeycomb configuración 2 Honeycomb configuración 4 Honeycomb configuración 5

Tamaño de la celda 5/32”

(3,95mm) 5/32” (3,95mm) 5/32” (3,95mm) 5/32” (3,95mm)

Espesor de la lamina 0,1mm 0,1mm 0,15mm 0,15mm

Adhesivo 3M 4945 3M 9088 3M 4945 3M 9088

Densidad relativa % 6,2 6,4 8,7 9,4

Tabla 6: Configuraciones manufacturados por el método HOBE y probados

Características Honeycomb configuración 9 Honeycomb configuración 10 Honeycomb configuración 11 Honeycomb configuración 12

Tamaño de la celda 1/8” (3,17mm) 5/32” (3,17mm) 1/8” (3,95mm) 5/32” (3,95mm) Espesor de la

lamina 0,1mm 0,1mm 0,15mm 0,15mm

Adhesivo 3M DP100 3M DP100 3M DP100 3M DP100

Densidad relativa

% 7,9 6,4 12 9,4

Tabla 7: Configuraciones manufacturados por el método Corrugado C&D y probados

Las configuraciones 3, 6 y 7, 8 construidos por el método HOBE adhesivo AF 163-2 y Henkel Hysol EA 934NA respectivamente, sufrieron fallas en la expansión, existen múltiples factores que determinaron el comportamiento de los arreglos, uno de ellos fue adhesión sobre la superficie de la lámina de aluminio, la cual pudo ser causada por la rugosidad inadecuada de las láminas y la calidad de la limpieza(imagen 22 a), en el caso del adhesivo AF 163-2, fue curado sin la aplicación de carga compresiva, lo cual genera que el adhesivo no haya tenido contacto con la lámina superior generando una adherencia insuficiente con esta (imagen 22 b).

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32

Imagen 22: falla de celdas expandidas celdas e (10mm/min)

4,2,2 Calidad de los métodos de manufactura

Los métodos de construcción HOBE y corrugado C&D son calificados con diferentes parámetros mediante la escala de 1 a 5. Los parámetros utilizados para la calificación de la manufactura se definieron a partir de los parámetros que definen un sistema de producción (Quijano A). teniendo parámetros que califiquen y definan la conveniencia de un método.

Parámetros:

- Tiempo: rango del tiempo que se gastó en la construcción de una celda.

- Complejidad (manufactura): dificultad por número de pasos y herramientas que se tomaron para la construcción de una celda (definida por el constructor).

- Precisión en la manufactura: precisión tenida en cada uno de los paso (definida por el constructor), más el tamaño de celda construida.

- Valor del arreglo: rango de costos para la manufactura de una arreglo de: (aluminio utilizado + adhesivo, + limpiador de superficies + mano de obra +herramientas utilizadas)

- Residuos : perdidas por corte de material (aluminio) y por vencimiento en su utilidad (adhesivo) para la construcción de un arreglo

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33 Valores escala Valores Tiempo (manufactura) Complejidad (manufactura) Tamaño de celda

Precisión en

manufactura

Valores de

arreglo

($ kCOP)

Residuos

1 0 a 30 min Muy fácil 14mm a 6 mm Muy baja $ 0 a $10 Muy baja

2 30 a 60 min fácil 10mm a 6 mm baja $ 10 a $20 baja

3 60 a 90 min Medio 6mm a 4mm Medio $ 20a $30 Medio

4 90 a 110 min Difícil 4mm a 2mm Alta $ 30 a $40 Alta

5 110 a 140 min Muy difícil 2mm a 1mm Muy alta $ 40 a $50 Muy alta

Tabla 8: escala de valores cualitativos

Los métodos de manufactura HOBE y corrugado C&D son calificados con los parámetros mostrados en la tabla 8, caracterizados por un valor cuantitativo y cualitativo. En la tabla 9 se presentan los valores cualitativos para cada método y la suma de estos. Obteniendo como resultado un valor cualitativo para cada método indicando por un valor bajo de este número el método más conveniente

Método HOBE Corrugado C&D

Tiempo 2 5

Complejidad 3 4

Tamaño de la celda 5 5

Precisión 5 3

Costo 3 3

Desperdicio de material 1 2

Total 18 22

Tabla 9: parámetros de comparación de los métodos de construcción HOBE y corrugado C&D

4.3 Predicciones de modelos

En esta sección se presentan los resultados de los modelos teóricos calculados para cada uno de las configuraciones. Iniciando con el factor de corrección , posteriormente se presentan los resultados del módulo elástico seguido por los resultados de fuerza (región elástica y plástica) y por último el cálculo del esfuerzo máximo z de compresión

(45)

34 4.3.1 Factores de corrección

En esta sección se presentan los factores de corrección calculados para cada tipo de configuración según la relevancia del adhesivo en la geometría e integridad estructural de la celda (tabla 10). Este factor se asumió = 1 para los adhesivos con espesor menor a 0.2mm dado a que su valor calculado es despreciable, en caso contrario se calculó como se muestra en el anexo 10.

Tamaño de celda Espesor lamina Adhesivo F.C

5/32 0,1mm 9088, AF 163-2 y Henkel Hysol 1

0,15mm 9088, AF 163-2 y Henkel Hysol 1

1/8 0,1mm DP100 1

0,15mm DP100 1

5/32 0,1mm DP100 1

0,15mm DP100 1

5/32 0,1mm 4945 0,972

0,15mm 4945 0,925

Tabla 10: factores de corrección para adhesivos y geometrías

Como se observa en la tabla 10 los factores de corrección obtenidos para los adhesivos 9088, AF 163-2, DP 100 y Henkel Hysol EA 934NA son de la unidad dado a que estos adhesivos no hacen parte fundamental de la geometría, debido a que su espesor (< 0,2mm) es despreciable comparado con la longitud característica de la celda. Por ello no es determinante en el comportamiento estructural de los Honeycombs. Para el caso de el adhesivo 4945 tenemos un valor diferente a 1 lo cual indicas que su espesores influyente en el comportamiento estructural de la celda.

El factor de corrección es una corrección a los valores obtenidos teóricamente de modulo elástico, fuerzas, esfuerzo pico y esfuerzo de compresión, por lo cual para cada una de estas se dispondrá una tabla adicional para mostrar los valores teóricos corregidos, para la celda de 5/32 con t=0,1mm y 0,15mm.

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35 4.3.2 Predicciones de modelos de Elasticidad

Aplicando los modelos encontrados en el capítulo 3.3.1 { A) ASHBY AND BURTON, B) MERGHANI-DESRUMAUX-BNZEGGAGH, C) ZHU-WANG-LHU-NURIK y D) WIERSBICKI} y los factores de corrección del capítulo 4.2.1 (para las celdas de 5/32) tenemos como resultado los distintos módulos elásticos para cada uno de las configuraciones propuestos. Tamaño de celda Espesor lamina A. (MPA) B. (MPA) C. (MPA) D. (MPA)

1/8 0,1mm 5.498 2.192 591,13 59,75

0,15mm 7.665 3.146 1.039,15 190,73

5/32 0,1mm 4.452 1.753 423,98 30,08

0,15mm 6.240 2.517 744,56 97,14

Tabla 11: Módulos de Elasticidad teóricos utilizando los modelos A,B,C, y D y las diferentes geometrías

Tamaño de celda

Espesor lamina

A. B. C. D.

(MPA) (MPA) (MPA) (MPA)

5/32 0,1mm 4.327,32 1.703,92 411,21 29,23

0,15mm 5.772,01 2.328,23 688,20 89,75

Tabla 12: Módulos de Elasticidad teóricos A,B,C, y D con el factor de corrección

Al analizar los módulos se encuentra una divergencia entre los valores obtenidos para cada modelo propuesto (ASHBY AND BURTON-NOOR, ZHU-WANG-LHU-NURIK, MERGHANI-DESRUMAUX-BNZEGGAGH y WIERSBICKI) de 2 órdenes de magnitud (tabla8 y 9 ), por lo cual realizando el análisis adelantado de los valores obtenidos experimentalmente con lo cual se concluyó que el modelo de módulo elástico que más se aproxima a describir los resultados experimentales es el modelo de WIERSBICKI, realizando esto es posible la comparación de los resultados teóricos y analíticos para el módulo elástico

(47)

36

4.3.3 Predicciones de modelos de fuerza máxima (elástica y plástica)

las ecuaciones del capítulo 3.3.2 (7 y 9) son modelos dependen del área del Honeycomb construido, lo cual varia para cada prototipo construido dado a que depende mucho de la manufactura y no a la geometría propuesta, la manufactura de cada una de las celdas tiene un procedimiento diferente lo cual genera que el área varié, según esto los valores obtenidos de la fuerza máxima en la región elástica y plastia son característicos de los Honeycombs construidos y no de las geometrías por lo cual no son valores comparables.

4.3.4 Predicciones de modelos de esfuerzo máximo (elástica y plástica)

Aplicando los modelos encontrados en el capítulo 3.3.2 tenemos como resultado los esfuerzos pico y de meseta para cada una de las geometrías propuestas.

Tamaño de celda

Esfuerzo de meseta Esfuerzo máximo

(MPA) (MPA)

1/8 0,1mm 1,099 1,295

0,15mm 2,159 2,545

5/32 0,1mm 0,757 0,893

0,15mm 1,489 1,754

Tabla 13: Esfuerzo pico y de meseta teórico para los diferentes modelos y geometrías

Tamaño de celda

Esfuerzo de meseta Esfuerzo máximo

(MPA) (MPA)

5/32 0,1mm 0,736 0,867

0,15mm 1,377 1,623

(48)

37

4.4 Resultados Experimentales

En esta sección se presenta el resumen de los resultados experimentales de las configuraciones a cargas de compresión cuasi estáticas para cada uno de las configuraciones, el resultado individual de cada una de las pruebas de compresión se encuentra en el anexo 11.

4.4.1 Resultados método HOBE

Los resultados de someter las celdas construidas por el método HOBE a cargas de compresión cuasi estáticas se observa en la imagen 23, mostrando la secuencia de compresión y los fenómenos de falla y pandeo presentes en las celdas.

Imagen 23: Prueba de Compresión (prueba 2 C1) (10mm/min) configuraciones manufacturados por el método HOBE a) zona elástica sin pandeo, b) inicio pandeo plástico, c) pandeo plástico formación de

bucles a S d) densificación

a)

c)

b)

(49)

38

En la imagen 23 a) se observa el inicio de la prueba en donde la celda soporta la mayor cantidad de carga sin ninguna deformación permanente, es decir se encuentra en la zona elástica, esta región termina cuando el esfuerzo máximo resistido por la celda es superado, generando las primeras deformaciones plásticas produciendo pandeo en las paredes de la celda como se observa en la imagen 23 b). El fenómeno de pandeo de las celdas ocurre en varios puntos (Imagen 23 c), lo cual se traduce en una mayor absorción de energía generando que el esfuerzo de compresión se mantenga constante hasta la densificación (imagen 23 d).

Como resultado de las pruebas de compresión a las celdas manufacturadas por el método HOBE se obtienen las curvas de esfuerzo Vs deformación para cada una de las configuraciones (gráfica 1).

Grafica 1: curva característica de pruebas de compresión para configuraciones C1 y C2,C3 y C4 -0,2

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Esf

u

e

rzo

(

M

Pa)

Deformación (mm/mm)

(50)

39

Al analizar las curvas de esfuerzo Vs deformación obtenidas de las pruebas de compresión de las configuraciones (grafica1), presentan un comportamiento lineal hasta el esfuerzo pico, seguido de una leve disminución del esfuerzo, y manteniéndolo a un valor casi constante hasta la densificación de las celdas (teórico entre 0,6 y 0,8) , teniendo un comportamiento similar a la curva esperada teóricamente (imagen 6).

Tabla 15: resultados experimentales de los valores característicos de un Honeycomb para las configuraciones 1 y 2, 4 y 5.

Analizando los datos obtenidos en la tabla 15 se observan los valores (Modulo elástico, esfuerzo pico y esfuerzo de compresión) de las configuraciones con diferente adhesivo y la misma geometría 1 (4945) y 2 (9088), y respectivamente las configuraciones 4 (4945) y 5 ( 9088), se observa que las manufacturadas con el adhesivo 4945 presentan valores inferiores a los obtenidos para el adhesivo 9088 lo cual confirma la relevancia del adhesivo en la geometría e integridad estructural de la celda.

Prototipo 1 2 4 5

Módulo de elasticidad [MPa] (Desviación standard,[MPa]) 35,094 (9,657) 44,198 (12,266) 51,228 (13,559) 54,348 (12,103) Pico de esfuerzo [MPa]

(Desviación standard,[MPa]) 0,902 (0,063) 1,162 (0,106) 1,115 (0,12) 1,255 (0,043)

Esfuerzo de compresión [MPa] (Desviación standard,[MPa]) 0,591 (0,131) 0,701 (0,057) 0,682 (0,084) 0,654 (0,094) Deformación de densificación [mm/mm]

(Desviación standard,[mm/mm]) 0,657 (0,021) 0,672 (0,027) 0,652 (0,016) 0,649 (0,023) Pico de Fuerza [KN]

(Desviación standard,[KN]) 3,955 (0,448) 3,914 (0,145) 4,519 (0,0767) 4,015 (0,111) Fuerza resistencia a la compresión [KN]

(Desviación standard,[KN]) 2,597 (0,963) 2,253 (0,172) 2,746 (0,288) 2,095 (0,257)

celda 5/32 t=0,1mm celda 5/32 t=0,15mm

Promedio

Experimental Experimental

Promedio

(51)

40

Se observa en la tabla las configuraciones 1 (t=0,1mm) y 3 (t=0,15mm), y respectivamente las configuraciones 2 (t=0,1mm) y 3 (t=0,15mm), las cuales estan construidas con los adhesivo 4945 y 9088 respectivamente, se observa que las configuraciones con espesor de pared t= 0,15mm tienen mejores propiedades que los de pared delgada t=0,1mm

4.4.2 Resultados corrugado continuo y doblado

Los resultados de someter las celdas construidas por el método corrugado continuo y doblado a cargas de compresión cuasi estáticas se pueden dividir en dos comportamientos diferentes los cuales se observar en la imagen 24 para las configuraciones 9 y 10 y en la imagen 25 para las configuraciones 11 y 12, mostrando la secuencia de compresión y los fenómenos de falla y pandeo presentes en las celdas.

Imagen 24: Prueba de Compresión (10mm/min) configuraciones manufacturados método Corrugado C&D a) zona elástica sin pandeo, b) inicio falla por pandeo único, c) colapso de la celda d)

densificación.

a)

c)

b)

(52)

41

Para las configuraciones 9 y 10 se observa en la imagen 24 a) el mismo comportamiento que en las configuraciones construidas para el método HOBE hasta el esfuerzo máximo, donde al superar este, se genera una falla por pandeo único en las paredes del Honeycomb se ve en la imagen 2 b, lo cual se traduce en una absorción de energía mínima por parte de la celda. Este fenómeno provoca que la celda colapse (Imagen 24 c), generando que el esfuerzo de compresión disminuya drásticamente y no se estabilice hasta la densificación (imagen 24 d).

Para las configuraciones 11 y 12 se tiene el mismo comportamiento que para las configuraciones 9 y 10 en una de las pruebas, sin embargo se presenta otro comportamiento como se observa en la imagen 25.

Imagen 25: Prueba de Compresión (10mm/min) configuraciones manufacturados método Corrugado C&D 11 y 12 a) zona elástica sin pandeo, b) inicio falla por pandeo en varios puntos , c) colapso de la

celda por pandeo único d) densificación

a)

c)

b)

(53)

42

Para las configuraciones 11 y 12 se observa en la imagen 25 a) el mismo comportamiento que en las configuraciones construidas para el método HOBE hasta el esfuerzo máximo, donde al superar este se ve en la imagen 25 b) la generación de pandeo en varios puntos (en los extremos) hasta cerca del 50 % de la deformación generando que el esfuerzo decrezca linealmente sin estabilizarse hasta este punto, en donde al observar la Imagen 25 c) se puede observar que se genera una falla por pandeo único en las paredes del Honeycomb. Este fenómeno provoca que la celda colapse (Imagen 25 c), generando que el esfuerzo de compresión disminuya drásticamente y no se estabilice hasta la densificación (imagen 25 d).

Como resultado de las pruebas de compresión a las celdas manufacturadas por el método corrugado continuo y doblado se obtienen las curvas de esfuerzo Vs deformación para cada una de las configuraciones (gráfica 1).

Grafica 2: curvas características de pruebas de compresión para configuraciones C9, C10, C11 y C12

-0,5 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

0 0,2 0,4 0,6 0,8

Esf

u

e

rzo

(

M

Pa)

Deformación (mm/mm)

(54)

43

Para las configuraciones 9 y 10 se puede observar en la curva esfuerzo Vs deformación presenta un comportamiento lineal hasta el esfuerzo pico, seguido de una gran disminución en el esfuerzo, la cual se estabiliza en un valor muy inferior al valor de le esfuerzo pico y solo se incrementa hasta la densificación de las celdas.

Para las configuraciones 11 y 12 se puede observar en la curva esfuerzo Vs deformación presenta un comportamiento lineal hasta el esfuerzo pico, seguido el esfuerzo decrece linealmente con una pendiente mayor a la de los prototipos 9 y 11 sin estabilizarse hasta estar cerca del 50 % de la deformación. En este punto decrece drásticamente y estabiliza en un valor muy inferior al valor de le esfuerzo pico y solo se incrementa hasta la densificación de las celdas.

El comportamiento de las curvas de esfuerzo Vs deformación de las configuraciones 9, 10, 11 y 12 no son características del comportamiento normal de los Honeycombs.

Tabla 16: resultados experimentales de los valores característicos de un Honeycomb para las configuraciones 9 y 11 ,10 y 12.

Prototipo 9

t=0,1mm 11 t=0,15mm 10 t=0,1mm 12 t=0,15mm Módulo de elasticidad [MPa]

(Desviación standard,[MPa]) 32,313 (1,179) 41,824 (2,689) 27,822 (1,485) 36,757 (1,093) Pico de esfuerzo [MPa]

(Desviación standard,[MPa]) 2,344 (0,241) 2,627 (0,093) 2,289 (0,304) 2,537 (0,229) Esfuerzo de compresión [MPa]

(Desviación standard,[MPa]) 0,734 (0,134) 1,493 (0,917) 0,489 (0,07) 1,171 (0,533) Deformación de densificación [mm/mm]

(Desviación standard,[mm/mm]) 0,689 (0,02) 0,66 (0,01) 0,684 (0,014) 0,661 (0,009) Pico de Fuerza [KN]

(Desviación standard,[KN]) 5,195 (0,404) 3,662 (3,176) 5,043 (0,319) 5,318 (0,378) Fuerza resistencia a la compresión [KN]

(Desviación standard,[KN]) 1,636 (0,346) 3,144 (1,901) 1,076 (0,085) 2,458 (1,109)

celda 1/8 celda 5/32

Experimental Experimental

Promedio Promedio