Design and Additive Manufacturing of Cellular Solids for Lightweight Hybrid Sandwich Structures

Abstract

El canvi climàtic amenaçador i la problemàtica manca de recursos s’han fet cada vegada més evidents en els darrers anys. Per a contrarestar aquest desafiament, enginyers i científics de tot el món lluiten per a aportar alternatives més eficients i respectuoses amb el medi ambient, especialment en les activitats industrials responsables de nivells significatius de contaminació, com els sectors del transport automobilístic, aeronàutic, aeroespacial i marítim. Millores en aquests i altres camps del present i del futur de l’enginyeria impliquen optimitzar les estructures per tal d’aconseguir components amb el rendiment desitjat, mentre es fa un ús més eficient i sostenible de les matèries primeres. Per aquest propòsit, les configuracions híbrides, com les estructures tipus sandvitx, són solucions altament competitives que la indústria ja ha adoptat i consolidat durant les darreres dècades. En aquest sentit, l’elecció de la configuració adequada és crucial per a assolir el rendiment desitjat d’un panell sandvitx. En particular, el material i la morfologia del nucli juguen un paper fonamental en el comportament de l’estructura. Per tant, la seva selecció esdevé una decisió estratègica.

La irrupció de les tecnologies de Fabricació Additiva (AM) que ha tingut lloc durant els darrers anys ha revolucionat molts sectors industrials, impactant directament en els processos de fabricació i el disseny de components. Aprofitant els seus infinits avantatges per a fabricar geometries de gran complexitat en comparació amb els processos de fabricació tradicionals, aquesta tesi doctoral té com a objectiu contribuir al disseny d’estructures híbrides tipus sandvitx més eficients, utilitzant nuclis cel·lulars lleugers construïts per Fabricació per Filament Fos (FFF).

Per a fer-ho, aquesta investigació s’ha desenvolupat abordant tres nivells d’estudi per a analitzar el rendiment del material, el disseny cel·lular i l’estructura híbrida de sandvitx consolidada. Els resultats presentats en les diferents contribucions científiques derivades d’aquest treball s’han validat analíticament, numèricament i experimentalment, i mostren el potencial dels patrons bidimensionals i tridimensionals considerats per a la fabricació d’estructures de sandvitx totalment funcionals, fent un millor ús dels materials. A més, els models numèrics i les equacions analítiques proporcionades, així com el programari lliure publicat per a la generació de dissenys cel·lulars, seran d’utilitat per a la realització de nous estudis en el camp de l’optimització de l’eficiència estructural.

Finalment, aquesta tesi ha posat de manifest algunes àrees d’evolució en la tecnologia FFF, com ara la presència d’imprecisions en les juntes de filament intra-capa i inter-capa en la fabricació de dissenys cel·lulars bidimensionals de parets primes, i les limitacions actuals en la reducció del gruix mínim d’aquestes parets. No obstant això, amb els progressos i els avenços en curs en el camp, aviat s’abordaran aquests inconvenients, portant a resultats encara més impressionants en un futur pròxim.

El cambio climático amenazante y la problemática falta de recursos se han hecho cada vez más evidentes en los últimos años. Con el fin de contrarrestar este desafío, ingenieros y científicos de todo el mundo están luchando para ofrecer alternativas más eficientes y respetuosas con el medio ambiente, especialmente en las actividades industriales responsables de niveles significativos de contaminación, como los sectores de transporte automovilístico, aeronáutico, aeroespacial y marítimo. Mejoras en estos y otros campos de la ingeniería actual y futura implican optimizar las estructuras, logrando componentes con el rendimiento deseado, mientras se hace un uso más eficiente y sostenible de las materias primas. Para este propósito, las configuraciones híbridas como las estructuras sándwich son soluciones altamente competitivas que la industria ya ha adoptado y consolidado durante las últimas décadas. En este sentido, la elección de la configuración adecuada es crítica para lograr el rendimiento deseado de un panel sándwich. En particular, el material y la morfología del núcleo desempeñan un papel fundamental en el comportamiento de la estructura. Consecuentemente, su selección se convierte en una decisión estratégica.

La irrupción de las tecnologías de Fabricación Aditiva (AM) que ha tenido lugar durante los últimos años ha revolucionado muchos sectores industriales, impactando directamente en los procesos de fabricación y el diseño de componentes. Aprovechando sus infinitas ventajas para fabricar geometrías de alta complejidad en comparación con los procesos de fabricación tradicionales, esta tesis doctoral tiene como objetivo contribuir al diseño de estructuras híbridas sándwich más eficientes utilizando núcleos celulares ligeros construidos por Fabricación por Filamento Fundido (FFF).

Para lograrlo, esta investigación se ha desarrollado abordando tres niveles de estudio con el fin de analizar el rendimiento del material, el diseño celular y la estructura híbrida de sándwich consolidada. Los resultados presentados en las diferentes contribuciones científicas derivadas de este trabajo se han validado analítica, numérica y experimentalmente, y muestran el potencial de los patrones bidimensionales y tridimensionales considerados para la fabricación de estructuras de sándwich completamente funcionales, haciendo un uso más eficiente de los materiales. Además, los modelos numéricos y las ecuaciones analíticas proporcionadas, así como el software de código abierto liberado para generar diseños celulares, serán de ayuda para realizar nuevos estudios en el campo de la optimización de la eficiencia estructural.

Finalmente, esta tesis ha manifestado algunas áreas de mejora en la tecnología FFF, como la presencia de imprecisiones en las uniones de filamentos intra-capa e inter-capa en la fabricación de diseños celulares bidimensionales de paredes delgadas y las limitaciones actuales para reducir el espesor mínimo de esas paredes. Sin embargo, con los avances y las innovaciones continuas en el campo, estas desventajas pronto se abordarán, lo que conducirá a resultados aún más impresionantes en un futuro cercano.

The threatening, cross-cutting climate change and the problematic lack of resources have become increasingly evident over the last few years. To counter this challenging situation, engineers and scientists worldwide are struggling to bring more efficient and environmentally friendly alternatives, especially to industrial activities responsible for significant contamination levels, such as the automotive, aeronautic, aerospace, and maritime transportation sectors. Hence, improvements in these and other fields of the present and the future of engineering involve optimizing structures, thus achieving components with the desired performance while making more efficient and sustainable use of raw materials. For this purpose, hybrid configurations such as sandwich structures are highly competitive solutions that the industry has already adopted and consolidated during the last decades. In this sense, choosing the appropriate arrangement is critical for achieving the desired performance of a sandwich panel. In particular, the core’s material and morphology play a fundamental role in the behavior of the structure since, apart from increasing its inertia by separating the two skins, it is responsible for supporting most of the shear stresses while decreasing the density of the whole panel. Consequently, its selection becomes a strategic decision.

The irruption of Additive Manufacturing (AM) technologies that occurred during the last years has revolutionized many industrial sectors, directly impacting manufacturing processes and components design. Taking advantage of its infinite advantages for fabricating high-complexity geometries compared to traditional manufacturing processes, this doctoral thesis aims to contribute to the design of more efficient hybrid sandwich structures using lightweight cellular cores manufactured by Fused Filament Fabrication (FFF).

To do so, this research has been developed by addressing three levels of study, in order to analyze the performance of the material, the cellular design, and the consolidated hybrid sandwich structure. The results presented in the different scientific contributions derived from this work have been validated analytically, numerically, and experimentally, and show the potential of the two- and three-dimensional patterns considered for the fabrication of fully functional sandwich structures, making better use of the materials. Furthermore, the numerical models and analytical equations provided, as well as the released open-source software for generating cellular designs, will be of help for conducting new studies in the field of structural efficiency optimization.

Finally, this thesis has shed light on some areas for improvement in the FFF technology, such as the presence of intra- and inter-layer filament joint inaccuracies in the manufacturing of thin-walled two-dimensional cellular designs and the current limitations in reducing the minimum thickness of those walls. However, with ongoing advancements and breakthroughs in the field, these drawbacks will soon be addressed, leading to even more impressive outcomes in the near future.