Los paneles compuestos que intercalan un núcleo interior poroso entre dos láminas exteriores sólidas se utilizan cada vez más en aviones para reducir el peso y mantener la rigidez estructural. Un estudio dirigido por A * STAR puede ayudar a otras industrias a aprovechar los beneficios de los paneles sándwich mediante el uso de la impresión tridimensional (3-D) para generar estructuras centrales optimizadas para diferentes cargas mecánicas.

Muchos paneles sándwich existentes tienen núcleos inspirados en las celdas hexagonales empaquetadas de manera eficiente dentro de las colmenas. Recientemente, Los investigadores han investigado estrategias para minimizar el peso de los núcleos mediante la construcción de estructuras en forma de celosía que se mantienen unidas por vigas delgadas conocidas como armaduras. Pero evitar que estas cerchas se deformen o pandeen prematuramente sigue siendo un desafío continuo.

Una forma sorprendente en que los ingenieros están abordando este problema es cambiando de armaduras normalmente rectas a otras con protuberancias, ondas, y otras características irregulares. "Las variaciones de diámetro permiten un engrosamiento local donde ocurren los momentos de pandeo más altos, mientras se reduce el grosor en otras áreas a lo largo de las cerchas, "explica Stefanie Feih del Instituto de Tecnología de Fabricación de Singapur (SIMTech) en A * STAR." Por lo tanto, podemos mantener la misma masa, pero aumente significativamente la resistencia al pandeo ".

En colaboración con investigadores de la Universidad Nacional de Singapur (NUS) y la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong (HKUST), Feih y sus compañeros de trabajo desarrollaron un método para identificar los tipos más fuertes de armaduras no uniformes. Lo lograron mediante el uso de técnicas matemáticas para caracterizar superficies complejas como variables simples:la suavidad de una superficie, por ejemplo, o la frecuencia de una forma recurrente. Luego, un algoritmo computacional calcula la resistencia al pandeo de diferentes armaduras geométricas, y sugiere candidatos basados ​​en los parámetros de diseño de entrada.

Lei Zhang, un doctorado estudiante de NUS que ayudó a dirigir el estudio, observa que con solo unas pocas variables para la optimización, este método se puede escalar fácilmente más allá de formas simples unidimensionales. Para demostrar esto, los investigadores modelaron una estructura 3-D, conocido como celosía de Kagome, donde las cerchas en forma de estrella tienen brazos que se extienden en seis direcciones diferentes. Sus simulaciones aislaron una estructura irregular con un 20% más de resistencia al pandeo que las cerchas uniformes del mismo peso.

Debido a que las tecnologías de fabricación comercial están orientadas a producir artículos uniformes, el equipo recurrió a la fabricación aditiva para generar un prototipo de panel sándwich a partir de la estructura de celosía de Kagome de forma óptima. El núcleo impreso en 3-D resultante validó las predicciones del modelo, preparando el escenario para futuras aplicaciones industriales.

"Los diseños actuales de estructuras de celosía no aprovechan al máximo las posibilidades de la fabricación aditiva, "dice Feih." Nuestro trabajo destaca el potencial de diseños multifuncionales personalizados, combinando, por ejemplo, requisitos mecánicos y térmicos en un solo componente ".