Millorar el procés d'identificació elàstica amb mètodes inversos d'un sol assaig experimental

Recentment, les tecnologies de fabricació additiva (impressió 3D) s'han anat implantant en sectors com el de la locomoció o la bioenginyeria, entre d'altres. De les diferents tècniques d'impressió 3D, destaca per la seva versatilitat i possibilitats la d'extrusió per deposició de material fos (FDM o FFF). Les propietats mecàniques dels materials fabricats mitjançant aquest tipus de procés de fabricació depenen de factors associats als paràmetres de la màquina, la densitat material, l'orientació de fabricació, els paràmetres de treball i les condicions ambientals. En cas que s'usi filament continu els materials impresos amb aquestes tècniques, es poden considerar com a materials laminats. Ara bé, identificar les propietats elàstiques y mecàniques d'aquests materials és fonamental per al seu correcte ús i aplicació. Tradicionalment, aquesta caracterització de propietats es realitza seguint normes que involucren de forma repetitiva diferents assajos experimentals per a cada constant a identificar.
Amb la intenció de reduir el nombre d'assajos en la caracterització elàstica de compòsits, han sorgit noves formes d'identificació on es consideren tècniques numèriques de solució inversa i la mesura dels camps heterogenis de deformació o les característiques naturals del material. El procediment invers requereix només un experiment (en el pla) per a caracteritzar compòsits de fibres de carboni o vidre (entre altres). Per a això s'utilitzen metodologies basades en tècniques d'optimització i solucions directes sobre la matemàtica inversa. Així mateix, s'empren diferents assajos experimentals com a tècniques de mesura. En els treballs de recerca realitzats fins ara s'han identificat un conjunt de dificultats per resoldre: desviacions en els paràmetres inferits, implementació en compòsits fabricats amb manufactura additiva; efectes de l'acabat superficial en la inferència; capacitat del mètode segons el grau d'ortotropia del material; tipus de configuracions òptiques en funció de geometries estandarditzades, limitacions associades al tipus de solució inversa implementades, entre altres.
L'objectiu d'aquesta tesi doctoral s'enfoca a millorar el procés d'identificació elàstica amb mètodes inversos d'un sol assaig experimental de compòsits laminats, per a reduir les bretxes existents en la implementació d'aquesta metodologia. Per a això, es va dissenyar i va elaborar un algorisme basat en mètodes d'optimització per gradients, a fi de minimitzar l'ajust dels camps de deformació d'un model numèric d'elements finits respecte a una referència obtinguda per la mesura sense contacte en un assaig experimental. L'avaluació de l'algorisme desenvolupat es va realitzar en 22 provetes de geometria open-hole fabricades amb fabricació additiva amb diferents apilaments i grau ortotròpic. El procés experimental es va dur a terme en un assaig de tensió quasi-estàtic, on els camps de deformació es van capturar amb un equip de correlació digital d'imatges (DIC) amb una configuració apropiada i amb una correcta preparació de les superfícies de les provetes.
Els resultats mostren una bona capacitat del mètode invers per a inferir les propietats elàstiques en laminats altament ortotròpics i multidireccionals amb Exx > Eyy; i baixa capacitat del mètode per a la inferència en laminats quasi-isòtrops i multidireccionals amb un Exx < Eyy. Per a arribar a aquests resultats, es van obtenir les combinacions adequades dels paràmetres associats al DIC, es van reduir les zones de baixa correlació i en alguns casos es va modificar el procés d'optimització. Com a possibles causes de la baixa inferència, es va trobar presència de soroll en les mesures i dificultat de captar les deformacions transversals en laminats amb major rigidesa transversal. El mètode de caracterització implementat ha demostrat tenir una ràpida convergència i ser poc susceptible als paràmetres inicials, a més de ser robust malgrat emprar àrees reduïdes de la regió d'interès o zona de mesura de les deformacions. Així mateix, es va determinar major efectivitat dels patrons de speckels fabricats amb aerògraf respecte als impresos en paper de transferència a l'aigua. Finalment, es va evidenciar la poca influència del diàmetre del forat en el procés d'inferència de les propietats elàstiques.

Lectura de la tesi: 26/04/23, per videoconferència (informació extreta de l’Agenda activitats de la web Escola de Doctorat)