Optimización del proceso de manufactura para la fabricación y caracterización de Honeycombs evaluados bajo condiciones cuasiestáticas

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(1)OPTIMIZACIÓN DEL PROCESO DE MANUFACTURA PARA LA FABRICACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE HONEYCOMBS EVALUADOS BAJO CONDICIONES CUASIESTATICAS..

(2) OPTIMIZACIÓN DEL PROCESO DE MANUFACTURA PARA LA FABRICACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE HONEYCOMBS EVALUADOS BAJO CONDICIONES CUASIESTATICAS.. JUAN JOSE ECHEVERRY LOPERA. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ D.C 2012.

(3) OPTIMIZACIÓN DEL PROCESO DE MANUFACTURA PARA LA FABRICACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE HONEYCOMBS EVALUADOS BAJO CONDICIONES CUASIESTATICAS.. JUAN JOSE ECHEVERRY LOPERA. PROYECTO DE GRADO PARA OPTAR AL TITULO DE INGENIERO MECÁNICO. Asesor JUAN PABLO CASAS RODRIGUEZ. PhD.. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ D.C. 2012.

(4) A mis padres, por la paciencia que tuvieron en este largo camino, gracias a sus consejos, apoyo ilimitado y enseñanzas de vida me orientaron en el camino correcto para lograr cumplir esta nueva meta de mi vida. A mis hermanos por brindarme la posibilidad de contar con ellos en los momentos más difíciles de esta importante etapa, por la compresión, ayuda y amistad incondicional. A mis familiares, amigos y compañeros gracias por hacer que esta época tan difícil tuviera grandes momentos de felicidad.. 1.

(5) RESUMEN. Actualmente con la llegada de nuevas técnicas y materiales, se han implementado nuevos procesos de manufactura los cuales traen consigo la utilización de diferentes materiales compuestos en el campo de la ingeniería, como lo son las estructuras tipo sándwich o Honeycombs, que se caracterizan y destacan en el campo militar como piezas importantes. En el siguiente documento se detallaran los diferentes métodos de manufactura, características básicas y modelos teóricos que se destacan en la actualidad por ser los más usados y de mayor aceptación en el área de los honeycombs, los cuales se investigaron previamente a la realización de este trabajo. Este proyecto se basó en la optimización del proceso de manufactura en la fabricación de Honeycombs evaluados bajo condiciones cuasiestáticas, lo cual dio como resultado 12 prototipos de Honeycombs de diferentes características, diseñados y fabricados bajo los parámetros del método de manufactura corrugado no continuo.. 1.

(6) AGRADECIMIENTOS. Gracias a la colaboración, paciencia y sabiduría de mi asesor, Juan Pablo Casas Rodríguez. PhD, Profesor Asistente de la Universidad de los Andes, fue posible el desarrollo de este proyecto, ya que fue quien me guio y me ayudo sabiamente en las decisiones más importantes durante todo este proceso, es por eso que le rindo mis más sinceros agradecimientos a él. También quiero expresar mi gratitud un agradecimiento a todas aquellas personas que colaboraron en este proyecto, profesores, técnicos y personal administrativo quienes hicieron posible la elaboración de este; especialmente al personal de los laboratorios de manufactura por su inmensa colaboración.. 2.

(7) ÍNDICE Resumen………………………………………………………………..............1 Agradecimientos………………………………………………………………...2 1. Introducción…………………………………………………………………..9 2. Objetivos……………………………………………………………………..10 2.1 Objetivo Principal………………………………………………………….10 2.2 Objetivos específicos……………………………………………………..10 3. Antecedentes………………………………………………………………..11 4. Marco Teórico…………………………………………………………….…13 4.1 Aspectos básicos de la geometría de un honeycomb…………………13 4.2 Respuesta de un honeycomb bajo cargas axiales cuasiestáticas compresivas……………………………………………………………………..14 4.3 Modelos analíticos de los parámetros de la curva esfuerzo-deformación de un honeycomb………………………………………………………………17 4.3.1 Modelos del módulo de elasticidad……………………………………17 4.3.2 Modelo de la resistencia a la compresión……………………………18 5. Métodos de manufactura de honeycombs metálicos…………………...18 6. Metodología………………………………………………………………….22 6.1 Selección de las características de los honeycombs………………….22 6.2 Proceso de manufactura de honeycombs prototipo…………………..23 8. Análisis y resultados………………………………………………………..30 8.1 Predicción de módulos de elasticidad y resistencia a la compresión...30 8.2 Resultados pruebas de compresión cuasiestática…………………….32. 3.

(8) 9. Conclusiones…………………………………………………………………38 10. Recomendaciones…………………………………………………………39 11. Bibliografía………………………………………………………………….40 12. Anexos………………………………………………………………………41. 4.

(9) LISTA DE IMÁGENES. Imagen 1. Honeycomb comercial………………………………………………..9 Imagen 2. Hexagonal core……………………………………………………….12 Imagen 3. Flex-core……………………………………………………………….12 Imagen 4. Geometría de un honeycomb……………………………………….13 Imagen 5. Posibles direcciones de aplicación de carga axial sobre un honeycomb………………………………………….....14 Imagen 6. Modelo de colapso de la celda de un honeycomb sometido a cargas de impacto de baja velocidad…………………………….15 Imagen 7. Manufactura de honeycombs por el método HOBE…………….19 Imagen 8. Manufactura de honeycombs por corrugado continúo………….20 Imagen 9. Manufactura de honeycombs por corrugado no continúo……...20 Imagen 10. Dimensiones del troquel de 5/32’’………………………………...24 Imagen 11. Proceso corrugado de lámina para honeycomb tamaño de celda 5/32”…………………………………………………………..25 Imagen 12. Proceso corrugado de lámina para honeycomb tamaño de celda 1/8”……………………………………………..26 Imagen 13. Tiras de aluminio corrugadas………………………………….. 26 Imagen 14. Proceso limpieza de las láminas de aluminio………………….28 Imagen 15. Proceso de adhesión de los honeycombs……………………...29 Imagen 16. Honeycombs construidos………………………………………...30. 5.

(10) Imagen 17. Pruebas de compresión cuasiestática…………………………32. LISTA DE GRAFICAS Gráfica 1. Curva fuerza-deflexión típica de un honeycomb………………16 Gráfica 2. Densidades relativas para los diferentes tipos de honeycombs usados……………………………………………………….21 Gráfica 3. Módulos de elasticidad según los diferentes modelos utilizados..31 Gráfica 4. Resistencia a la compresión para los paneles utilizados……..34 Gráfica 5. Curvas esfuerzo compresivo Vs. deformación para los honeycombs tamaño de celda 1/8’’………………………………………….33 Gráfica 6. Curvas esfuerzo compresivo Vs. deformación para los honeycombs tamaño de celda 5/32’’…………………………………….34 Gráfica 7. Resultados para la prueba de compresión para probetas del honeycomb comercial probadas por CASTAÑO[1]……………………………36. 6.

(11) LISTA DE TABLAS. Tabla 1. Características de los honeycombs fabricados……………………...22 Tabla 2. Especificación de los diferentes honeycombs utilizados…………...31 Tabla 3. Parámetros de mayor importancia en las curvas Esfuerzo - deformación para los honeycombs de t=0.3mm y le=1/8’’……….33 Tabla 4. Parámetros de mayor importancia en las curvas esfuerzodeformación para los honeycombs de t=0.4mm y le=1/8’’……………………33 Tabla 5. Parámetros de mayor importancia en las curvas esfuerzodeformación para los honeycombs de t=0.3mm y le=5/32’’…………………..34 Tabla 6. Parámetros de mayor importancia en las curvas esfuerzodeformación para los honeycombs de t=0.4mm y le=5/32’…………………...34 Tabla 7. Comparación de los resultados de la resistencia a la compresión y del módulo de elasticidad…………………………………………………………37. 7.

(12) 1. INTRODUCCION La ingeniería mecánica es una profesión que actualmente tiene diversos campos de aplicación, como por ejemplo el caso de los materiales, los cuales han tenido un gran avance en la forma de procesarlos y obtenerlos; generalmente los materiales se dividen en tres grandes grupos los metales, cerámicos y polímeros. A pesar de estos tres grupos ya establecidos, alrededor de los últimos años se ha suscitado un interés predominante por las mezclas que se puedan obtener de los componentes nombrados anteriormente, es decir, materiales compuestos que se consiguen al combinar. dos. o. más. elementos. tradicionales. (metales,. cerámicos,. polímeros), y por supuesto dependiendo de su estructura final, dichas mezclas podrán estar en la capacidad de ofrecer muy buenas propiedades mecánicas y beneficios que otro material no podría satisfacer por si solo. Debido a la incursión de nuevos procesos e ideas de implementación de elementos se han creado técnicas de manufactura que permiten la utilización de materiales compuestos en aplicaciones de ingeniería, entre los materiales compuestos existen los llamados compuestos tipo sándwich con núcleo de celdas unitarias hexagonales o honeycombs; los cuales en su mayoría han sido implementados en labores de carácter militar, principalmente en vehículos, botes y aeronaves, debido a que propiedades como la rigidez a cambio de un bajo peso y su notoria capacidad de absorber energía le proveen a los honeycombs excelentes características y beneficios que lo hacen un material compuesto bastante llamativo para aplicaciones de ingeniería. Entrando en materia sobre uno de los elementos principales a tratar, se explicara en términos generales que es lo que se define como un honeycomb. Se puede precisar dicho elemento como una estructura con una. 8.

(13) configuración de hexágonos de paredes delgadas que están unidos entre sí, se puede relacionar a simple vista con un panal de abejas, estos distribuyen las cargas de compresión y tensión entre sus láminas exteriores con un núcleo en el centro que soporta los esfuerzos cortantes por flexión tal y como lo hace una viga en I. [NIDA core, 2012]. Imagen1. Honeycomb comercial. (Hexcel, 2005). Con respecto tanto a la parte académica como a la práctica durante el desarrollo de este proyecto de grado (Optimización del proceso de manufactura para la fabricación y caracterización de Honeycombs evaluados bajo condiciones cuasiestáticas.). se pretende diseñar e implementar un proceso de manufactura que cumpla con las siguientes características: se procurara que sea eficiente, rápido y económico, además debe permitir la realización de compuestos en sándwich con núcleo tipo honeycomb, para esto se necesitaran de láminas de aluminio de diferentes espesores, algunas de estas laminas se corrugaran con forma de hexágonos y posteriormente mediante el uso de adhesivos estructurales generar. estructuras. honeycomb. para ser. probadas bajo. diferentes. condiciones de carga, evaluando el efecto que tiene el espesor de la lámina y el tamaño de celda en las propiedades mecánicas de este tipo de estructuras.. 9.

(14) 2. OBJETIVOS 2.1 OBJETIVO PRINCIPAL Diseñar y construir una estructura tipo sándwich con núcleo honeycomb capaz de disipar la energía para diferentes condiciones de carga. 2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS . Generar un proceso de manufactura ágil y fácil de usar que permita la corrugación de láminas de aluminio disponibles en el mercado nacional para diferentes espesores de lámina.. . Utilizar un adhesivo estructural para realizar las uniones internas de los honeycombs.. . Probar y caracterizar los honeycombs bajo compresión cuasi estática.. . Comparar los resultados obtenidos con los honeycombs fabricados mediante el proceso diseñado contra uno distribuido comercialmente.. 10.

(15) 3. ANTECEDENTES Los compuestos en sándwich con núcleo tipo honeycomb, son materiales compuestos que en nuestra industria nacional poco se fabrican, aunque existen empresas con la infraestructura para hacerlo, el interés por este tema es reciente, aun así a nivel internacional existen algunas empresas como Hexcel y Nidaplast; que cuentan con catálogos para honeycombs de diferentes materiales y geometrías, lo que muestra que esta estructura en sándwich ya ha sido probada en otros lugares por lo que su credibilidad en cuanto a funcionamiento y usos prácticos es verídica y eficaz. En algunas industrias como la militar las estructuras de tipo sándwich se encuentran en auge debido a que son capaces de llegar a disipar la energía producida por una explosión. Generalmente su composición está dispuesta de la siguiente forma: consta de 3 elementos, dos placas delgadas, una estructura tipo honeycomb que realiza las veces de núcleo y es la encargada de resistir y trasmitir las cargas entre las placas, y un adhesivo responsable de transmitir esfuerzos cortantes y axiales en el núcleo. Principalmente los materiales más usados para la fabricación de los diferentes tipos de Honeycombs en las empresas que los desarrollan son: Fibra de vidrio, Aluminio (5052, 5056), Aramida y Kevlar, en diferentes espesores, densidades y configuraciones dependiendo del tipo de panel que se vaya a elaborar, por ejemplo en la compañía Hexcel entre sus variadas configuraciones de celda para los honeycombs se encuentra el Flex-Core el cual dentro de su composición tiene materiales como el Nomex y Fibra de vidrio, también se encuentra el Hexagonal-Core que se elabora tanto en materiales metálicos como no metálicos.. 11.

(16) Imagen 2. Hexagonal core [15]. Imagen 3. Flex-core [15]. En cuanto al tamaño de celda se encontró que normalmente los tamaños apropiados y más comunes para la manufactura de los Honeycombs son: 1/8”, 5/32”, 3/16” y 1/4", con respecto a los espesores de láminas estos son menores a 0.1mm. Las empresas escogen un tamaño de celda y un espesor de lámina que permitan obtener una densidad relativa apropiada que cumpla con los requerimientos para los que fue diseñado. Teniendo claro los materiales, tamaños de celda y espesores, es importante resaltar que el método de manufactura normalmente usado para la fabricación de paneles es el método HOBE (Honeycomb before expasion). Además de la información consultada se tuvo como referente para el desarrollo de esta tesis el proyecto de grado Construcción y evaluación de un honeycomb sometido a altas cargas bajo ondas de choque realizado por Juan Sebastián Castaño Bromberg[1], Como una guía o fuente de consulta adicional, ya que este trabajo fue pionero en el tema de los honeycombs metálicos en la Universidad de los Andes.. 12.

(17) 4. MARCO TEORICO 4.1 ASPECTOS BÁSICOS DE LA GEOMETRÍA DE UN HONEYCOMB. Imagen 4. Geometría de un honeycomb (University of Virginia; Zhu,Wang,Lu & Zhao,2008). En la imagen (4) se pueden apreciar las características y dimensiones básicas de un honeycomb, además de una celda unitaria cuyo tamaño de celda le=2l, a nivel comercial se especifican de la siguiente manera 1/8-11000.3, donde el primer número corresponde al tamaño de celda, el siguiente hace referencia al aluminio en que está construido el panel y por último se tiene el espesor de lámina; como parámetro aparte se define la altura del núcleo (h). Con el tamaño de celda y el espesor de lámina es posible obtener la densidad relativa del núcleo que sirve para especificación adicional del honeycomb.. La densidad relativa es un parámetro directamente proporcional a la resistencia de la compresión, para densidades relativas bajas se tendrán. 13.

(18) valores de resistencia a la compresión pequeños, por el contrario en el caso de densidades relativas altas la resistencia a la compresión aumenta. Otros factores como el incremento del espesor de la lámina o un tamaño menor de celda incrementará la densidad relativa y por lo tanto la resistencia a la compresión. 4.2 RESPUESTA DE. UN HONEYCOMB BAJO CARGAS AXIALES. CUASIESTÁTICAS COMPRESIVAS. Una carga cuasi estática se puede definir como una carga en cualquier dirección cuyos efectos son independientes del tiempo y de efectos inerciales, es decir se aplica lentamente. (Budynas & Nisbett, 2008). Imagen5. Posibles direcciones de aplicación de carga axial sobre un honeycomb. (Gibson & Ashby, 1988). Cabe resaltar que los módulos de elasticidad disminuyen del orden de un medio si la carga no se aplica en la dirección X3, mientras que la resistencia a la compresión crece 20 veces cuando se dan cargas perpendiculares al plano. .[Gibson & Ashby, 1988]. 14.

(19) En el caso de aplicación de cargas axiales en el plano X 1 y X2 se generan momentos flectores en los vértices de los hexágonos, por el contrario si se aplica una carga en el plano restante se generan condiciones de pandeo sobre las celdas unitarias, este pandeo es inicialmente elástico y posteriormente plástico. (Wiersbicki, 1983). Imagen 6. Modelo de colapso de la celda de un honeycomb sometido a cargas de impacto de baja velocidad (Zarei – Sadighi, 2011).. De acuerdo a la imagen anterior se puede observar que durante el fenómeno de pandeo plástico las paredes del panel comienzan a colapsar en forma periódica, lo que disipa la mayor cantidad de energía del proceso todo esto se cumple siempre y cuando el adhesivo que une las láminas internas no falle. En la grafica presentada a continuación se puede observar una curva típica fuerza vs. Deflexión para un honeycomb, donde es evidente la gran capacidad de absorción de energía en este tipo de estructuras, ya que a simple vista es posible notar un rango en el cual los valores de fuerza permanecen. aproximadamente. constantes;. 15. dicha. clase. de. curvas.

(20) generalmente son usadas comercialmente para evaluar el comportamiento de los paneles.. Gráfica 1. Curva fuerza-deflexión típica de un honeycomb. (HEXCEL, 2005). En de la parte lineal de la gráfica se puede obtener el módulo de elasticidad a compresión del honeycomb, al final de esta etapa se alcanza la fuerza máxima de compresión, debido a fenómenos de pandeo elástico los desplazamientos en esta zona son pequeños; posteriormente la curva tiene una caída a una meseta de fuerza que se le conoce como crush strength o compressive strength (Resistencia a la compresión σynúcleo) y finalmente la curva presenta un crecimiento que indica que el núcleo se ha densificado completamente y por lo tanto se empieza a comportar como un sólido.. 16.

(21) 4.3. MODELOS ANALITICOS DE LOS PARÁMETROS DE LA CURVA ESFUERZO-DEFORMACIÓN DE UN HONEYCOMB. A continuación se presentan los modelos que en la actualidad se usan para obtener y caracterizar los parámetros más relevantes en un honeycomb.. 4.3.1 MODELOS DEL MÓDULO DE ELASTICIDAD. Existen diversos modelos para el módulo de elasticidad de los honeycombs, ya que es de vital importancia puesto que estos modelos son necesarios para ayudar a caracterizar y tallar diversos materiales en el campo mecánico. El modelo de Ashby (Gibson & Ashby, 1988) y el Burton-Noor (Burton & Noor, 1996) son modelos que relacionan la densidad relativa con relación entre el módulo de elasticidad de un sólido y el de un honeycomb, los cuales se caracterizan por su simpleza al momento de emplearlos, por el contario el modelo. Merghani-Desrumaux-Benzeggagh. (Meraghni,. Desmaurux,. &. Benzeggagh, 1998) es un modelo principalmente geométrico lo cual lo hace un poco menos simple de los anteriores. El modelo propuesto por Zhu-Wang-Lu-Nurick (Zhu, Wang Guoxing, & Nurick, Some theoretical considerations on the dynamic response of sandwich structures under impact loading, 2008) solo tiene en cuenta modelos experimentales.. 17.

(22) ASHBY Y BURTON-NOOR. MERGHANI-DESRUMAUX-BENZEGGAGH. ZHU-WANG-LHU-NURIK. WIERSBICKI.. 4.3.2 MODELO DE LA RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN. Existen diferentes modelos que predicen la resistencia a la compresión de un honeycomb pero a nivel mundial el modelo de mayor uso y aceptación es el modelo propuesto por Wiersbicki (Wiersbicki, 1983) el cual se basa en la energía mínima para generar las condiciones de pandeo.. 5. MÉTODOS DE MANUFACTURA DE HONEYCOMBS METÁLICOS En la actualidad existen 3 métodos para realizar honeycombs, durante el desarrollo de este proyecto se utilizo el método de corrugado no continuo, ya que era el más adecuado de acuerdo a las capacidades físicas, prácticas y económicas que se tenían destinadas para el desarrollo de este proyecto.. 18.

(23) La escogencia de este método se debido a que con los otro dos no fue posible trabajar por las siguientes razones: El método de manufactura HOBE resultaba costoso y demandaba un nivel de tecnología con el cual no se contaba en el momento; Por otro lado con el método de manufactura corrugado continúo se tomo la decisión de no emplearlo ya que los espesores de lamina y el aluminio que se usaron para este trabajo no poseían las propiedades mecánicas adecuadas, que permitieran en el momento del paso de la lamina por los rodillos un corrugado apropiado en vez de cizallarse como posiblemente sucedería si se empleara este método.. Imagen 7. Manufactura de honeycombs por el método HOBE. (University of Virginia, 2008). Básicamente este método se lleva a cabo de la siguiente forma: En primer lugar las láminas de aluminio se deben cortar en una dimensión específica, después serán fijadas con adhesivos estructurales por medio de unas líneas cuya separación esta previamente definida, dependiendo del tamaño de celda del panel a construir. En segundo lugar después de que se hayan colocado y apilado las láminas necesarias se llevara a cabo la formación de bloques que posteriormente serán expandidos consiguiendo como resultado final la forma de un hexágono.. 19.

(24) Imagen 8. Manufactura de honeycombs por corrugado continúo. (University of Virginia, 2008). En este proceso se tienen unas tiras de una dimensión requerida las cuales atraviesan dos rodillos dentados que le dan la forma de medio hexágono al material usado. Después de este proceso las láminas se deben unir, asegurando que queden bien alineadas ya que al momento de juntar las piezas, estas unidas deben formar un hexágono completo.. Imagen 9. Manufactura de honeycombs por corrugado no continúo. (University of Virginia, 2008). 20.

(25) Las láminas en este proceso son corrugadas con una matriz la cual se desplaza en forma vertical. Este proceso se caracteriza por permitir tamaños más grandes en las celdas a diferencia de las manufacturas explicadas anteriormente. (Ver metodología) En todos los procesos descritos es necesario garantizar excelentes condiciones de limpieza, temperatura y tiempo de curado dependiendo del adhesivo que se esté usando, ya que entre mejor adhesión exista se tendrán mejores propiedades finales.. 21.

(26) 6. METODOLOGIA En el transcurso de este proyecto lo que concierne al desarrollo de los objetivos planteados y del producto final, se han presentado dos fases relevantes en el proceso de esta investigación las cuales son, en detalle las siguientes: La primera fase se planteó así, inicialmente se realizó la debida selección, diseño y adquisición de los materiales y las herramientas que se implementarían en este desarrollo. Posteriormente en la segunda fase tuvo lugar la fabricación, corte y corrugado del honeycombs. 6.1 SELECCIÓN DE LAS CARÁCTERISTICAS LOS HONEYCOMBS. Característica. Honeycomb Prototipo. Honeycomb Comercial. Tamaño de celda (le). 1/8” y 5/32”. 1/8”. Espesor de lámina (t). (0.3mm y 0.4 mm) (Aluminio 1100-O). (0.038 mm) (Aluminio 5052). Espesor de núcleo (h). (22.22 mm). (22.22 mm). Método de unión de láminas. Adhesivo epoxico (DP-100 clear 3M). Adhesivo estructural.. Tabla 1. Características de los honeycombs fabricados.. En la gráfica presentada a continuación se resumen las diferentes densidades relativas tanto para el panel comercial utilizado por CASTAÑO [1], como de los 4 diferentes tipos de paneles construidos, a simple vista es posible notar la diferencia de un valor de 3% para el panel comercial contra unos valores entre 20% y 30% para los honeycombs construidos, esta notable diferencia se debe a que el espesor de las láminas de la cual están. 22.

(27) construidos los núcleos es de dos órdenes de magnitud de diferencia por lo que se generan desigualdades en las propiedades de estos. 35.0%. DENSIDAD RELATIVA. 30.0% Comercial t=0.038mm, le=1/8''. 25.0%. Prototipo t=0.3mm, le=1/8'' 20.0% Prototipo t=0.4mm, le=1/8'' 15.0%. Prototipo t=0.3mm, le=5/32''. 10.0%. Prototipo t=0.4mm, le=5/32''. 5.0% 0.0% Gráfica 2. Densidades relativas para los diferentes tipos de honeycombs usados .. 6.2. PROCESO DE MANUFACTURA DE HONEYCOMBS PROTOTIPO Luego de seleccionar todos los parámetros y materiales a usar lo que se hizo fue diseñar un mecanismo para darle la forma que se requería a las láminas, para esto se fabricaron unos troqueles de acero AISI-SAE 1045 cuyas dimensiones permitieron el corrugado de las laminas obteniendo tamaños de celda de 5/32”, para esto se hizo uso del centro de mecanizado Fadal del laboratorio de manufactura de la Universidad de los Andes; Es importante tener en cuenta que debido a la geometría requerida fue necesario mandar a fabricar un buril adecuado con dimensiones especiales(ver anexos), por lo tanto se contrataron los servicios de la empresa HERPRAC LTDA; para el. 23.

(28) corrugado de las láminas con tamaño de celda de 1/8” se utilizo los troqueles diseñados y fabricados por CASTAÑO [1].. Imagen 10. Dimensiones del troquel de 5/32’’.. Plano utilizado para la fabricación de los troqueles con los cuales se llevo acabo el corrugado de la laminas de alumnio comercial 1100 que conforman los paneles o honeycombs de tamaño de celda 5/32’’ hechos en el proyecto. Al finalizar la construcción de los troqueles y luego de la fabricación de un mecanismo para mantener el troquel superior fijo al punzón de la prensa hidráulica se procedió a corrugar tiras de aluminio 1100 H14, para esto se cortaron láminas de 2.22 cm de ancho por 15 cm de largo, debido a que se necesitaba asegurar un ancho igual para todas las láminas, fue necesaria la. 24.

(29) intervención de una cortadora industrial para realizar esta labor de manera prolija y precisa. Las siguientes imágenes ejemplifican los procesos que se llevaron a cabo durante la fabricación y el desarrollo de los paneles tipo sándwich, iniciando con el proceso de corrugado de las láminas.. Imagen 11. Proceso corrugado de lamina para honeycomb tamaño de celda 5/32”.. En esta imagen se puede ver como se realiza el proceso de corrugado de una de las laminas empleadas para hacer los paneles, la cual tiene un tamaño de celda de 5/32”.. 25.

(30) Imagen 12. Proceso corrugado de lámina para honeycomb tamaño de celda 1/8”. Como en la imagen anterior en esta se puede ver el mismo proceso de corrugado de una lámina, pero en este caso se hace el procedimiento con las indicaciones adecuadas para que el tamaño de celda de esta lamina sea de 1/8”.. Imagen13. Tiras de aluminio corrugadas.. En esta imagen se puede apreciar cómo quedan finalmente las láminas después de haber pasado por el troquel, el cual las moldea con las dimensiones necesarias.. 26.

(31) Después de culminar el proceso de corrugado de cada una de las láminas a usar, para la fabricación de los paneles, el siguiente paso a seguir es la limpieza de dichas piezas, parte fundamental de este desarrollo ya que es de gran relevancia puesto que en la medida en que cada una de estas mantenga un nivel de limpieza adecuado la realización de los pasos posteriores no se verán afectados, es decir, es clave que cada una de las láminas este bien esterilizada para que el adhesivo con el cual van a ser unidas unas con otras, funcione con el óptimo desempeño. En consecuencia con las recomendaciones anteriores se decidió llevar a cabo este proceso bajo la norma ASTM 2651-01, dicha norma indica que el proceso se lleva a cabo así: inicialmente se limpian las láminas con acetona, luego por un lapso de 5 minutos se dejan en una preparación de tricloroetileno (vapor desengrasante),como paso siguiente se complementó la limpieza con un enjuague de agua desionizada, habiendo cumplido con los pasos anteriores, para culminar la preparación de las láminas fue necesario brindarles un tratamiento específico, que consta de ácido sulfúrico junto con bicromato de sodio, el cual es un método frecuentemente empleado en lo que respecta a la adhesión para diversos polímeros. La preparación empleada para este proceso se compone de la siguiente forma: 85 partes por peso de ácido sulfúrico, 5 partes por peso de bicromato de sodio y 10 partes por peso de agua des ionizada todo esto llevado a cabo en un entorno a temperatura ambiente. En resumen, básicamente lo que se hizo como tratamiento superficial fue introducir los sustratos de metal en la preparación de ácido sulfúrico por un espacio de 5 minutos, posteriormente con agua desionizada se realizó un lavado, luego se procedió a sumergir las láminas en una solución de. 27.

(32) bicromato de sodio, después de llevar a cabo todo lo anterior, es necesario dejar pasar 5 minutos para ser juagados nuevamente en agua desionizada durante 3 minutos; Para terminar, las piezas deben ser secadas en un horno 73 °C por un lapso de 4 minutos.. Imagen 14. Proceso limpieza de las láminas de aluminio. Luego de llevar a cabo la limpieza de cada una de las láminas ya corrugadas, es necesario comenzar la fase de unión y formación de los paneles para lo cual es necesario tener en cuenta los siguientes pasos: . Preparar de manera adecuada el adhesivo epoxico DP 100 clear 3M.. . Mezclarlo con las debidas herramientas, en este caso con la pistola aplicadora y la boquilla mezcladora vendidas por el fabricante 3M. (ver anexos). . Aplicar cuidadosamente el adhesivo en cada una de las uniones de las láminas.. 28.

(33) . Unir las láminas por los bordes donde se ha colocado el adhesivo para que se vayan pegando unas con las otras, dando finalmente una forma similar a la de un hexágono, para conseguir esta forma se emplearon ganchos de oficina que sostenían las láminas creando la presión adecuada la cual permitía que las láminas se mantuvieran unidas y fijas durante el tiempo de curado, ya unidas en bloques de a 2 se emplearon estas piezas para crear pequeños bloques de 4 láminas las cuales fueron nuevamente sujetadas con los ganchos de oficina.. Imagen 15. Proceso de adhesión de los honeycombs.. Finalmente, después de haber realizado la unión de las láminas corrugadas con el adhesivo es necesario dejar secar durante 48 horas, tiempo sugerido por el fabricante para que la calidad del proceso sea la adecuada, asegurando que cada uno de los paneles este bien adherido.. 29.

(34) 8. ANALISIS Y RESULTADOS. Luego de realizar el proceso de adhesión los 12 panales resultantes, quedaron aproximadamente con las siguientes dimensiones: 52x56 mm, lo cual resulto acorde con lo propuesto por kahn: “dimensiones mayores a 50x50 mm son recomendadas para probar honeycombs bajo cargas compresivas’’ (Kahn, 2006).. Imagen16. Honeycombs construidos. 8.1. PREDICCIÓN DE MÓDULOS DE ELASTICIDAD Y RESISTENCIA A LA COMPRESION. Utilizando los diferentes modelos descritos en la sección del marco teórico para el módulo de elasticidad y la resistencia a la compresión de los honeycombs se obtienen los resultados presentados a continuación:. 30.

(35) 1 2 3 4 5. Comercial t=0.038mm, le=1/8'' Prototipo t=0.3mm, le=1/8'' Prototipo t=0.4mm, le=1/8'' Prototipo t=0.3mm, le=5/32'' Prototipo t=0.4mm, le=5/32''. Tabla 2. Especificación de los diferentes honeycombs utilizados.. MODULO DE ELASTICIDAD (GPa). 25. 20 ASHBY Y BURTON-NOOR 15. MERGHANI-DESRUMAUXBENZEGGAGH ZHU-WANG-LHU-NURIK. 10. WIERSBIKI 5. 0 1. 2. 3. 4. 5. Gráfica 3. Módulos de elasticidad según los diferentes modelos utilizados.. Se observan claras discrepancias entre los resultados de cada modelo evaluados bajo un mismo tipo de honeycomb, esto se debe a que cada uno de los modelos se basan en diferentes parámetros tanto geométricos o experimentales para predecir el módulo de elasticidad, también es posible que estas diferencias se atribuyan a que los modelos no tienen en cuenta el comportamiento del adhesivo usado para las uniones internas, dado que el rendimiento máximo de cualquier núcleo solo se alcanza si las celdas no se separan. Tiendo en cuenta lo anterior cabe resaltar que es notoria la diferencia en la predicción de este parámetro a nivel mundial, lo cual evidencia que este tema está abierto a debate y nuevas investigaciones.. 31.

(36) RESISTENCIA A LA COMPRESION DEL NUCLEO (MPa). 25.00. 20.00 Comercial t=0.038mm, le=1/8'' 15.00. Prototipo t=0.3mm, le=1/8'' Prototipo t=0.4mm, le=1/8'' Prototipo t=0.3mm, le=5/32''. 10.00. Prototipo t=0.4mm, le=5/32'' 5.00. 0.00. Gráfica 4. Resistencia a la compresión para los paneles utilizados.. 8.2 RESULTADOS PRUEBAS DE COMPRESION CUASIESTATICA. Se llevaron a cabo 12 pruebas de compresión a paneles de 52x56mm con 22.2 mm de espesor. Dichas pruebas se ejecutaron en una máquina de ensayos universal con avance de 1mm/minuto. La expectativa era que la curva esfuerzo-deformación escalara de forma lineal hasta llegar a un pico o punto alto, para así obtener una leve caída y estabilizarse en una meseta conocida como la resistencia al aplastamiento o resistencia a la compresión, esta meseta culmina cuando el núcleo se densifica por completo y se consigue la curva de esfuerzo-deformación de los honeycombs fabricados.. Imagen 17. Pruebas de compresión cuasiestática.. 32.

(37) Gráfica 5. Curvas esfuerzo compresivo Vs. deformación para los honeycombs tamaño de celda 1/8’’.. Las probetas 1, 2, 3 corresponden a los honeycombs con espesor de lámina 0.3mm y las 4, 5, 6 tienen un espesor de 0.4mm.. PROBETA MODULO DE ELASTICIDAD (GPa) PICO DE ESFUERZO DE COMPRESION (MPa) RESISTENCIA A LA COMPRESION (MPa). 1. 2. 3. PROMEDIO. DESVIACION ESTANDAR. 0.75. 0.92. 0.79. 0.82. 0.09. 25.04. 26.46. 23.83. 25.11. 1.32. 3.30. 4.80. 6.40. 4.83. 1.55. Tabla 3. Parámetros de mayor importancia en las curvas esfuerzo deformación para los honeycombs de t=0.3mm y le=1/8’’.. PROBETA MODULO DE ELASTICIDAD (GPa) PICO DE ESFUERZO DE COMPRESION (MPa) RESISTENCIA A LA COMPRESION (MPa). 4. 5. 6. PROMEDIO. DESVIACION ESTANDAR. 1.12. 1.36. 1.24. 1.24. 0.12. 35.24. 33.38. 30.74. 33.12. 2.26. 6.90. 6.50. 6.40. 6.60. 0.26. Tabla 4. Parámetros de mayor importancia en las curvas esfuerzo deformación para los honeycombs de t=0.4mm y le=1/8’’.. 33.

(38) Grafica 6. Curvas esfuerzo compresivo Vs. deformación para los honeycombs tamaño de celda 5/32’’.. Las probetas 1, 2, 3 corresponden a los honeycombs con espesor de lámina 0.3mm y las 4, 5, 6 tienen un espesor de 0.4mm.. PROBETA MODULO DE ELASTICIDAD (GPa) PICO DE ESFUERZO DE COMPRESION (MPa) RESISTENCIA A LA COMPRESION (MPa). 1. 2. 3. PROMEDIO. DESVIACION ESTANDAR. 0.52. 0.76. 0.93. 0.74. 0.21. 15.28. 21.10. 22.99. 19.79. 4.02. 0.00. 3.60. 6.50. 3.37. 3.26. Tabla 5. Parámetros de mayor importancia en las curvas esfuerzo deformación para los honeycombs de t=0.3mm y le=5/32’’.. PROBETA MODULO DE ELASTICIDAD (GPa) PICO DE ESFUERZO DE COMPRESION (MPa) RESISTENCIA A LA COMPRESION (MPa). 4. 5. 6. PROMEDIO. DESVIACION ESTANDAR. 0.96. 0.92. 1.10. 0.99. 0.09. 29.48. 29.14. 29.13. 29.25. 0.20. 6.30. 5.40. 5.50. 5.73. 0.49. Tabla 6. Parámetros de mayor importancia en las curvas esfuerzo deformación para los honeycombs de t=0.4mm y le=5/32’’.. 34.

(39) Durante la fase de pruebas que se le hicieron a cada uno de los prototipos de paneles realizados para este trabajo, se pudieron ver resultados tanto esperados como no esperados, los cuales dieron paso a las siguientes deducciones y apreciaciones: Al momento de realizar las pruebas compresivas en los paneles ya construidos se presentó una falla de pandeo único, la cual no se esperaba, por lo que se llegó a la conclusión que esta anomalía se pudo presentar por diversos factores que probablemente se le atribuye al adhesivo utilizado debido a que este fallo antes llegar al esfuerzo de fluencia del aluminio empleado, causando dicha falla en el momento de la prueba. Entrando un poco más en detalle acerca de las expectativas y resultados que se obtuvieron de las pruebas realizados a los prototipos se pueden apreciar además de los sucesos narrados en el párrafo anterior otras particularidades importantes, que vale la pena destacar, ya que de esta manera se puede obtener algo así como un bitácora, que resuma las experiencias más relevantes que se consiguieron en el desarrollo de este proyecto con el fin de que se tenga la información y además un recuento proporcional de los hechos, por lo cual es pertinente la siguiente información: Se pudo observar que los paneles (prototipos) en todas las pruebas presentaron un comportamiento no lineal que en consecuencia se transformó en lineal a partir de 3 MPa de esfuerzo, teniendo en cuenta esto se vio que la conducta o el patrón persiste de manera lineal justo hasta escalar a un pico máximo, acto seguido cae, el valor de esfuerzo permanece variando entre valores aproximadamente constantes lo que se conoce como resistencia a la compresión o crush strength, posterior a esto el esfuerzo aumenta repentinamente y es allí donde el panel comienza a solidificarse.. 35.

(40) En primer lugar se consigue ver un comportamiento lineal tanto en lo teórico como experimentalmente, acto seguido se presenta una leve caída con respecto a la resistencia al aplastamiento, aun así esto no se presentó en las curvas experimentales ya que en las en ellas la caída es notablemente grande. Las diferencias que se presentan en cuanto al comportamiento se atribuye a que las teorías referentes al modelado del comportamiento honeycombs dan por hecho que el adhesivo no va a fallar, En suma el pandeo al cual ya no hemos referido anteriormente, debería ser con varios pliegues que representaran más o menos la forma de un acordeón puesto que como se piensa hipotéticamente el adhesivo no es problema, es decir, no fallara. No obstante y a pesar de esto, en la prueba realizada se evidencio un pandeo característico en el cual el núcleo se arqueo en el centro, por lo que siendo así, se tuvo la oportunidad de ratificar la escaza adición que el adhesivo proporciono.. Gráfica 7. Resultados para la prueba de compresión para probetas del honeycomb comercial probadas por CASTAÑO [1].. 36.

(41) En prototipos del honeycombs comercial probado por CASTAÑO [1], se puede ver una curva esfuerzo-deformación típica del comportamiento de los honeycombs bajo pruebas compresivas donde se nota una adecuada aproximación a la realidad, debido a esto se puede decir que el adhesivo no fallo en ninguna de las probetas. Tabla 7. Comparación de los resultados de la resistencia a la compresión y del modulo de elasticidad. TIPO DE RESISTENCIA A LA COMPRESION MODULO DE ELASTICIDAD (Gpa) HONEYCOMB (Mpa) TEORICO* EXPERIMENTAL DESVIA TEORICO** EXPERIMENTAL DESVIA CION CION EST EST Comercial 1.34 2.24 0.07 0.91 0.15 0.02 t=0.038mm, le=1/8'' Prototipo 12.29 4.83 1.55 7.66 0.82 0.09 t=0.3mm, le=1/8'' Prototipo 19.85 6.60 0.26 10.74 1.24 0.12 t=0.4mm, le=1/8'' Prototipo 8.44 3.37 3.26 6.00 0.74 0.21 t=0.3mm, le=5/32'' Prototipo 13.63 5.73 0.49 8.24 0.99 0.09 t=0.3mm, le=5/32'' *Valor calculado a partir del modelo de Wiersbicki (Wiersbicki, 1983) **Valor tomado a partir del promedio para los diferentes modelos utilizados para el modulo de elasticidad. 37.

(42) 9. CONCLUSIONES . Durante las pruebas de los honeycombs prototipos, se presentaron fallas, debido a esto, se concluyó que dichas anomalías radicaban en la fase de adhesión de los paneles, evidenciando la necesidad de mejorar este proceso principalmente en la escogencia del producto a emplear, para así mejorar el rendimiento del mismo, buscando dar el potencial requerido para llevar a cabo una adecuada fase de adhesión.. •. El desarrollo de este trabajo se siguió de manera cuidadosa y limpia como fue recomendado inicialmente para la fase de fabricación de los paneles, No obstante, a pesar de seguir debidamente sugerencias, los resultados. que. se. obtuvieron. no. fueron. los. esperados. en. los resultados de las pruebas compresivas. •. En la fase tanto investigativa como práctica del proyecto, se dio pie a la comparación de modelos teóricos con resultados experimentales usados anteriormente, lo cual permitió evaluarlos y ratificar su validez y veracidad.. •. Se pudo observar que la influencia que tiene el espesor de lámina y el tamaño de celda es notable, ya que mientras se tenga un mayor espesor de lámina o un menor tamaño de celda se incrementara la resistencia a la compresión, por el contrario si se tiene láminas de menor espesor y mayores tamaños de celda, ocurriría el efecto contraria, es decir, disminuye la resistencia a la compresión.. 38.

(43) 10. RECOMENDACIONES . A lo largo del desarrollo de este proyecto, teniendo en cuenta las experiencias obtenidas en la fase investigativa y práctica, se vislumbraron algunas recomendaciones que pueden ser provechosas para futuros proyectos en lo que respecta a la temática de los honeycombs y sus afines, a continuación se destacaran las recomendaciones primordiales:. . Sería beneficioso para el desarrollo de futuros prototipos evaluar la posibilidad de usar aluminios con mejores propiedades mecánicas y menor espesor, el cual no es comercializado a nivel nacional, por lo que se debería tratar de conseguir en el mercado internacional. No obstante esto encarecería el costo del proyecto, debido a esto esta es una recomendación la cual está sujeta a presupuesto y medios con los que cuenten en un futuro para los próximos trabajos.. . Es recomendable la utilización de adhesivos con mejores propiedades mecánicas, para lo cual sería bueno evaluar lo que ofrece el mercado en cuanto a estos productos, teniendo como una opción tentativa la importación de otro adhesivo que pueda mejorar las condiciones y el desempeño de la fase de adhesión en la elaboración de los paneles.. . Se podría llevar a cabo la implementación de un proceso de manufactura diferente al utilizado, como lo es el método HOBE, el cual permite controlar mejor la calidad de aplicación del adhesivo y además es posible trabajar con láminas de espesores menores, lo cual optimiza el desarrollo de los paneles, además de que permite controlar de una forma estandarizada la cantidad de adhesivo que se debe usar.. 39.

(44) 11. BIBLIOGRAFIA [1]. Castaño Bromberg, Juan S. (2012). Construcción y evaluación de un honeycomb sometido a altas cargas bajo ondas de choque. Bogotá D.C: Proyecto de Grado, Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad de los Andes. [2]. Wiersbicki, T. (23 de Marzo de 1983). Crushing analysis of metallic honeycombs. International Journal of applied engineering . Gran Bretaña: Pergamon Press. [3]. Meraghni, F., Desmaurux, F., & Benzeggagh, M. (15 de Octubre de 1998). Mechanical behaviour of cellular core for structural sandwich panels. Composites:Applied science and Manufacturing . Elsiever. [4]. Groover Mikel P., Fundamentals of Modern Manufacturing, Prentice Hall. [5]. SCHEY, John A. Procesos de Manufactura. Mc Graw Hill. Tercera Ed. [6]. Shukla, A., Ravichandran. G., & rajapakse, Y.D.(2010) Dynamic Failure of Materials and Structures. New York. [7]. Paik, J. K., Thayamballi, A. K., & Kim, G. S. (1999). The strength characteristic of aluminium honeycomb sandwich panels. Thin walled structures. [8]. Kahn, M. (25 de Abril de 2006). Compressive and lamination strength of honeycomb sandwich panels with strain energy calculation from ASTM standards. Pakistan. [9]. Burton, W., & Noor, A. (18 de Septiembre de 1996). Assessment of continuum models for sandwich panel honeycomb cores. [10]. Chi, Y. L., & Nurick, G. (15 de Septiembre de 2009). The influence of core height and face plate thickness on the response of honeycomb sandwich panels subjected to blast loading. Materials and Design . Elsiever. [11]. Zhu, F., Wang Guoxing, Z., & Nurick, G. (14 de Diciembre de 2008). Some theoretical considerations on the dynamic response of sandwich structures under impact loading. International Journal of Impact Engineering . Elsiever. [12]. Budynas, R., & Nisbett, K. (2008). Diseño en ingeniería mecánica de Shigley. México D.F.: McGraw Hill.. 40.

(45) [13]. University of Virginia. (2008). PERIODIC CELLULAR MATERIALS: MANUFACTURING. Recuperado el 1 de enero de 2012, de Intelligent processing of materials laboratory: http://www.ipm.virginia.edu/newres/pcm.manuf/ [14]. Gibson, L., & Ashby, M. (1988). Cellular solids: Structure and properties. Pergamon Press. [15]. Hexcel. (2005). HexWeb Honeycomb Attributes and Properties. [16]. NIDA Core. (2012). 3M Structural Honeycomb Core Materials. Recuperado el 10 de Febrero de 2012, de http://nida-core.com/english/ [17]. ASTM, A.S.f.T.a.M., Standard Guide for Preparation of Metal Surfaces for Adhesive Bonding ASTM D2651-01. 2008. [18]. Sarmiento Rivera C. Casas Rodriguez J.P., Análisis de uniones adhesivas con base de poliuretano sometidas a cargas cuasiestáticas y cíclicas. First International Conference on Advanced Mechatronics, Design, and Manufacturing Technology - AMDM 2012. [19]. Zarei Mahmoudabadi M, Sadighi M. A theoretical and experimental study on metal hexagonal honeycomb crushing underquasi-static and low velocity impact loading. Materials Science and Engineering: A.2011;528:4958-66. [20]. Bierman, J. M., Fabricación y evaluación de estructutras internas tipo honeycomb. Proyecto de grado. Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad de los Andes, Bogotá D.C., Colombia, 2003.. 41.

(46) 12. ANEXOS. Proceso de manufactura del troquel de 5/32”.. Herramienta utilizada para la fabricación de los troqueles.. 42.

(47) Tiras de aluminio 1100 O antes del proceso del corrugado. Troquel parte superior tamaño de celda 5/32’’.. 43.

(48) Troquel parte inferior tamaño de celda 5/32’’. Mecanismo de sujeción al punzón de la presa hidráulica. 44.

(49) Troquel montado en la prensa hidráulica. Presentación del adhesivo utilizado. 45.

(50) Pistola y boquilla mezcladora utilizadas para la aplicación del adhesivo. Honeycomb tamaño de celda 1/8’’ (Izq) Honeycomb tamaño de celda 5/32’’ (Der). 46.

(51) Honeycomb prototipo durante la prueba de compresión. Honeycomb prototipo después de la prueba de compresión. 47.

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