Mejora de cuasi

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 6929 (2023) Citar este artículo

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Los bloques de espuma de celda cerrada de aluminio se crean con un volumen de 1 pulgada3 y consisten en piezas de espuma de aluminio protegidas con parte de tubo de aluminio y, en algunos tipos, reforzadas con tubos internos de aluminio. Se han fabricado bloques para superar algunos problemas existentes en la espuma metálica utilizada para proteger algunas piezas de aplicaciones de impactos como parte de sacrificio. La espuma metálica tiene tres categorías principales: paneles sándwich, tubos rellenos y láminas onduladas. Se aplicaron pruebas de compresión cuasiestáticas en 12 bloques con diferentes formas y se compararon con bloques de espuma de aluminio puro como referencia. Los resultados muestran la mejora de las propiedades mecánicas de los bloques como el límite elástico (SY), la resistencia al aplastamiento (Sc) y la resistencia a la densificación (Sd), la compresión con deformación del 70%, así como la energía absorbida (área de compresión bajo la curva). El valor más alto de límite elástico (5,87 MPa) se registró para el bloque cúbico con falanges de dedos (FP: 0,1 pies cuadrados). Mientras que el valor más alto de resistencia a la densificación (21,7 MPa) se registró en el bloque de cilindros con columna vertebral (SV8—0,17 C25). Los resultados registrados para las muestras muestran que el valor más alto para la densidad de disipación de energía (Edd) es 40,52 J/in3 (aumento del 91 %) y la resistencia al aplastamiento (8,61 MPa) se registró para el bloque de cilindros Finger Phalanx (FP—0,17 C25). El valor más bajo para Edd es 14,16 J/in3 (menos que el valor del bloque de espuma de aluminio puro en un 33%), SY = 0,42 MPa, Sc = 3,21 MPa y Sd = 4,46 MPa, registrados para bloques de cilindros de canal auditivo de pared delgada (EC8— 0,075 C26,5). Las mejores propiedades mecánicas se lograron para el bloque de cilindros de falange de dedos (FP—0,17 C25) y el bloque de cilindros de columna (SV8—0,17 C25).

La espuma de aluminio (Al) se fabricó a mediados del siglo pasado. Se utilizó en muchas aplicaciones, como el soporte de algunas partes de automóviles y contenedores para absorber impactos y mejorar el aislamiento del sonido y el calor. La espuma de celda cerrada (ACCF) se considera un material prescindible en aplicaciones donde funciona como pieza de sacrificio que absorbe energía para proteger piezas o máquinas de impactos fuertes. A pesar de que existen varias formas, como paneles sándwich, tubos rellenos y láminas corrugadas que se utilizan en aplicaciones industriales, todavía enfrenta algunos desafíos como el alto costo de producción y el alto costo de fundición de piezas o tubos de llenado; después de los impactos, las piezas o láminas defectuosas son reemplácelo por uno nuevo como de costumbre si es posible, donde no se puede reparar, lo que genera un alto costo de mantenimiento (es decir, las piezas de espuma de aluminio cuando se exponen a esfuerzos de flexión por impacto se deformarán y deben reemplazarse por completo). La espuma de Al se utilizó en muchas aplicaciones, desde paredes y techos de edificios livianos (es decir, paneles sándwich de acero Al (SAS) y paneles sándwich de espuma de Al (AFS)) hasta resistencia a choques en automóviles.

La Figura 1 muestra algunas aplicaciones de piezas de espuma de aluminio que se utilizan para proteger los marcos de automóviles contra impactos. Además, los trenes usan espuma en zonas de deformación donde es liviana y tiene la capacidad de absorber alta energía durante el impacto. Las aplicaciones más importantes de la espuma metálica son las cajas protectoras que protegen el parachoques delantero de los coches. El tipo más común es un recipiente cilíndrico o poligonal lleno de espuma, como aparece en la Fig. 1e. Se han creado muchas formas y modelos para esta caja con diferentes técnicas, como agregar dos partes de espuma con diferentes tamaños de celdas donde la espuma con mayor tamaño impacta en la cara y luego se coloca la de menor tamaño (Fig. 1f) para mejorar la absorción de energía mediante el impacto gradual. absorción. El desafío que aún existe es el costo de mantener las piezas impactadas más el alto costo de fabricar este escudo con dimensiones limitadas controladas.

Algunas aplicaciones utilizadas de la espuma de Al (a) Piezas blindadas con espuma en automóviles1, (b) Blindaje del bastidor del automóvil con espuma, (c) Zona de desmoronamiento protegida con espuma en trenes, (d) Cajas de choque del parachoques delantero de un automóvil2, (e) Cilíndrico y cajas protectoras poligonales, y f) cajas protectoras con dos piezas de espuma con diferentes tamaños de celda3.

El material de espuma sólida se clasifica en (1) Materiales naturales como huesos humanos y animales, hueso esponjoso, hueso de sepia y coral. (2) materiales artificiales como espuma de acero, espuma de aluminio y algunos polímeros celulares4. Los ACCFB se inventaron a partir de componentes tradicionales para superar el costo de fabricación de espuma para formas no uniformes y el costo de mantenimiento para formas uniformes. Los huesos son el diseño óptimo creado por grandes creadores que combinaron hueso compacto y hueso esponjoso. Puede soportar tensiones y absorber mucha energía durante el movimiento. Lo sorprendente es la distribución precisa de las dimensiones de los huesos, que se consideran un grupo de bloques que tienen tamaños limitados y esto hace que cada parte pueda aplicar su función de manera fácil.

Se han simulado tres categorías con espuma de aluminio con diferentes formas y distribución de dimensiones para el mismo volumen (1) Bloques de falange de los dedos donde, en casos reales, al recolectar las falanges de los dedos en posición de golpe, los huesos podrán aumentar su absorción de energía de 4 a 5 veces. (2) Bloques de columna que pueden ahorrar alambres o cables costosos y pueden controlar el ángulo de flexión colocando espaciadores flexibles entre los huesos de la columna que simulan discos en realidad. La columna protege la médula espinal de los impactos a pesar de su movimiento flexible en el cuerpo. (3) Los bloques del canal auditivo también pueden proteger cables costosos como los bloques de columna, pero con las mismas condiciones alrededor de su superficie. La Figura 2 muestra la formación del hueso de la falange del dedo, la fotografía y la sección transversal de la columna lumbar, el canal auditivo colocado en el cráneo y la sección transversal del mismo y la sección transversal del hueso del fémur. Desde el punto de vista mecánico, los músculos, las grasas y la piel se consideran materiales amortiguadores que ayudan a reducir el impacto del estrés en los huesos.

(a) Anatomía de la mano, formación del hueso de la falange5, (b) Columna vertebral (vértebras lumbares)6, (c) Estructura y componentes del canal auditivo6,7, y (d) Sección frontal del hueso del fémur7.

Los problemas podrían derivarse del alto coste de producción y mantenimiento de la espuma y del alto aislamiento térmico, lo que resulta perjudicial para algunas aplicaciones. Por lo tanto, los bloques están hechos para simular algunas ideas de huesos en el esqueleto humano, como los huesos de la falange de los dedos, la columna vertebral (vértebras) y los huesos del canal auditivo en el cráneo. La idea de esta investigación surgió de la meditación sobre los huesos del esqueleto donde los huesos se crean a partir de espuma de calcio (hueso esponjoso) protegido con una capa dura de calcio (hueso compacto) y en ocasiones los huesos se refuerzan con huesos compactos dentro de su parte según la función y las tensiones aplicadas que creado para soportarlo como los huesos del canal auditivo y los huesos de la columna.

Las ventajas de la espuma de Al son una alta absorción de energía a través de la deformación plástica, una excelente amortiguación de vibraciones, aislamiento térmico y acústico para una densidad superior a 400 kg/m3 y puede reciclarse. Las ventajas de los ACCFB son: disponibilidad de tubos en el mercado tradicional en diferentes materiales, tamaños y espesores, además, la espuma se puede elegir según su tipo, densidad y tamaño de celda. Los ACCFB consisten en espuma de aluminio que simula el hueso esponjoso y pequeñas partes de tubos de Al para simular escudos óseos compactos. Todos los tubos tienen formas rectangulares y circulares para escudos exteriores y tubos circulares de refuerzo interior con tubos de pequeño diámetro de 8 y 10 mm.

La espuma de aluminio es un material compuesto definido como un caso especial de metales porosos donde una espuma sólida se origina a partir de una espuma líquida en la que las burbujas de gas están finamente dispersas en un líquido con tamaños semiiguales. La densidad relativa del metal poroso (Prel) no debe ser superior al 70%. La espuma metálica en común puede llegar al 30%8. Tenga en cuenta que una mayor densidad de la espuma significa que la rigidez aumenta y la capacidad de absorción de energía disminuirá.

La espuma se define como una aleación amorfa según su estructura cristalina, donde los átomos no tienen oportunidad de formar una red cristalina y solidificarse de manera desordenada debido a la formación de burbujas de espuma. Las células espumosas constan de paredes celulares, bordes de meseta y nodos (ver Fig. 3). Pared celular: separa dos burbujas de gas en una longitud aproximada del diámetro de la burbuja y muestra una curvatura que es mucho más pequeña que la curvatura media de las dos burbujas. Generalmente, el espesor medio de la pared celular es mucho menor que el diámetro de la burbuja. Bordes de meseta: definidos como las intersecciones de los muros. Nodos: son uniones de al menos los cuatro bordes de la Meseta, nodos que se forman cuando los bordes de la Meseta se desordenan y forman una red9.

(a) Espuma de Al de celda cerrada producida por la ruta precursora con TiH210 y (b) Componente de celdas de espuma.

Los datos de fabricación y las propiedades de la espuma de Al utilizada en los ACCFB, que concluyen el tipo, la composición química (material base, material de refuerzo, precursor), el tamaño de celda, la densidad y la resistencia a la compresión al 70% de deformación se enumeran en la Tabla 1. Para garantizar que todas las muestras tienen las mismas propiedades, todos los bloques se han cortado de una hoja de espuma de Al con una densidad de 400 kg/m3 y un espesor de pared en el rango de 0,2 a 0,23 mm. La Figura 4 muestra los procedimientos para producir espuma de Al mediante fabricación: fundir la matriz de aluminio puro a 680 °C, luego agregar material espesante (1,5% en peso de Ca) y mezclarlo con aluminio fundido, luego transferir la mezcla de fundición del horno de fundición al horno de espuma para viscosificación y proceso de formación de espuma agregando agente espumante (1,6% en peso de TiH2) y mézclelo con un impulsor giratorio. La masa fundida se descompone bajo la influencia del calor y libera gas hidrógeno. Como resultado, la espuma se expande y llena el molde en 15 a 20 min. Después de que el molde llegue al tamaño de celda especificado, el proceso de enfriamiento comenzará con aire o agua después de que la losa esté lista para serrarse de acuerdo con las dimensiones requeridas11,12.

Procedimientos de fabricación de espuma de Al de celda cerrada.

Los tubos de aluminio están disponibles en las dimensiones tradicionales del mercado que se enumeran en la Tabla 2. La composición química y la designación se enumeran en la Tabla 3, que coincide con la norma DIN EN 755-2—AS/NZS 186613. La Figura 5 muestra la fotografía de los tubos de Al que tienen ha sido usado.

Tubos huecos de aluminio 6060.

ACCFB fabricados con herramientas de mecanizado (es decir, sierra, limas, taladro y martillo de goma) para piezas de tubos y espuma de Al, los bloques se ensamblaron de acuerdo con las dimensiones diseñadas y se utilizó metal adhesivo epoxi en los extremos de los bloques para confirmar que las piezas se ensamblaron bien. juntos. En realidad, existen dos métodos para fabricar bloques, como aparece en la Fig. 6. El primer método es mecanizar tanto las piezas de espuma de Al como los tubos y luego ensamblarlos mediante un martillado suave14. El segundo método consiste en acumular espuma dentro del perfil de los tubos mezclando primero el material de la matriz pulvimetalúrgica, el agente espumante (TiH2 o ZrH) y aditivos (Mg, Si, etc.), luego se compacta en frío y luego se extruye en caliente a aproximadamente 400-480 °. C. De este modo, el agente espumante se distribuye uniformemente y se incrusta de forma estanca a los gases en la matriz metálica. El proceso de extrusión es útil para ayudar a romper las películas de óxido en la superficie de los polvos metálicos, lo que facilita la consolidación. El producto puede considerarse como un material precursor, no muy lejos de su densidad total pero fácilmente convertible en espuma. Esta conversión se realiza simplemente calentando el precursor a una temperatura a la que la aleación es líquida. El agente espumante desprende gas, creando así una espuma que se estabiliza mediante partículas de óxido muy finas distribuidas uniformemente por todo el precursor después de la extrusión. Después de fundir y formar espuma, el panel de espuma se enfría rápidamente para evitar el colapso de la estructura de espuma15. Aunque el segundo método producirá bloques más resistentes y tendrá un costo total de fabricación más económico que el primer método, es adecuado y más confiable para la producción en masa y piezas precisas como prótesis. El primer método es fácil, general y ofrece variedad de uso, donde se puede seleccionar cualquier tipo de espuma con las propiedades requeridas16, y la selección de tubos con diferentes dimensiones es fácil de realizar por parte del hombre común con un número de bloques limitado según las necesidades.

Ilustración esquemática de la fabricación de tubos rellenos de espuma de (a) relleno de espuma in situ externo y (b) in situ interno.

Se han elaborado veinte muestras del ACCFB como aparece en la Fig. 7. Se han seleccionado doce de ellas para aplicar la prueba de compresión lateral (cuasiestática) y comparar los resultados con el bloque de espuma pura para especificar los valores de mejora. Las muestras simulan cuatro categorías de huesos: bloque de espuma pura, falanges de los dedos, columna y canal auditivo con diferentes formas (cubo, paralelogramo y cilíndrico), como aparece en la Tabla 4. Se aplicó una prueba cuasiestática y todos los datos de la curva se escalaron a área cm2.

Muestras de Bloques de espuma de Aluminio con tamaños limitados.

Se han aplicado ensayos de compresión cuasi estática en la máquina de ensayos universal (WDW-300 KN, China). La velocidad de prueba fue de 1 mm/min. Se aplicó el ensayo de compresión de espuma de aluminio de acuerdo con la norma “DIN 50.134:2008-10” de “Ensayos de materiales metálicos – Ensayo de compresión de materiales celulares metálicos”20. Donde la deformación por compresión (Ɛ) es igual al cambio de longitud / longitud original.

Todos los tipos de espuma de aluminio en pruebas de compresión cuasiestáticas tienen regiones de colapso plástico con deformación entre 65 y 75%. Depende de la densidad relativa, el tamaño de la celda y la composición del material de la matriz de espuma. Por lo tanto, todas las categorías de ACCFB se han probado con una tensión del 70 %. Hay dos tipos de criterios de absorción de energía, que son la capacidad de absorción de energía específica (Es) y la absorción de energía volumétrica (Edd). Es se puede definir como la energía total absorbida por unidad de masa y es un índice de rendimiento utilizado para medir la capacidad de un material para absorber energía de una carga impactante. Se define como la relación de energía máxima que puede ser disipada por una unidad de masa de espuma (mf) y Ea se describe como la energía potencial de absorción que es igual al área bajo la “curva tensión-deformación”21,22.

La capacidad de absorción de energía también se puede expresar en términos de la resistencia promedio al aplastamiento de la espuma, (Sc), que se define en la espuma: tensión a la que comienza el colapso plástico continuo. Entonces, en una variedad de deformaciones de la espuma. Es se puede calcular utilizando las curvas tensión-deformación producidas por las pruebas, suponiendo que se logra una carga uniforme.

donde V es el volumen del bloque de espuma (cm3), Vc es el volumen comprimido del bloque de espuma (cm3), d es la deformación de la espuma, Vc/V (adimensional), ρ es la densidad de la espuma (gm/cm3).

La densidad de disipación de energía estática de las espumas (Edd) es un índice útil para medir las propiedades de absorción de energía de la espuma de aluminio. Ésta es la energía máxima que una unidad de volumen de espuma puede absorber debido al impacto8.

Se eligió que el volumen de los ACCFB fuera de 1 pulgada3 para estudiar la cantidad de absorción de energía debido a la redistribución de dimensiones en diferentes formas geométricas. Alguna entidad puede tener pruebas sólidas de impacto aplicadas en el área afectada como tenacidad al impacto de metales sólidos o compuestos (es decir, prueba Charpy o pruebas Izod), pero en absorción de energía real en materiales de espuma definidos generalmente por Edd.

En realidad, el impacto se define en mecánica de materiales como un esfuerzo de flexión dinámico debido a su velocidad. Los bloques se ven afectados por muchos factores como la distribución de la fuerza aplicada en la forma del bloque, la rigidez y la resistencia de los tubos, la absorción de energía tanto de los tubos como de la espuma. En una prueba cuasiestática, la espuma se comprimirá mientras que los tubos se expondrán a tensiones de flexión. Por lo tanto, el momento del área no puede ser el único parámetro para medir el comportamiento de la tensión en el bloque, pero las dimensiones de la forma, la rigidez, la resistencia, la rigidez a la flexión y el efecto de la posición del tubo de refuerzo (tubo interior) controlan el aborto de energía de los ACCFB. El límite mínimo para el volumen de los bloques es de 1/2 a 2/3 de pulgada3 de acuerdo con el espesor y la rigidez de su escudo, donde bajo este límite, Edd se reducirá en aproximadamente un 20%, por lo que si es necesario reducir el tamaño del bloque a 1/2 pulgada3, es preferible use espuma con el doble de densidad relativa al menos para estar entre (24 a 30%). Esto aumentará la densidad de la espuma y la masa del bloque y también aumentará la capacidad de aislamiento térmico de la espuma. Por lo tanto, la selección del volumen del bloque a 1 pulgada 3 es óptima.

La siguiente curva de compresión de espuma de aluminio expone las regiones de la curva tensión-deformación como aparece en la Fig. 8. La región de colapso de la meseta podría especificarse mediante (Sc) aplicando la ecuación. (4) o (5). La curva tensión-deformación de compresión de la espuma metálica tiene tres regiones principales respectivamente: región elástica lineal, región plástica donde la meseta colapsa al final y región de densificación donde la densidad de la espuma aumenta debido a la destrucción total de las células de la espuma. La primera región (zona elástica lineal) se produjo con una deformación pequeña (2–3%). La segunda región (deformación plástica) continúa hasta aproximadamente el 70% de deformación. La tercera región (densificación) continuará hasta el estado sólido23.

Regiones de la curva tensión-deformación de espuma de aluminio.

La Figura 9 muestra la curva de ingeniería tensión-deformación de un cubo de espuma de aluminio puro. Está claro que el límite elástico es 0,71 MPa, mientras que la resistencia a la compresión es 8,4 MPa (con una deformación del 70%) y la resistencia al aplastamiento (Sc) es 4,53 MPa (con una deformación del 64,6%) y la absorción de energía (área de compresión bajo la curva) es Ea = 1,36 J y Edd = 21,25 J/pulgada3.

Curva tensión-deformación de un bloque de espuma de aluminio puro (Pure—Sq.).

Las Figuras 10, 11, 12, 13 y 14 muestran la curva de tensión-deformación de ingeniería de bloques de falange de dedos. Parece claro que el límite elástico del cubo de espuma protegido con un tubo cuadrado (bloque: FP—0,1 Sq.) es el valor más alto (5,87 MPa) debido a la resistencia de la forma cuadrada a deformarse. mientras que el límite elástico más bajo es (0,43 MPa) para el cilindro de espuma protegido con un tubo circular (bloque: FP—0,17 C30). Esto se puede atribuir al gran diámetro de este escudo. Además, es evidente que la resistencia al aplastamiento más alta (Sc) es (8,61 MPa) para el cilindro de espuma blindado con tubo circular (bloque: FP—0,17 C25) debido al pequeño tamaño del protector y la más baja (Sc) es (5,54 MPa). ) para cilindros de espuma protegidos con tubo circular (bloque: FP—0,17 C30) debido al gran tamaño del escudo donde se reduce la resistencia a la deformación y domina el proceso de colapso de las células de espuma, cuya resistencia depende de la forma de las células, el espesor de la pared, el tamaño y distribución24.

Curva tensión-deformación del bloque cúbico de falange de los dedos (FP—0,1 Sq.).

Curva tensión-deformación del bloqueo de paralelogramo de la falange del dedo (FP—0,1 Pa.).

Curva tensión-deformación del bloque de cilindros de falange de dedos (FP—0,17 C25).

Curva tensión-deformación del bloque de cilindros de falange de los dedos (FP—0,075 C26.5).

Curva tensión-deformación del bloque de cilindros de falange de dedos (FP—0,17 C30).

La Figura 15 muestra el resumen de las resistencias a la fluencia, al aplastamiento y a la compresión de todos los bloques de falange de dedos en comparación con bloques de espuma de aluminio puro. Se calculó la densidad de disipación de energía (Edd) para todos los bloques de falange de dedos en un volumen de 1 pulgada3. La Figura 16 muestra los valores de densidad de disipación de energía (Edd) para bloques de espuma de Al puro y bloques de falange de dedos con un volumen de 1 pulgada3. Los cuales han sido redondeados a los números enteros más cercanos. Esto se define fácilmente como el índice de tenacidad para bloques donde los valores provienen de la energía absorbida que se calcula por el área bajo la curva y luego se multiplica por el volumen del bloque.

Los bloques de falange de dedos tienen resistencia al rendimiento, al aplastamiento y a la compresión en comparación con el bloque de espuma de Al.

Índice de tenacidad de los bloques de espuma Al y los bloques de falange de dedos (energía absorbida total por volumen pulgada3).

La Tabla 5 expone la longitud de deformación de Edd con una deformación del 70% y el porcentaje de mejora de la absorción de energía de los bloques versus los bloques de espuma de aluminio, donde:

Los cálculos del porcentaje de mejora parecen indicar que el valor más alto para el bloque FP-0.17 C25 en un 91 % y el valor más bajo para el bloque FP-0.075 C26.5 es menor que el valor del bloque de Al puro en un 26 %. Los resultados muestran que la absorción de energía (Edd) es proporcional a la resistencia al aplastamiento (Sc), mientras que la resistencia a la densificación (Sd) es proporcional a la densidad, forma, dimensiones y espesor de los tubos protectores de los bloques. Además, los tubos de forma rectangular y circular con tamaños más grandes y con el mismo espesor fallarán más fácilmente que los tubos con tamaños más pequeños que necesitan una alta carga de compresión para fallar. Los tubos de paredes delgadas pueden deformarse más fácilmente que los tubos de paredes gruesas que tienen la misma longitud25,26. Así, el bloque FP-0.17 C25 tiene la Sc más alta y la Sd más alta mientras que el bloque FP-0.075 C26.5 tiene la Sc más baja y la Sd más baja.

Las Figuras 17, 18, 19 y 20 muestran las curvas de tensión-deformación de ingeniería de bloques de columna (vértebras). Parece claro que el límite elástico del paralelogramo de espuma protegido con un tubo rectangular y que contiene dos tubos interiores desplazados (bloque: SV8—0,1 Pa.) es el valor más alto (2,2 MPa) debido a la resistencia de la forma rectangular a la deformación. Mientras que el límite elástico más bajo es (0,45 MPa) para el cubo de espuma protegido con un tubo cuadrado y que contiene un tubo interior desplazado (bloque: SV8—0,1 Sq.). Esto se puede atribuir a la baja resistencia del cubo de espuma debido a su pequeño tamaño y a la existencia del tubo interior. Además, es evidente que la mayor resistencia al aplastamiento (Sc), resistencia a la compresión y absorción de energía de 7,43 MPa, 21,7 MPa y 2,38 J, respectivamente, es para el cilindro de espuma blindado con tubo circular (bloque: SV8—0,17 C25) debido a la pequeña Tamaño del escudo y alta resistencia del tubo interior donde se comprime hasta aproximadamente un 20% de tensión. La resistencia a la compresión y la absorción de energía más bajas (Sc) de 4,02 MPa, 9,47 MPa y 1,48 J, respectivamente, son para cilindros de espuma blindados con tubo circular (bloque: SV8—0,17 C30) debido al gran tamaño del escudo donde la resistencia a la deformación se reduce también con una tensión del 70%, el tubo interior no se comprimirá. Por lo tanto, este tamaño grande será adecuado para proteger costosos cables eléctricos.

Curva tensión-deformación del bloque de cubo lomo (SV8—0,1 pies cuadrados).

Curva tensión-deformación del bloqueo del paralelogramo de la columna vertebral (SV8—0,1 Pa.).

Curva tensión-deformación del bloque de cilindros de la columna vertebral (SV8—0,17 C25).

Curva tensión-deformación del bloque de cilindros de la columna vertebral (SV8—0,17 C30).

La Figura 21 muestra el resumen de las resistencias a la fluencia, al aplastamiento y a la compresión de todos los bloques de columna en comparación con los bloques de espuma de aluminio puro. La densidad de disipación de energía se calculó para todos los bloques Spine en un volumen de 1 pulgada3. La Figura 22 muestra los valores de densidad de disipación de energía (Edd) para bloques de espuma de Al puro y bloques Spine con un volumen de 1 pulgada3 que se han redondeado a los números enteros más cercanos.

Los bloques de columna tienen resistencia al rendimiento, al aplastamiento y a la compresión frente al bloque de espuma de Al.

Índice de tenacidad de los bloques de espuma Al y de la columna vertebral (energía absorbida total por volumen pulgada3).

La Tabla 6 expone el Edd con una longitud de deformación en deformación del 70% y un porcentaje de mejora de los bloques frente al bloque de espuma de aluminio en la absorción de energía, aplicando la Ec. (7). Los cálculos del porcentaje de mejora parecen indicar que el valor de mejora más alto para el bloque SV8-0.17 C25 es del 67 % y el valor más bajo para el bloque SV8-0.17 C30 del 14 %. Los resultados muestran que Edd es proporcional a Sc mientras que la fuerza de densificación (Sd) es proporcional a la forma, dimensiones y espesor de los tubos protectores de los bloques. Entonces, el bloque SV8-0.17 C25 tiene el Sc más alto y el Sd más alto también, mientras que el bloque SV8-0.17 C30 tiene el Sc más bajo y el Sd más bajo debido al gran diámetro de su tubo protector. El bloque rectangular SV8-0.1 Pa es la mejor opción porque tiene la capacidad de pasar dos cables a través de sus tubos internos como protector contra impactos y tiene una buena absorción de energía.

Las Figuras 23, 24 y 25 muestran la curva de tensión-deformación de ingeniería de los bloques del canal auditivo. Parece claro que el límite elástico y la resistencia al aplastamiento del cubo de espuma protegido con tubos cuadrados y que contiene tubos interiores en el centro (bloque: EC8—0,1 Sq.) es el valor más alto de 1,16 y 5,3 MPa, respectivamente. Mientras que el límite elástico, la resistencia al aplastamiento, la resistencia a la compresión y la absorción de energía más bajos son 0,42 MPa, 3,21 MPa, 4,46 MPa y 0,96 J, respectivamente, para el cilindro de espuma protegido con un tubo de pared delgada que contiene un tubo interior en el centro (bloque: EC8 —0,075 C26,5). Esto se puede atribuir a la baja resistencia de los tubos de pared delgada y a la distribución de las células de espuma en forma de cilindro con poros de 8 mm en el medio, lo que reduce su resistencia a la compresión.

Curva tensión-deformación del bloque Ear Canal Cube (EC8—0,1 Sq.).

Curva tensión-deformación del bloqueo del canal auditivo (EC8—0,075 C26.5).

Curva tensión-deformación del bloqueo del canal auditivo (EC8—0,17 C30).

La Figura 26 muestra el resumen de las resistencias al rendimiento, al aplastamiento y a la compresión de todos los bloques del canal auditivo en comparación con los bloques de espuma de aluminio puro. La Figura 27 muestra los valores de densidad de disipación de energía (Edd) para bloques de espuma de Al puro y bloques de canal auditivo con un volumen de 1 pulgada3 que se han redondeado a los números enteros más cercanos.

Los bloques del canal auditivo tienen resistencia al rendimiento, al aplastamiento y a la compresión en comparación con el bloque de espuma de Al.

Índice de dureza de los bloques de espuma Al y del canal auditivo (energía absorbida total por volumen pulgada3).

La Tabla 7 expone el Edd con una longitud de deformación en deformación del 70% y un porcentaje de mejora de los bloques frente al bloque de espuma de aluminio en la absorción de energía, aplicando la Ec. (7). Los cálculos del porcentaje de mejora parecen indicar que el valor de mejora más alto para el bloque EC8-0.1Sq en un 12% y el valor más bajo para el bloque EC8-0.075 C26.5 es menor que la espuma de Al puro en un 33%. Los resultados muestran que Edd es proporcional a Sc mientras que la fuerza de densificación (Sd) es proporcional a la forma, dimensiones y espesor de los tubos protectores de los bloques. Entonces, el bloque EC8-0.1Sq tiene el Sc más alto y el segundo está dispuesto para el Sd más alto. Esto se refiere a su forma cuadrada que resiste la fuerza de compresión mediante un área proyectada uniforme. Esto significa que necesita aumentar la carga para deformarse a pesar de tener un escudo de pared delgado, por lo que su porcentaje de mejora es relativamente pequeño. Mientras que el bloque EC8-0.075 C26.5 tiene el Sc más bajo y el Sd más bajo debido a su tubo protector de pared delgada, longitud relativamente pequeña y forma circular.

Finalmente, muchos parámetros controlan el mecanismo de deformación de los bloques sometidos a pruebas cuasiestáticas que afectan los valores de absorción de energía como la forma del escudo, el espesor y el tipo de material. Además, material de espuma, distribución de formas y dimensiones, tamaño de celda, densidad de la espuma y componente de la espuma y su composición. Simplemente todas las muestras antes mencionadas se pueden concluir en una tabla para registrar las propiedades de absorción de energía necesarias para diferentes aplicaciones: absorción de energía por volumen de 1 pulgada cúbica (Edd) al 70% de tensión y masa. La Tabla 8 expone las propiedades de todos los bloques. Altura de deformación al 70% de deformación, masa y absorción de energía para cada bloque.

La idea principal de los ACCFB es su flexibilidad de uso y fácil mantenimiento, donde las piezas fungibles se pueden recolectar en tres categorías principales, como lo ilustra la Fig. 28 (1) Patrón de bloques similares que consta de un tipo de bloque, (2) Patrón de bloques múltiples que consta de diferentes tipos de bloques, (3) El patrón de bloques combinados consta de otros componentes más bloques como espuma viscoelástica o rodajas de silicona, fundas de goma o recipientes de metal. En realidad, se debe considerar el factor de deformación por expansión cuando los tubos de protección se deforman y se expanden en ancho de 115 a 140% según la forma del tubo, mientras que la espuma se expande en todas direcciones debido al impacto ligeramente en aproximadamente un 105%.

Categorías de patrones de ACCFB (a) Similares, (b) Bloques múltiples, (c) Combinados.

La absorción de energía total de los patrones se puede estimar fácilmente con una deformación del 70%, pero se deben especificar dos parámetros además del área del patrón de energía y la masa total. Ejemplo de la estimación de la absorción de energía total del patrón de la Fig. 28b consultando la Tabla 8 para los cálculos de la Tabla 9.

Los resultados de la absorción de energía total del patrón son 813 J. Si todos los bloques han sido reemplazados con una parte de espuma de aluminio, se reducirá esta área a la mitad, pero en realidad dará un Edd total = 756 J y la masa se reducirá aproximadamente un 35% que patrón. En serio, hay algunos desafíos que enfrentan los paneles de espuma de aluminio en aplicaciones donde la espuma también es un buen aislante del calor, no pueden pasar cables a través de ella y esto limita el uso de grandes partes de espuma en vehículos, especialmente para áreas amplias, que necesitarán una gran cantidad de Además, los paneles son válidos para recibir impactos en un plano, esto significa cubrir dos planos (es decir, XZ, YZ) o un impacto oblicuo necesitará dos superficies que se reflejarán en la cantidad de espuma necesaria. Además, la espuma como pieza sólida (no flexible) no se adapta a formas no uniformes, lo que lleva a procesos costosos como la fundición o el mecanizado preciso.

La Figura 29 expone la Evaluación de los tipos de colisión y su porcentaje27. Las figuras 30, 31, 32 ilustran los tipos de patrones combinados desarrollados por el equipo de investigación donde se ha utilizado espuma viscoelástica de poliuretano (PU-220) con una densidad de 220 kg/m3 como material de amortiguación y absorción de energía. Las propiedades máximas de eficiencia de amortiguación en una prueba cuasi estática fueron Edd = 0,13 J/cm3 (2 J/in3), deformación del 57 %, la tensión de compresión fue de 0,44 MPa, 39 % de retorno de energía28. Está diseñado para adaptarse a la mayoría de los vehículos teniendo en cuenta los desafíos antes mencionados.

Evaluación de los tipos de colisión realizada por la empresa Volkswagen presentada en 1993.

Tubos rellenos por bloques (a) tubo cuadrado de una parte, (b) tubo cuadrado de dos partes (forma de C + puntal plano).

Patrón flexible (a) Hilo para formas no uniformes, (b) protector flexible para proteger cables como la fibra óptica.

(a) Trabajo de patrón en dos direcciones (b) Trabajo de patrón en dos planos.

La Figura 30 expone ejemplos de dos patrones para tubos rellenos que dependen del uso del valor más alto de absorción de energía para el bloqueo de la falange del dedo (FP-0.17 C25) con PU-220 como material de amortiguación para amortiguar ligeramente y absorber energía y facilitar el bloqueo. y fácil de fijar. Después de fijar el bloque en el PU-220, que tiene forma cuadrada con una longitud de segmento de 28 mm, el bloque colocará 4 piezas con una longitud total de 128 mm en un recipiente o tubo con dimensiones 160 × 30 × 30 mm3 y espesor 1 mm. Muchas formas diferentes de recipientes o tubos que pueden consistir en 1 parte de tubo o 2 partes ensambladas. La longitud del tubo y la cantidad de bloques usados y escudo PU-220 se pueden seleccionar según la longitud o aplicación requerida. Esta pieza de tubo relleno es adecuada para los umbrales de los parachoques delanteros y traseros de los automóviles, los bastidores de los autobuses y las camionetas. Es fácil para el hombre común producirlo y arreglarlo. Es fácil calcular la absorción de energía total, la masa y el área de esta pieza después del diseño. Este tubo lleno Edd equivale al doble de Edd de espuma de Al pura.

La Figura 31 muestra ejemplos de dos patrones flexibles, uno para formas no uniformes y otro para proteger cables costosos. El primero está diseñado para poder tomar cualquier forma de perfil y se pueden usar diferentes bloques, también se puede cubrir con cordones de correa o adhesivo con cordones de cadena para aplicaciones pesadas. El segundo, que protege los cables, como el ángulo de flexión de la fibra óptica, se puede controlar a través de un espaciador flexible de PU-220 o silicio blando mediante el uso de tensión máxima para estimar el ángulo de flexión, y también se debe calcular el estiramiento del material para evitar pasar el ángulo de flexión crítico.

La Figura 32 muestra ejemplos de dos patrones de efecto de doble movimiento, el primero está diseñado para tratar con impacto oblicuo donde es capaz de trabajar en dos direcciones izquierda y derecha con alta eficiencia al utilizar la capacidad de todos los bloques para absorber energía. El segundo está diseñado para mejorar la eficiencia de la absorción de energía absorbiendo energía en dos planos perpendiculares. Son adecuados para vehículos protegidos de gran masa (es decir, camionetas y camiones) o vehículos lentos para trabajos pesados y susceptibles de vuelco o colisión debido a su trabajo en áreas limitadas como carretillas elevadoras. Los patrones se pueden soportar con bloques adicionales en sus espacios, pero funcionarán en una dirección o también en un plan; no se debe considerar el enfriamiento para equipos donde más espuma significa más aislamiento térmico.

Finalmente, las propiedades de los ACCFB se pueden adaptar mediante la selección de materiales para las dimensiones y densidad de los tubos de protección y espuma metálica, pero se deben tener en cuenta los potenciales de corrosión de los materiales para bloques y patrones para evitar la corrosión, la transferencia de calor, el medio de trabajo y la mejor distribución para los bloques en el patrón. para obtener los máximos beneficios de masa, absorción de energía y área cubierta.

La absorción de energía de los bloques de espuma de aluminio se ha mejorado debido a que están protegidas por tubos de espuma de aluminio tradicionales.

El diámetro del tubo interior no debe exceder 1/3 de la altura o el diámetro del bloque para conservar las propiedades de la espuma como propiedades principales para la absorción de energía.

El bloque seleccionado tiene un volumen de diseño óptimo de 1 pulgada cúbica para adaptarse a todo tipo de espuma y también para que sea fácil de comparar con otros bloques en dimensiones y absorción de energía.

Cada bloque tiene su valor de absorción de energía y fuerza de impacto que brinda variedad para su uso en diferentes aplicaciones, especialmente para vehículos.

La resistencia a la compresión es directamente proporcional a la absorción de energía.

El valor más alto de absorción de energía pertenece a las formas cilíndricas de pared gruesa con diámetros pequeños (25 mm, t = 1,7 mm), mientras que el valor más bajo pertenece a las formas cilíndricas de pared delgada (26,5 mm, t = 0,75 mm), que es menor que el cubo de espuma de Al. en aproximadamente un 30%.

La fuerza de impacto más baja pertenece a las formas circulares de pared delgada y la más alta pertenece al bloque de paralelogramo de la falange del dedo. Las mejores propiedades pertenecen a los bloques de pared circulares gruesas con gran diámetro (30 mm, t = 1,7), donde tienen una alta absorción de energía y una energía de impacto relativamente baja.

La fuerza de impacto se puede usar como índice para seleccionar bloques donde el bloque tiene una fuerza de impacto alta se puede usar como protección para cables costosos como bloques de columna y canal auditivo, mientras que el bloque tiene una fuerza de impacto baja será adecuado para absorber energía en grandes cantidades, lo que es adecuado para blindaje. contra impactos.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado.

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Financiamiento de acceso abierto proporcionado por la Autoridad de Financiamiento de Ciencia, Tecnología e Innovación (STDF) en cooperación con el Banco Egipcio de Conocimiento (EKB).

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Mohamed H. Dadoura

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Señor Taha

Instituto Tabbin de Estudios Metalúrgicos, El Cairo, Egipto

Ramadán N. Elshaer

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Conceptualización, MH Dadoura, AI Farahat, MR Taha y RN Elshaer; metodología, MH Dadoura, AI Farahat y RN Elshaer; validación, MH Dadoura, AI Farahat y RN Elshaer; análisis formal, MH Dadoura y RN Elshaer; investigación, MH Dadoura y RN Elshaer; recursos, MH Dadoura y AI Farahat; curación de datos, MH Dadoura, AI Farahat y RN Elshaer; redacción del borrador original, MH Dadoura, AI Farahat, MR Taha y RN Elshaer; redacción, revisión y edición, MH Dadoura, AI Farahat, MR Taha y RN Elshaer; visualización, MH Dadoura, AI Farahat y RN Elshaer; supervisión, MH Dadoura, AI Farahat, MR Taha y RN Elshaer. Todos los autores han leído y aceptado la versión publicada del manuscrito.

Correspondencia a Mohamed H. Dadoura o Ramadan N. Elshaer.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Dadoura, MH, Farahat, AIZ, Taha, MR et al. Mejora de la resistencia a la compresión cuasiestática de bloques de espuma de células cerradas de aluminio protegidos por tubos de aluminio. Informe científico 13, 6929 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-33750-7

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Recibido: 11 de febrero de 2023

Aceptado: 18 de abril de 2023

Publicado: 28 de abril de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-33750-7

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