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 que consisten en partes de espuma de aluminio protegidas con parte de tubo de aluminio y en algunos tipos reforzados con tubos de aluminio internos. Se han fabricado bloques para superar algunos problemas existentes en la espuma metálica utilizada para proteger algunas piezas de aplicaciones de los impactos como pieza de sacrificio. La espuma metálica tiene tres categorías principales: paneles sándwich, tubos rellenos y láminas corrugadas. Se han aplicado pruebas de compresión cuasiestática 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 a una deformación del 70 %, así como la energía absorbida (área de compresión bajo la curva). El valor más alto para el límite elástico (5,87 MPa) se registró para el bloque cúbico de falanges de dedos (FP—0,1 Sq.). Mientras que el valor más alto para la fuerza de densificación (21,7 MPa) se registró para el bloque de cilindros de columna (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 (91 % de mejora) y la resistencia al aplastamiento (8,61 MPa) se registró para el bloque de cilindros de falange Finger (FP—0,17 C25). El valor más bajo para Edd es 14,16 J/in3 (menor 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 del canal auditivo de pared delgada (EC8— 0,075 C26,5). Se lograron las mejores propiedades mecánicas para el bloque de cilindros de falange Finger (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 usó en muchas aplicaciones, como sostener 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 desechable en aplicaciones donde funciona como una 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, aún enfrenta algunos desafíos como el alto costo de producción y el alto costo de piezas fundidas o tubos de llenado, después de los impactos, las piezas o láminas defectuosas son reemplazado por uno nuevo como de costumbre si es posible, donde no se puede reparar lo que conduce a un alto costo de mantenimiento (es decir, las piezas de espuma de aluminio cuando se exponen a la tensión de flexión por impacto se deformarán y deben reemplazarse por completo). La espuma de aluminio se usó en muchas aplicaciones, desde paredes y techos de edificios livianos (es decir, paneles sándwich de aluminio de acero (SAS) y paneles sándwich de espuma de aluminio (AFS)) hasta resistencia a choques en automóviles.

La figura 1 muestra algunas aplicaciones para las piezas de espuma de aluminio que se utilizan para proteger los marcos de los automóviles contra los impactos. Los trenes también usan espuma en las 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 de protección que protegen el parachoques delantero de los automóviles. El tipo más común es un bote cilíndrico o un bote poligonal lleno de espuma como se muestra en la Fig. 1e. Se han realizado muchas formas y modelos para esta caja con diferentes técnicas como agregar dos partes de espuma con diferentes tamaños de celdas donde la espuma de mayor tamaño enfrenta el impacto y luego se coloca la de menor tamaño (Fig. 1f) para mejorar la absorción de energía a través del impacto gradual. absorción. El desafío aún existe es el costo de mantener las partes impactadas más el alto costo de fabricar este escudo con dimensiones limitadas controladas.

Algunas aplicaciones utilizadas de la espuma de Al (a) Partes protegidas por espuma en automoción1, (b) Protección del bastidor del automóvil por espuma, (c) Zona de desmoronamiento protegida por espuma en trenes, (d) Cajas de choque del parachoques delantero del automóvil2, (e) Cilíndricas y cajas de choque poligonales, y (f) Cajas de choque con dos partes de espuma con diferentes tamaños de celdas3.

El material de espuma sólida se clasifica en (1) Materiales naturales como huesos humanos y de 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 han inventado 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 huesos esponjosos. Puede soportar tensiones y absorber mucha energía durante el movimiento. Lo asombroso es la distribución precisa de las dimensiones de los huesos, que se consideran como un grupo de bloques que tienen tamaños limitados y esto hace que cada parte pueda aplicar su función de manera sencilla.

Se han simulado tres categorías mediante espuma de aluminio con diferentes formas y distribución de dimensiones para el mismo volumen (1) Bloques de falanges de dedos donde en casos reales al recolectar falanges de dedos en huesos en posición de golpe podrá 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 la realidad. La columna vertebral 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 espinales, pero con las mismas condiciones que rodean su superficie. La figura 2 muestra la formación del hueso de la falange del dedo, la foto de la columna lumbar y la sección transversal, 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 concluirse en el alto costo de producción de espuma, mantenimiento y alto aislamiento térmico que es 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) protegidos con una capa dura de calcio (hueso compacto) y, a veces, 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 vertebral.

Las ventajas de la espuma de Al son la alta absorción de energía a través de la deformación plástica, 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 por 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 hueso esponjoso y pequeñas partes de tubos de aluminio para simular escudos óseos compactos. Todos los tubos tienen formas rectangulares y circulares para blindajes exteriores y tubos circulares de refuerzo interior con tubos de pequeños diámetros 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 semi-iguales. 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 de acuerdo con 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 consisten en paredes celulares, bordes de meseta y nodos (ver Fig. 3). Pared celular: separa dos burbujas de gas en una longitud de aproximadamente el diámetro de la burbuja y muestra una curvatura que es mucho más pequeña que la curvatura media de las dos burbujas. Generalmente, el grosor medio de la pared celular es mucho más pequeño 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 formados cuando los bordes de la meseta están desordenados 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 con una deformación del 70% se enumeran en la Tabla 1. Para garantizar que todas las muestras tienen propiedades iguales todos los bloques han sido cortados de una hoja de espuma de Al con una densidad de 400 kg/m3 y espesor de pared en un rango de 0,2 a 0,23 mm. La Figura 4 muestra los procedimientos para producir espuma de Al por fabricación: Fundición de matriz de aluminio puro a 680 °C, luego adición de material espesante (1,5 % en peso de Ca) y mezcla con fundición de aluminio, luego transferencia de la mezcla de fundición del horno de fundición al horno de formación de espuma para la viscosificación y proceso de formación de espuma agregando agente espumante (1,6 % en peso de TiH2) y mezclándolo con un impulsor giratorio. Melt 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. Una vez que el molde llega al tamaño de celda especificado, el proceso de enfriamiento comenzará con aire o agua y la losa estará lista para serrar de acuerdo con las dimensiones requeridas11,12.

Procedimientos de fabricación de espuma de Al de celda cerrada.

Los tubos de aluminio están disponibles en el mercado tradicional. Las dimensiones se enumeran en la Tabla 2. La composición química y la designación se enumeran en la Tabla 3, que concuerda con la norma DIN EN 755-2—AS/NZS 186613. La Figura 5 muestra la foto 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 espuma de aluminio y tubos. Los bloques se ensamblaron de acuerdo con sus dimensiones diseñadas y se usó metal epoxi adhesivo en los extremos de los bloques para confirmar que las piezas se ensamblaron bien. juntos. En realidad, hay dos métodos para fabricar bloques, como se muestra en la Fig. 6. El primer método consiste en mecanizar tanto la espuma de aluminio como las piezas del tubo y luego ensamblarlas mediante martilleo suave14. El segundo método consiste en formar espuma dentro del perfil de los tubos mezclando primero material de matriz pulvimetalúrgica, agente espumante (TiH2 o ZrH) y aditivos (Mg, Si, etc.), luego compactando en frío y luego extruyendo en caliente a aproximadamente 400–480 ° C. El agente espumante se distribuye así uniformemente y se incrusta herméticamente 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 la densidad total pero fácilmente convertible en espuma. Esta conversión se ve afectada 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 con partículas de óxido muy finas distribuidas uniformemente por todo el precursor después de la extrusión. Después de fundirse y formar espuma, el panel de espuma se enfría rápidamente para evitar el colapso de la estructura de espuma15. Aunque el segundo método producirá más bloques reforzados y será más económico en costo total de fabricación 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 brinda variedad en el uso donde se puede seleccionar cualquier tipo de espuma con las propiedades requeridas16, y la selección de tubos con diferentes dimensiones es fácil de hacer por el 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 realizado veinte muestras de ACCFB como se muestra 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 vertebral y canal auditivo con diferentes formas (cubo, paralelogramo y cilíndrico) como se muestra en la Tabla 4. Se aplicó una prueba cuasiestática y todos los datos de la curva se escalaron para área cm2.

Muestras de Bloques de espuma de Aluminio con tamaños limitados.

Se han aplicado ensayos de compresión cuasiestáticos en la máquina de ensayo 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 "Ensayo de materiales metálicos – Ensayo de compresión de materiales celulares metálicos"20. Donde la tensión de compresión (Ɛ) es igual al cambio de longitud/longitud original.

Todos los tipos de espuma de aluminio en pruebas de compresión cuasiestática 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 que impacta. Se define como la relación de energía máxima que puede disiparse por unidad de masa de espuma (mf) y Ea se describe como la energía potencial de absorción que es igual al área bajo la "curva de 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 espuma: tensión en la que comienza el colapso plástico continuo. Entonces, en un rango de deformación de la espuma. Se puede calcular Es usando las curvas de esfuerzo-deformación producidas por las pruebas, asumiendo 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. Esta es la energía máxima que una unidad de volumen de espuma puede absorber debido a un impacto8.

Se ha elegido que el volumen de los ACCFB sea de 1 pulgada3 para estudiar la cantidad de absorción de energía debido a la redistribución de dimensiones en diferentes formas geométricas. Algunos cuerpos pueden tener una prueba de impacto de sonido aplicada en el área afectada como resistencia al impacto de metales sólidos o compuestos (es decir, prueba Charpy o pruebas Izod), pero en la 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. bajo la prueba cuasiestática, la espuma se comprimirá mientras que los tubos se expondrán a la tensión 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 pulgadas3 de acuerdo con el grosor 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 por lo 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 pulgada3 es óptima.

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

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

La Figura 9 muestra la curva de tensión-deformación de ingeniería de un cubo de espuma de aluminio puro. Está claro que el límite elástico es de 0,71 MPa, mientras que la resistencia a la compresión es de 8,4 MPa (a una deformación del 70 %) y la resistencia al aplastamiento (Sc) es de 4,53 MPa (a 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 ingeniería de tensión-deformación de los bloques de falanges de dedos. Parece claro que el límite elástico del cubo de espuma protegido con 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 cilindro de espuma blindado con tubo circular (bloque: FP—0.17 C30). Esto se puede atribuir al gran diámetro de este escudo. Además, es evidente que la mayor resistencia al aplastamiento (Sc) es (8,61 MPa) para el cilindro de espuma con protección de tubo circular (bloque: FP—0,17 C25) debido al pequeño tamaño de la protección y la menor (Sc) es (5,54 MPa). ) para cilindro de espuma protegido 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 celdas de espuma, cuya resistencia depende de la forma de las celdas, el grosor de la pared, el tamaño y distribución24.

Curva de tensión-deformación del bloque cúbico de la falange del dedo (FP: 0,1 Sq.).

Curva tensión-deformación del bloque de paralelogramo de la falange de los dedos (FP: 0,1 Pa.).

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

Curva tensión-deformación del bloque de cilindros de la falange de los dedos (FP—0.075 C26.5).

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

La Figura 15 muestra el resumen de las resistencias a la fluencia, el aplastamiento y la compresión para todos los bloques de falange de dedos en comparación con los bloques de espuma de aluminio puro. La densidad de disipación de energía (Edd) se ha calculado para todos los bloques de falanges 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 aluminio 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 cuyos valores provienen de la energía absorbida que se calcula por el área bajo la curva y luego se multiplica por el volumen del bloque.

La falange de los dedos bloquea el rendimiento, el aplastamiento y las resistencias a la compresión frente al bloque de espuma de aluminio.

Índice de dureza de bloques de espuma de aluminio y bloques de falange de dedos (energía total absorbida por pulgada de volumen3).

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

Los cálculos del porcentaje de mejora muestran 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 con los mismos espesores fallarán más fácilmente que las formas con tamaños más pequeños que necesitan una carga de compresión alta para fallar. Los tubos de pared delgada pueden deformarse más fácilmente que las paredes gruesas para tubos que tienen la misma longitud25,26. Entonces, el bloque FP-0.17 C25 tiene el Sc más alto y el Sd más alto, mientras que el bloque FP-0.075 C26.5 tiene el Sc más bajo y el Sd más bajo.

Las Figuras 17, 18, 19 y 20 muestran las curvas de tensión-deformación de ingeniería de los bloques Spine (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 deformarse. 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 existencia de cámara de aire. 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, corresponde al cilindro de espuma protegido con tubo circular (bloque: SV8—0,17 C25) debido a la pequeña tamaño del escudo y alta resistencia del tubo interior donde se comprimió hasta aproximadamente un 20% de tensión. La menor (Sc), resistencia a la compresión y absorción de energía de 4,02 MPa, 9,47 MPa y 1,48 J, respectivamente, corresponde al cilindro de espuma protegido con tubo circular (bloque: SV8—0,17 C30) debido al gran tamaño del escudo donde la resistencia a la deformación se reduce también a la tensión 70% el tubo interior no se comprimirá. Por lo tanto, este gran tamaño será adecuado para proteger cables eléctricos costosos.

Curva de tensión-deformación del bloque de cubo de columna (SV8—0.1 Sq.).

Curva tensión-deformación del bloque Spine Paralelogramo (SV8—0,1 Pa.).

Curva tensión-deformación del bloque de cilindros Spine (SV8—0.17 C25).

Curva tensión-deformación del bloque de cilindros Spine (SV8—0.17 C30).

La Figura 21 muestra el resumen de las resistencias a la fluencia, el aplastamiento y 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 ha calculado 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 aluminio puro y bloques Spine con un volumen de 1 pulgada3 que se han redondeado a los números enteros más cercanos.

El rendimiento de los bloques de columna, el aplastamiento y las resistencias a la compresión frente al bloque de espuma de aluminio.

Índice de dureza de bloques de espuma de aluminio y bloques de columna (energía total absorbida por pulgada de volumen3).

La Tabla 6 expone el Edd con la longitud de deformación a una deformación del 70 % y el porcentaje de mejora de los bloques frente al bloque de espuma de aluminio en la absorción de energía, aplicando la ecuación. (7). Los cálculos de porcentaje de mejora parecen que el valor de mejora más alto para el bloque SV8-0.17 C25 en un 67 % y el valor más bajo para el bloque SV8-0.17 C30 en un 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 la Sc más alta y también la Sd más alta, mientras que el bloque SV8-0.17 C30 tiene la Sc más baja y la Sd más baja 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 contienen 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 de 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 la distribución de las células de la espuma en forma de cilindro con un poro de 8 mm en el medio 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 a la fluencia, el aplastamiento y 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 el bloque de espuma de aluminio puro y los bloques del canal auditivo con un volumen de 1 pulgada3 que se han redondeado a los números enteros más cercanos.

El rendimiento de los bloques del canal auditivo, el aplastamiento y las resistencias a la compresión frente al bloque de espuma de aluminio.

Índice de dureza del bloque de espuma de aluminio y del canal auditivo (energía total absorbida por pulgada de volumen3).

La Tabla 7 expone el Edd con la longitud de deformación a una deformación del 70 % y el porcentaje de mejora de los bloques frente al bloque de espuma de aluminio en la absorción de energía, aplicando la ecuación. (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 aluminio 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. Por lo tanto, el bloque EC8-0.1Sq tiene el Sc más alto y el segundo dispuesto para el Sd más alto. Esto se refiere a su forma cuadrada que resiste la fuerza de compresión por 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 la Sc más baja y la Sd más baja debido a su tubo de protección de pared delgada, longitud relativamente pequeña y forma circular.

Finalmente, una gran cantidad de parámetros controlan el mecanismo de deformación de los bloques bajo la prueba cuasiestática que afecta los valores de absorción de energía como la forma del escudo, el grosor y el tipo de material. Además, material de espuma, distribución de forma y dimensiones, tamaño de celda, densidad de espuma y componente de 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 deformación 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 en el uso y el fácil mantenimiento donde es que las piezas fungibles se pueden agrupar en tres categorías principales, como 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 rebanadas de silicona, fundas de goma o recipiente de metal. En realidad, el factor de deformación por expansión se debe considerar cuando los tubos protectores se deforman y se expanden en ancho de 115 a 140 % según la forma del tubo, mientras que la espuma se expande en todas las direcciones debido al impacto en aproximadamente un 105 %.

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

La absorción de energía total de los patrones se puede estimar fácilmente en una deformación del 70%, pero se deben especificar dos parámetros además del área del patrón de energía y la masa total. Ejemplo de la absorción de energía total estimada 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 reducirá esta área a la mitad pero en realidad dará Edd total = 756 J y la masa se reducirá en aproximadamente un 35% que patrón. En serio, existen algunos desafíos que enfrentan los paneles de espuma de aluminio en aplicaciones donde la espuma también es un buen aislante para el calor, no puede pasar cables o alambres a través de él 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 parte sólida (no flexible) no se adapta a formas no uniformes que implican 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 amortiguador y absorbente de energía. Las propiedades de eficiencia máxima de amortiguación en la prueba cuasi estática fueron Edd = 0,13 J/cm3 (2 J/in3), deformación del 57 %, tensión de compresión de 0,44 MPa, retorno de energía del 39 %28. Está diseñado para adaptarse a la mayoría de los vehículos teniendo en cuenta los desafíos antes mencionados.

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

Tubos llenos 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) escudo flexible para proteger cables como fibra óptica.

(a) Patrón de trabajo en dos direcciones (b) Patrón de trabajo en dos planos.

La Figura 30 expone ejemplos de dos patrones para tubos llenos que dependen del uso del valor más alto de absorción de energía para el bloqueo de la falange de los dedos (FP-0.17 C25) con PU-220 como material de amortiguación para amortiguar levemente y absorber energía y facilitar el bloqueo. y fácil de fijar. Después de fijar el bloque en el bloque PU-220 que tiene forma cuadrada con una longitud de segmento de 28 mm, el bloque colocará 4 partes con una longitud total de 128 mm en un bote 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 juntas. La longitud del tubo y el número de bloques usados ​​y el protector PU-220 se pueden seleccionar de acuerdo con la longitud o aplicación requerida. Esta pieza de tubo relleno es adecuada para parachoques delanteros y traseros de automóviles, marcos de autobuses y 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 puro.

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 los cables de protección como el ángulo de flexión de la fibra óptica podrían controlarse a través de un espaciador flexible de PU-220 o silicona blanda mediante el uso de la tensión máxima para estimar el ángulo de flexión, 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 puede trabajar en dos direcciones izquierda y derecha con alta eficiencia en el uso de la capacidad de todos los bloques para absorber energía. El segundo está diseñado para mejorar la eficiencia de absorción de energía mediante la absorción de 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 vuelcos o colisiones debido a su trabajo en áreas limitadas como las carretillas elevadoras. Los patrones se pueden apoyar con bloques adicionales en sus espacios, pero funcionará 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 a través de la selección de materiales para las dimensiones y la densidad de los tubos protectores y la espuma metálica, pero deben tenerse en cuenta los potenciales de corrosión de los materiales para evitar la corrosión, la transferencia de calor, el medio de trabajo y la mejor distribución para los bloques en el patrón. para aprovechar al máximo los 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 los protegen con 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.

Bloque seleccionado para tener 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 otras dimensiones de bloques y absorción de energía.

Cada bloque tiene su valor de absorción de energía y fuerza de impacto que dan 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 de cilindros de pared gruesa con diámetros pequeños (25 mm, t = 1,7 mm), mientras que el valor más bajo pertenece a las formas de cilindro de pared delgada (26,5 mm, t = 0,75 mm), que es menor que el cubo de espuma de aluminio. 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 de los dedos. Las mejores propiedades pertenecen a los bloques circulares de pared gruesa con gran diámetro (30 mm, t = 1,7) donde tiene alta absorción de energía y 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 la columna vertebral y del canal auditivo mientras que el bloque tiene una fuerza de impacto baja será adecuado para absorber energía en una gran cantidad que se adapta a la armadura contra impactos.

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

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Descargar referencias

Financiamiento de acceso abierto proporcionado por The Science, Technology & Innovation Funding Authority (STDF) en cooperación con The Egyptian Knowledge Bank (EKB).

Universidad de Helwan, El Cairo, Egipto

Mohamed H. Dadoura

Instituto Central de Investigación y Desarrollo Metalúrgico, El Cairo, Egipto

Ahmed Ismail Zaky Farahat

Facultad de Ingeniería, Universidad de El Cairo, El Cairo, Egipto

Señor Taha

Instituto Tabbin de Estudios Metalúrgicos, El Cairo, Egipto

Ramadán N. Elsher

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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: preparación 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 para bloques de espuma de celda cerrada 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 febrero 2023

Aceptado: 18 abril 2023

Publicado: 28 abril 2023

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

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