Caracterización mediante procesamiento digital de imágenes del comportamiento hiperelástico del poliuretano termoplástico para fabricación aditiva

Resumen

En la actualidad, se están desarrollando nuevos estudios para encontrar materiales y geometrías que cumplan con los requisitos de rendimiento que demanda la industria. Los compuestos multimateriales que imitan patrones jerárquicos naturales ofrecen una solución prometedora para mejorar las propiedades mecánicas. En este contexto, las estructuras tipo concha de nácar basadas en una arquitectura ligera de ladrillo y mortero (plaquetas rígidas rodeadas por una matriz blanda), destacan por sus excelentes propiedades fuera del plano y resistencia al impacto. Aunque reproducir este tipo de estructuras es complejo, las tecnologías actuales de fabricación aditiva permiten su fabricación con un costo y esfuerzo razonables. Para replicar este tipo de compuestos bioinspirados se seleccionaron dos materiales: ácido poliláctico (PLA) para las plaquetas y poliuretano termoplástico (TPU) para la matriz. Este último forma parte de la categoría de materiales hiperelásticos, es decir, materiales elásticos no lineales, cuya deformación última es muy elevada, aproximadamente un 500%, y cuyo comportamiento es incompresible o casi incompresible. Para simular estructuras fabricadas con este tipo de material es necesario definir y ajustar un modelo constitutivo y para ello, caracterizar el material de manera experimental. Por este motivo, el presente estudio se centra en el proceso de caracterización del TPU95A de Ultimaker, a través de una serie de ensayos experimentales a tensión, en los que se usaron dos tipos de probetas: probetas tipo “dog-bone” o hueso de perro, para obtener la curva esfuerzo-deformación del material, y probetas rectangulares para calcular el coeficiente de Poisson. Ante la dificultad de usar un extensómetro tradicional debido a la condición hiperelástica del material, la obtención de las deformaciones longitudinales y transversales se realizó mediante posprocesamiento digital de imágenes. El procedimiento anterior fue validado utilizando probetas de Tough PLA. Las deformaciones medidas con extensómetro coincidieron con las obtenidas a través del método óptico y el posprocesamiento de imágenes. Finalmente, se seleccionó el modelo constitutivo Marlow para simular el comportamiento del material en ABAQUS, ya que es un modelo ideal para cuando solo se tienen datos de pruebas uniaxiales.