El carbono es vital para la existencia de todos los organismos vivos, ya que forma la base de todas las moléculas orgánicas que, Sucesivamente, forman la base de todos los seres vivos. Si bien eso solo es bastante impresionante, Recientemente ha encontrado aplicaciones sorprendentemente novedosas en disciplinas como la ingeniería aeroespacial y civil con el desarrollo de fibras de carbono que son más fuertes, más rígido y más ligero que el acero. Como consecuencia, Las fibras de carbono se han apoderado del acero en productos de alto rendimiento como aviones, autos de carreras, y equipamiento deportivo.

Las fibras de carbono generalmente se combinan con otros materiales para formar un compuesto. Uno de esos materiales compuestos es el plástico reforzado con fibra de carbono (CFRP), que es bien conocido por su resistencia a la tracción, rigidez, y alta relación resistencia-peso. Debido a su gran demanda, Los investigadores han llevado a cabo varios estudios para mejorar la fuerza de los CFRP, y la mayoría de ellos se han centrado en una técnica particular llamada "diseño dirigido por fibra, "que optimiza la orientación de la fibra para mejorar la resistencia.

Sin embargo, el enfoque de diseño dirigido por fibra no está exento de inconvenientes. "El diseño dirigido por fibra solo optimiza la orientación y mantiene fijo el grosor de las fibras, impidiendo la plena utilización de las propiedades mecánicas del CFRP. Un enfoque de reducción de peso, que también permite la optimización del grosor de la fibra, rara vez se ha considerado, "explica el Dr. Ryosuke Matsuzaki de la Universidad de Ciencias de Tokio (TUS), Japón, cuya investigación se centra en materiales compuestos.

Contra la cortina, Dr. Matsuzaki, junto con sus colegas de TUS, Yuto Mori y Naoya Kumekawa:propusieron un nuevo método de diseño para optimizar la orientación y el grosor de la fibra simultáneamente según la ubicación en la estructura compuesta. lo que les permitió reducir el peso del CFRP en comparación con el de un modelo de laminación lineal de espesor constante sin comprometer su resistencia. Sus hallazgos se pueden leer en un nuevo estudio publicado en Estructuras compuestas .

Su método constaba de tres pasos:el preparatorio, iterativo, y procesos de modificación. En el proceso preparatorio, Se realizó un análisis inicial utilizando el método de elementos finitos (FEM) para determinar el número de capas, permitiendo una evaluación de peso cualitativa mediante un modelo de laminación lineal y un diseño dirigido por fibra con un modelo de variación de espesor. El proceso iterativo se utilizó para determinar la orientación de la fibra por la dirección de la tensión principal y calcular iterativamente el espesor utilizando la teoría de la tensión máxima. Finalmente, El proceso de modificación se utilizó para realizar modificaciones que tengan en cuenta la capacidad de fabricación creando primero un haz de fibras de base de referencia en una región que requiera una mejora de la resistencia y luego determinando la orientación final y el grosor colocando los haces de fibras de manera que se extiendan a ambos lados del haz de referencia.

El método de optimización simultánea condujo a una reducción de peso superior al 5% al ​​tiempo que permitió una mayor eficiencia de transferencia de carga que la lograda con la orientación de la fibra solamente.

Los investigadores están entusiasmados con estos resultados y esperan la implementación futura de su método para una mayor reducción de peso de las piezas CFRP convencionales. "Nuestro método de diseño va más allá de la sabiduría convencional del diseño compuesto, fabricación de aviones y automóviles más ligeros, que puede contribuir a la conservación de energía y la reducción de CO ₂ emisiones, "observa el Dr. Matsuzaki.