ES2924523T3 - Estructura auxética deformable y procedimiento de fabricación - Google Patents

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De Mendizabal Alonso Iker Velez
De La Fuente David Apellaniz
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Abstract

Estructura auxética deformable para absorción de energía de un impacto que comprende una pluralidad de celdas auxéticas tridimensionales contiguas interconectadas (1) donde cada celda auxética tridimensional (1) comprende al menos un elemento superficial (3) y una pluralidad de patas (5) que se extienden desde dicha superficie (3), estando configurados la pluralidad de patas (5) y el elemento de superficie (3) de manera que el corte de la estructura en al menos dos planos perpendiculares a dicho elemento de superficie (3) sigue un patrón auxético. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Estructura auxética deformable y procedimiento de fabricación
Campo de la invención
La invención se refiere a estructuras auxéticas, en particular, a estructuras auxéticas tridimensionales y a sus aplicaciones. Específicamente se refiere a un material celular utilizado en la construcción de aeronaves, en la construcción naval y en otras ramas de la industria.
Antecedentes de la invención
Aunque en términos de pérdida de palas no se aplican protecciones especiales en las aeronaves actuales, la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA) y la Administración Federal de Aviación (FAA) han realizado algunos estudios para evaluar el grosor del compuesto de fibra de carbono que necesita el fuselaje en la zona de impacto potencial para resistir un evento de este tipo. Algunos de los resultados obtenidos indican que se necesitaba un grosor significativo y una penalización en peso del revestimientoto del fuselaje de fibra de carbono para detener la pérdida de una pala.
En lo que respecta a la protección en caso de fallo del rotor del motor no contenido (UERF), las precauciones de diseño que deben tomarse para minimizar los riesgos de un motor o unidad de potencia auxiliar son las bahías secas o el apantallamiento de los depósitos de combustible situados en las zonas de impacto. El aluminio o el titanio son las alternativas de apantallamiento que se suelen utilizar en estos casos.
Los materiales convencionales que se encuentran en la naturaleza tienen una relación de Poisson positiva, se adelgazan al estirarse y se ensanchan al comprimirse, siguiendo la ecuación de la relación de Poisson:
deformación transversal Sx
yx deformación longitudinal Ey
En consecuencia, la relación de Poisson se define como el negativo de la deformación transversal dividido por la deformación longitudinal.
Existen materiales o configuraciones de geometrías de estructuras que presentan un comportamiento opuesto, que se denominan auxéticos, que tienen una relación de Poisson negativa y que cuando se estiran, se vuelven más anchos en las direcciones transversales a la fuerza aplicada, y más delgados cuando se comprimen. Por lo tanto, al aplicar una fuerza de tracción unidireccional al material auxético, se produce un aumento de tamaño en la dimensión transversal. El comportamiento de dicha configuración bajo el impacto, que equivale a una compresión, es que concentra el material alrededor de la zona de impacto debido a la naturaleza negativa de Poisson de estas configuraciones.
Se conocen estructuras auxéticas bidimensionales que tienen una disposición de celdas que comprende una pluralidad de celdas contiguas con forma de hexágonos invertidos que presentan un comportamiento auxético en las dos direcciones en el plano de la geometría de las celdas.
Se conocen estructuras auxéticas que tienen celdas con forma de hexágono invertido unidas alternativamente formando una rejilla celular bidimensional (2D) que se extruyen en una dirección para formar un panel en el que la altura de la rejilla bidimensional (2D) se convierte en el grosor y la anchura de la rejilla y las dimensiones de las extrusiones representan las dimensiones planas del panel celular. Estos paneles tienen un comportamiento auxético en una dirección, ya que son capaces de condensarse en la dirección del ancho de la rejilla original, cuando se aplica una carga de compresión perpendicular al espesor del panel.
Los paneles celulares se utilizan en una gran variedad de aplicaciones de ingeniería y las estructuras convencionales de sándwich de celdas huecas en forma de panal de abeja se han utilizado ampliamente por su resistencia y ligereza. Dichas geometrías de estructuras celulares convencionales se han utilizado como núcleos en paneles sándwich dentro, por ejemplo, de la industria aeroespacial y marina.
También se conocen las armaduras en materiales compuestos, estas armaduras suelen estar compuestas por capas de diferentes materiales, como metales, tejidos y cerámica. Una composición clásica conocida mezcla capas de cerámica con capas de tejido balístico reforzado con plástico. Aunque son más ligeras que sus armaduras metálicas completas equivalentes, siguen suponiendo una importante penalización en peso en las estructuras en las que se integran. Esta penalización en peso es especialmente crítica en las aeronaves, donde las prestaciones de autonomía, velocidad y/o sustentación pueden verse penalizadas.
GABRIELE IMBALZANO ET AL: “Modelado tridimensional de paneles sándwich auxéticos para resistencia al impacto localizado”, REVISTA DE ESTRUCTURAS Y MATERIALES DE TIPO SÁNDWICH, n20(00) 1-26, 1 de enero de 2015 (2015-01-01), DOI : 10.1177 / 1099636215618539 que divulga una estructura auxética según el preámbulo de las reivindicaciones 1 y 13 respectivamente.
Sumario de la invención
El objetivo de esta invención es proporcionar una protección ligera contra impactos de alta energía en fuselajes y sistemas de aeronaves, mediante, por ejemplo, un único panel sándwich fabricado de forma integrada, aprovechando el comportamiento auxético bidimensional en las dos direcciones que forman la superficie del panel, cuando una carga de impacto tiene una componente perpendicular con respecto al panel, de forma que permite configuraciones aún más ligeras, combinadas con materiales balísticos de altas prestaciones.
La aplicación de este tipo de protección sería especialmente ventajosa en configuraciones de aeronaves con motores traseros altamente integrados, como las arquitecturas de rotor abierto o de ingestión de capa límite, en las que se requieren disposiciones de protección (pantallas) debido a la preocupación por la seguridad frente a los impactos de alta energía de las palas de las hélices (PBR) y de los desechos del motor (pequeños fragmentos de fallo del motor no contenido y tercer disco) en el fuselaje, lo que da lugar a conductores de tamaño de la estructura. Esto daría lugar a elevadas penalizaciones de peso si se aplicaran las soluciones de protección convencionales del estado de la técnica.
La estructura deformable objeto de la invención está destinada a absorber la energía de un impacto y según la explicación anterior es del tipo que comprende una estructura auxética tridimensional formada por una pluralidad de células auxéticas tridimensionales adyacentes interconectadas.
La estructura comprende una disposición auxética formada por una pluralidad de celdas auxéticas tridimensionales contiguas interconectadas, cada celda auxética tridimensional comprende al menos un elemento de superficie y una pluralidad de patas que se extienden desde dicho elemento de superficie, estando la pluralidad de patas y el elemento de superficie configurados de tal manera que el corte o proyección de la estructura en al menos dos planos perpendiculares a dicho elemento de superficie sigue un patrón auxético.
El elemento de superficie puede tener una superficie plana, una superficie curva o estar formado por diferentes superficies planas.
La estructura resultante es capaz de lograr un comportamiento auxético en cada uno de estos al menos dos planos y, como consecuencia, es capaz de lograr un comportamiento auxético en más de una dimensión perpendicular a la dirección principal de impacto, con la ventaja de que el efecto de condensación se incrementa y el rendimiento del apantallamiento se mejora significativamente con un peso reducido.
En un ejemplo de realización, cada célula auxética tridimensional comprende un segundo elemento de superficie que tiene un desplazamiento con el primer elemento de superficie en la dirección longitudinal de la célula, extendiéndose la pluralidad de patas entre ambas superficies. Por lo tanto, cada célula auxética comprende un primer y un segundo elemento de superficie separados por una distancia en la dirección principal del impacto y una pluralidad de patas que se extienden entre el primer y el segundo elemento de superficie.
En un ejemplo de realización, las celdas son una celda auxética hexagonal reentrante tridimensional, y por lo tanto las patas tienen un pliegue en el elemento de superficie de las celdas auxéticas adyacentes que se encuentran en una distancia intermedia entre los dos elementos de superficie de cada celda según un patrón auxético hexagonal reentrante.
Es también un objeto de la invención un panel sándwich que comprende un núcleo interno según la estructura anteriormente descrita y dos capas externas paralelas que cubren dicho núcleo interno.
La invención, por tanto, puede consistir en una estructura sándwich de geometría auxética que podría estar hecha de aramida, u otras fibras balísticas de buen rendimiento (Polipropileno, PBO, UHMWPE, ...), que incluso podría combinarse con una capa de material cerámico en los elementos superficiales de la estructura auxética que se enfrentan a la amenaza potencial. Por lo tanto, también es objeto de la presente invención un concepto de sándwich de configuración basado en una estructura auxética destinado a ser utilizado como un escudo balístico ligero para proteger los sistemas de la aeronave y el fuselaje de posibles eventos peligrosos, como la liberación de las palas de la hélice (PBR) o el fallo del rotor del motor no contenido (UERF).
También es objeto de la presente invención un amortiguador que comprende un núcleo interno según la estructura auxética deformable antes mencionada y una capa externa que rodea dicho núcleo interno.
La fabricación de un concepto de apantallamiento según la invención puede lograrse fácilmente mediante técnicas de impresión convencionales o tridimensionales (3D) que combinan materiales de tejido cerámico y carbono o/y fibras balísticas.
Como alternativa, la estructura reivindicada también puede fabricarse a partir de una pluralidad de cintas del material adecuado que comprende los siguientes pasos:
-proporcionar una primera cinta de material,
-plegar la primera cinta de material siguiendo un patrón auxético bidimensional de celdas adyacentes que tienen un elemento de superficie y dos patas que se extienden desde el elemento de superficie,
-proporcionar una segunda cinta de material,
-unir dicha segunda cinta de material a uno de los elementos de la superficie del patrón auxético bidimensional de la primera cinta formando un ángulo con la dirección longitudinal de la primera cinta,
-plegar la segunda cinta de material siguiendo un patrón auxético bidimensional de celdas adyacentes que tienen un elemento de superficie y dos patas que se extienden desde el elemento de superficie, estando la primera cinta y la segunda cinta de material configuradas de tal manera que el corte de la sección o la proyección de la estructura en al menos dos planos perpendiculares al elemento de superficie sigue un patrón auxético bidimensional,
-suministrar cintas de material adicionales y unirlas a cada elemento de la superficie del patrón auxético bidimensional de la primera cinta de material y repitir el paso anterior.
Los pasos de plegado y unión de la segunda cinta pueden realizarse en cualquier orden, es decir, primero plegada y después unida a la primera cinta o primero unida y después plegada.
La invención se refiere, por tanto, a la configuración y proceso de fabricación de un innovador escudo ligero contra impactos de alta energía, como eventos PBR o UERF, con especial aplicación en arquitecturas de aeronaves con motores montados en la parte trasera que utilicen motores OR o BLI, pero también trasladable a aeronaves de arquitectura convencional en las que se deban cumplir dichos requisitos de blindaje.
En términos de rendimiento, cuando se produce un impacto, debido al comportamiento de la configuración de la estructura auxética, el material tiende a concentrarse en las zonas cercanas al punto de impacto. Cuando esto ocurre con la configuración definida anteriormente, tanto el elemento superficial como las patas de las celdas auxéticas tienden a deformarse hacia el interior de la celda en más de una dirección perpendicular a la dirección principal del impacto en la zona de impacto, describiendo la condensación de la estructura en la zona de impacto en más de una dirección y, como resultado, proporcionando las propiedades balísticas mejoradas requeridas en la zona donde se produce el impacto.
Las prestaciones de impacto de este concepto se han mejorado, ya que el comportamiento de densificación del núcleo auxético se consigue en más de una dirección perpendicular a la dirección principal de impacto, configurando así una estructura de núcleo auxético multidireccional. Esto permite una protección contra impactos aún más ligera en lugar de una sola como en una configuración auxética convencional.
Descripción de las figuras
Para completar la descripción y con el fin de proporcionar una mejor comprensión de la invención, se proporciona un conjunto de dibujos. Dichos dibujos forman parte integrante de la descripción e ilustran realizaciones preferidas de la invención. Los dibujos comprenden las siguientes figuras.
La figura 1A muestra una vista en sección transversal de una estructura auxética bidireccional conocida que comprende células hexagonales reentrantes.
La figura 1B muestra una vista en sección transversal de un panel sándwich conocido que tiene una estructura deformable según la figura 1 A.
La figura 2A muestra un ejemplo de realización de una geometría de célula tridimensional con elementos superficiales cuadrados superiores e inferiores paralelos y con una proyección o sección cortada en dos planos perpendiculares a los elementos superficiales que tienen un patrón hexagonal reentrante bidireccional.
La figura 2B muestra otro ejemplo de realización de una geometría de célula tridimensional con un elemento de superficie superior cuadrado y con una proyección en dos planos perpendiculares al elemento de superficie que tiene un patrón hexagonal reentrante bidireccional.
Las figuras 3 muestran una estructura en vista en planta y dos vistas en sección de la misma, con una geometría de celdas tridimensionales que comprende una capa superior e inferior octogonal adicional que cubre los elementos de la superficie de las celdas.
Las figuras 4 muestran una estructura tridimensional en planta y dos vistas en sección de la misma, con una geometría de celdas tridimensionales con capas superiores e inferiores cuadradas que cubren los elementos de la superficie.
La figura 5 muestra una vista tridimensional de otro ejemplo de realización de una geometría de celda tridimensional que tiene un patrón auxético tridimensional reentrante, la figura también incluye los elementos de la superficie intermedia de las celdas adyacentes.
La figura 6 muestra una vista en sección de un ejemplo de realización de la estructura bajo un impacto y cuatro etapas diferentes de deformación de la estructura.
Las figuras 7 muestran un ejemplo de realización de las celdas en la que los elementos de superficie tienen una forma cruciforme y además comprende una capa que cubre dichos elementos de superficie, teniendo dicha capa una forma cuadrada. Las figuras 7a y 7b muestran la estructura antes y después de la condensación.
La figura 8 muestra un diagrama esquemático de un ejemplo de realización de los pasos de fabricación de la estructura objeto de la invención a partir de una cinta de material.
Las figuras 9 muestran un diagrama esquemático de otro ejemplo de realización de los pasos de fabricación de la estructura objeto de la invención a partir de una cinta de material que tiene una disposición de plegado diferente.
La figura 10 muestra una vista tridimensional de otros ejemplos de realización de una estructura celular.
La figura 11 muestra un ejemplo de realización de un escudo integrado en un fuselaje sándwich.
La figura 12 muestra un ejemplo de realización de un escudo añadido al fuselaje.
La figura 13 muestra un ejemplo de realización de un amortiguador.
Descripción detallada de la invención
Las figuras 1A y 1B muestran una vista en sección de una estructura auxética conocida en la que un conjunto de celdas auxéticas (1) se extruyen convencionalmente en una dirección perpendicular a la vista en sección para generar una estructura tridimensional. En esta estructura, cada célula auxética (1) está acodada en forma de polígono que tiene una pluralidad de aristas y vértices, más concretamente, se corresponde con una célula auxética hexagonal reentrante (1). Cada célula auxética (1) define una cavidad interna. Esta estructura tiene un comportamiento auxético sólo en una dirección, cuando experimenta una deformación por compresión, por ejemplo, en la dirección de impacto mostrada en la figura 1, la estructura es capaz de condensarse sólo en la dirección perpendicular tanto a la dirección de impacto como a la dirección de extrusión.
Preferentemente, las paredes (2) de las celdas auxéticas (1) están hechas de material de alta resistencia como fibras de aramida o de polietileno de peso molecular ultra alto y las paredes (2) que encaran la amenaza están cubiertas por una capa (6) de un material duro como la cerámica.
Para reducir su peso, las cavidades de las celdas (1) pueden rellenarse directamente con aire o con un material ligero y deformable como la espuma.
Aprovechando el comportamiento descrito para la estructura reivindicada, esta configuración no requeriría tanto material cerámico como en una configuración convencional, ya que las capas cerámicas (6) se concentrarían alrededor de la zona de impacto de la amenaza. Lo mismo ocurre con las capas de aramida. El resultado es una configuración más ligera que la convencional de cerámica/aramida, en la que se requieren capas de cerámica y aramida de espesor constante y densidad equivalente a la concentrada alrededor de la zona de impacto, en toda la zona a proteger, para conseguir las mismas prestaciones de blindaje. En consecuencia, estas soluciones convencionales consiguen una mayor densidad global y un peso más elevado.
Las células auxéticas (1) mostradas en la figura 2 comprenden un primer (3) y, opcionalmente, un segundo (4) elemento de superficie paralelos y una pluralidad de patas (5) que se extienden desde el primer (3) elemento de superficie hasta el segundo (4) elemento de superficie, si lo hay. La pluralidad de patas (5) y los elementos de superficie (3, 4) están configurados de manera que la proyección o el corte de sección de la estructura en dos planos perpendiculares a los primeros y segundos elementos de superficie (3, 4) sigue un patrón auxético.
Para lograr un comportamiento auxético bidireccional, se describen varias ejemplos de realización adicionales, todas ellas basadas en configuraciones de celdas auxéticas (1).
Las figuras 3 muestran una estructura en vista en planta y dos vistas en sección de la misma, con una geometría de celdas tridimensionales que comprende adicionalmente una capa superior y otra inferior octogonales (6) que cubren los elementos superficiales (3, 4) de las celdas auxéticas (1).
Las figuras 4a a 4d muestran un ejemplo de realización de la estructura deformable objeto de la invención en la que la estructura celular se basa en una célula auxética tridimensional hexagonal reentrante (1). El primer y segundo elemento de superficie (3, 4) de la célula auxética (1) están cubiertos por una capa (6) que tiene una forma poligonal plana, distintivamente un polígono de cuatro lados, es decir, capas superior e inferior cuadradas (6) separadas por una distancia de desplazamiento vertical, ya que la dirección principal de impacto es vertical como se muestra en la figura 4a . Las patas (5) vuelven a entrar en la célula (1) extendiéndose desde al menos cada vértice de los elementos superficiales primero y segundo (3, 4) hasta un vértice correspondiente de los elementos superficiales (3, 4) de las células auxéticas adyacentes (1) que se encuentra en una distancia intermedia entre los elementos superficiales primero (3) y segundo (4) de esta primera célula auxética (1), en la dirección principal del impacto. Las patas (5) vuelven a entrar hacia la célula auxética (1) de manera que muestran una estructura hexagonal reentrante en la vista de sección a través de los dos planos perpendiculares que contienen la dirección principal del impacto vertical y la diagonal de los elementos de superficie (3, 4), como se muestra en las figuras 4c a 4d.
La figura 5a muestra una vista isométrica de una célula auxética tridimensional (1) de otro ejemplo de realización, la figura también incluye las capas (6) de las células adyacentes (1).
En este ejemplo de realización, como puede verse en dichas dos figuras, tanto las patas (5) como los elementos superficiales (3, 4) están formados por una cinta continua (20, 30) de material de alta resistencia que se dobla formando un zig-zag, quedando los elementos superficiales (3, 4) conformados con una forma cruciforme formada por el cruce de dos cintas (20, 30) por cada célula auxética (1). Las cintas (20, 30) pueden ser directamente de material balístico de alta resistencia o una combinación con material duro en su composición para aumentar las prestaciones de resistencia al impacto resultantes.
Además, cada célula auxética (1) comprende una capa (6) de material situada cubriendo el primer y/o el segundo elemento de superficie (3, 4). En este ejemplo de realización, las capas (6) son de material duro situadas en la parte superior del cruce diagonal de las dos cintas (20, 30), perpendicular a la dirección principal de impacto para aumentar la resistencia al impacto en el punto de impacto. Este ejemplo de realización tiene la ventaja de que condensa los elementos de la capa de material duro (6) en dos direcciones perpendiculares a la dirección del impacto para evitar la penetración local y también la cinta continua (20, 30) de material de alta resistencia es capaz de extenderse en zonas fuera del punto de impacto para absorber una gran cantidad de energía mediante una gran deformación actuando como una red desplegable, aprovechando plenamente su naturaleza de tejido balístico.
Alternativamente, en la figura 5 las capas (6) de las celdas (1) se colocan en la parte superior de las cintas (20, 30) orientadas en la dirección del impacto, pero para simplificar el proceso de fabricación, podrían colocarse también en la parte inferior del cruce de las cintas (20, 30) o incluso entre las dos diagonales de las cintas (20, 30).
Como se muestra en la figura 6, que muestra una vista en sección de la estructura bajo un impacto, se pueden observar cuatro etapas de deformación diferenciadas:
1. Una primera etapa de densificación, en la que el material alrededor de la zona de impacto se densifica debido a la naturaleza auxética en dos direcciones diferentes.
2. Una segunda etapa de bloqueo, en la que la estructura no puede densificarse ni aplastarse ni desplegarse más en la zona de impacto.
3. Una tercera etapa de deformación global, en la que las zonas de la estructura que están fuera del área de impacto se extienden y el espesor de estas áreas aumenta debido al comportamiento auxético, absorbiendo una cantidad significativa de energía.
4. Una cuarta etapa en la que se extienden más las zonas fuera del área de impacto, la estructura se vuelve no auxética debido a la gran deformación de las celdas auxéticas (1), que ya no son reentrantes, y, como consecuencia, se reduce el espesor, extendiéndose la estructura hasta una última etapa desplegada en la que el resto de la estructura se deforma globalmente como una red, absorbiendo la energía restante del impacto debido a su naturaleza de tejido balístico.
La figura 7 muestra un ejemplo de realización de las cintas (20, 30) que forman las patas (5) y los elementos de superficie (3, 4) y en la que las capas (6) que cubren los elementos de superficie (3, 4) son un cuadrado. La forma de los elementos de la capa (6) puede ser diferente a la de un rectángulo o un cuadrado, y el cruce de las cintas (20, 30) que definen las superficies (3, 4) puede ser diferente al de las diagonales de los elementos superficiales (3, 4). No obstante lo anterior, la configuración mostrada en la figura 7 permite una mejor compactación en comparación con otros ejemplos de realización, ya que los vértices de los elementos de la capa (6) no interfieren entre sí, permitiendo la máxima condensación posible, minimizando los huecos entre los elementos de la capa (6) en la zona de impacto, tal y como se puede observar en la figura 7a y 7b que muestran la estructura antes y después de la condensación.
Un ejemplo de realización del proceso de fabricación de la invención comprende las siguientes etapas que se representan en las figuras 8 y 9:
- proporcionar una primera cinta de material (20, 30),
-plegar la primera cinta de material (20, 30) siguiendo un patrón auxético bidimensional de celdas auxéticas adyacentes (1) que tienen un elemento de superficie (23, 33) y dos patas (25, 35) que se extienden desde el elemento de superficie (23, 33),
-proporcionar una segunda cinta de material (21,31),
-unir dicha segunda cinta de material (21, 31) a uno de los elementos de superficie (23, 33) del patrón auxético bidimensional de la primera cinta (20, 30) formando un ángulo con la dirección longitudinal de la primera cinta (20, 30),
-plegar la segunda cinta de material (21,31) siguiendo un patrón auxético bidimensional de celdas adyacentes (1) que tienen un elemento de superficie (23, 33) y dos patas (25, 35) que se extienden desde los elementos de superficie (23, 33), estando la primera cinta (20, 30) y la segunda cinta (21,31) de material configuradas de manera que la proyección o secciones cortadas de la estructura en al menos dos planos perpendiculares a los elementos de superficie (23, 33) sigue un patrón auxético bidimensional,
-proporcionar cintas de material (21,31) adicionales y unirlas a cada elemento de la superficie (23, 33) del patrón auxético bidimensional de la primera cinta de material (20, 30) y repetir el paso anterior.
Para mantener la forma final y el grosor total de la estructura celular tridimensional resultante, se propone un proceso de curado intermedio de las cintas plegadas (20, 30, 21, 31) preimpregnadas con resina o utilizar el proceso de infusión o inyección de resina, en un paso adicional, si no están preimpregnadas, para que cada una de las cintas plegadas (20, 30, 21,31) mantenga la forma requerida antes del paso de unión de las cintas (20, 30, 21,31).
Alternativamente, las cintas (20, 30, 21, 31) pueden ser ensambladas primero sin curarlas para que aún puedan deformarse como mecanismo y luego obtener la forma final y el espesor total mediante una herramienta externa que sostenga las superficies externas superior e inferior de la estructura celular tridimensional resultante, separándolas una distancia requerida y luego curando el conjunto, si las cintas (20, 30, 21, 31) están preimpregnadas o con un paso intermedio adicional usando un proceso de infusión o inyección de resina, si no están preimpregnadas.
Como se ha dicho anteriormente, la estructura reivindicada puede ser cubierta por dos paneles (10) como se muestra en la figura 1B, formando un sándwich para aumentar su rigidez a la flexión para aplicaciones estructurales o para aumentar la resistencia al impacto proporcionada por los paneles adicionales (10) y el núcleo de la estructura deformable.
En el caso particular de que la estructura celular tridimensional forme el núcleo interior de un panel sándwich que comprende dos capas externas paralelas adicionales (10) que cubren dicho núcleo interior, estas capas externas (10) pueden ser unidas en un último paso al núcleo curado. Alternativamente, cuando la estructura celular tridimensional del núcleo interior aún no está curada, las dos capas externas paralelas adicionales (10) pueden utilizarse directamente para adherir las capas superior e inferior (6) de dicha estructura interior del núcleo mediante adhesivo o resina. Al separar las dos capas externas paralelas (10) la distancia requerida, se puede obtener la forma final y el espesor total mediante un paso adicional de curado o co-curado del conjunto resultante. La separación de las dos capas externas paralelas (10) puede realizarse, por ejemplo, añadiendo elementos de separación con la altura de separación requerida, entre las dos capas externas paralelas (10) en el límite del contorno de los paneles sándwich.
En los ejemplos de realización anteriores, la cinta (20, 30, 21,31) puede plegarse mediante líneas de plegado ortogonales con respecto a la dimensión de la longitud de la cinta (20, 30) como se muestra en la figura 8a formando celdas abiertas (1) y ensamblarse con el material de la capa cerámica (6) formando tiras dobladas como se muestra en la figura 8b que se ensamblan juntas en dos direcciones para formar la estructura deformable como se muestra en la figura 8c que comprende celdas cerradas (2).
Alternativamente, las cintas (20, 30, 21, 31) pueden plegarse con una forma de origami como se representa en la figura 9a - 9d comenzando con una cinta plana (30) que se pliega en líneas de plegado diagonal con respecto a la dimensión de longitud de la cinta (30) como se muestra en la figura 9a. La cinta (30) se dobla entonces por las líneas con los pasos mostrados en la figura 9b para formar una tira de origami doblada a la que se puede añadir un material de capa dura de cerámica (6). Las cintas (30, 31) se ensamblan entre sí en dos direcciones para formar la estructura deformable como se muestra en la figura 9c. Este proceso de fabricación alternativo proporciona la ventaja de que las cintas (30, 31) pueden adaptarse mejor al vértice de los elementos de la capa rectangular o cuadrada (6) permitiendo una mejor compactación y despliegue de la estructura, manteniendo siempre la continuidad de la sección de la cinta. La figura 9d muestra una vista superior y vistas en sección de la estructura resultante que puede sumarse para formar el espesor final requerido de la estructura.
La figura 9b muestra un ejemplo de realización del proceso de fabricación de origami en la que las líneas de plegado (32) están situadas en diagonal con respecto a la dirección longitudinal de la cinta (30). La figura 8d muestra un proceso de plegado en el que las líneas de plegado (22) están situadas ortogonalmente con respecto a la dirección longitudinal de la cinta (20).
En la figura 8d tanto cada pata (5) como el elemento de superficie (3) son un cuadrado, siendo las líneas de plegado (22) ortogonales a la dirección longitudinal de la cinta (20).
En la figura 9b, tanto cada pata (5) como el elemento de superficie (3) son un rombo. Las líneas de plegado (32) forman, por tanto, cuatro triángulos diferentes (34, 36), que se pliegan por pares, uno de los pares de triángulos (34) se pliega hacia una dirección de la cinta (30) y el otro par de triángulos (36) se pliega hacia la dirección opuesta de la cinta (30). Los vértices de los triángulos (34, 36) y del rombo (37) coinciden al cruzarse las dos líneas de plegado (32).
En la figura 10a se muestra un ejemplo realización de la célula tridimensional hexagonal reentrante en la que las patas (5) son barras o varillas y están unidas directamente a los elementos de superficie (3, 4).
Como otra alternativa, en la figura 10b, se muestra un ejemplo de realización de la célula tridimensional hexagonal reentrante (1) en la que las patas (5) son barras o varillas unidas directamente a los elementos superficiales (3, 4) con una bisagra física (9).
Las patas (5) de los ejemplos de realización anteriores con barras y varillas tienen una sección transversal circular en las figuras, aunque son posibles otras configuraciones.
En los ejemplos de realización presentados, las cavidades formadas por las celdas (1) están vacías, es decir, rellenas de aire, pero alternativamente pueden ser rellenadas por material deformable y ligero como la espuma, con la ventaja de evitar la entrada de agua de las celdas (1) que puede aumentar el peso de la estructura y también ayudar a mantener la forma durante la fabricación.
Las figuras 11 y 12 muestran un escudo que podría utilizarse también como parte estructural integrada en el fuselaje de la aeronave (figura 11), o como un escudo añadido (figura 12) como parte funcional separada si se ensambla en un proceso de montaje posterior. Si se integra como parte estructural, el fuselaje también podría aprovechar estas configuraciones de sándwiches como estructura ligera para la estabilización del panel del revestimiento, similar a las estructuras de sándwich de nido de abeja que soportan las cargas primarias convencionales de las aeronaves, pero con el valor funcional añadido de resistir impactos de alta energía. Si se monta como un escudo añadido, su funcionalidad sería únicamente la de resistir los posibles impactos de alta energía de los restos del motor, además de soportar también las cargas estructurales de la aeronave. En este última ejemplo de realización como escudo añadido, la estructura celular tridimensional puede cubrirse con dos paneles adicionales a modo de sándwich o directamente sin ellos, con el fin de reducir el peso de la penalización si no se requiere una rigidez de flexión adicional.
Por último, la figura 13 divulga una aplicación adicional de la estructura reivindicada como amortiguador en forma de columna que puede utilizarse para fijar la parte de carga de una estructura de fuselaje o la parte delantera de un coche para absorber energía en una situación de aterrizaje forzoso de un aeronave o en una situación de accidente frontal de un coche. En la figura 13, la estructura deformable está cubierta por una capa externa (11) para aumentar la capacidad de absorción de energía, pero también puede no añadirse para simplificar y reducir los costes de fabricación.

Claims (15)

  1. REIVINDICACIONES
    1 Estructura auxética deformable para la absorción de energía de un impacto que comprende una pluralidad de celdas auxéticas tridimensionales (1) contiguas e interconectadas, caracterizada por que cada celda auxética tridimensional (1) comprende al menos un elemento superficial (3) y una pluralidad de patas (5) que se extienden desde dicho elemento superficial (3), estando la pluralidad de patas (5) y el elemento superficial (3) configurados de forma que una sección de la estructura en al menos dos planos perpendiculares a dichos elementos superficiales (3) sigue un patrón auxético.
  2. 2. - Estructura auxética deformable, según la reivindicación 1, en la que cada célula auxética tridimensional (1) comprende un segundo elemento superficial (4) que tiene un desplazamiento con el primer elemento superficial (3), extendiendo la pluralidad de patas (5) entre ambos elementos superficiales (3, 4).
  3. 3. - Estructura auxética deformable, según la reivindicación 2, en la que cada célula auxética tridimensional (1) es una célula hexagonal reentrante tridimensional que sigue un patrón hexagonal reentrante bidimensional en una sección cortada en al menos dos planos perpendiculares a los elementos superficiales (3, 4).
  4. 4. - Estructura auxética deformable, según las reivindicaciones 2 ó 3, en la que el primer y el segundo elemento superficial (3, 4) de la célula auxética (1) tienen forma de polígono plano.
  5. 5. - Estructura auxética deformable, según la reivindicación 4, en la que las patas (5) se extienden desde al menos cada vértice del polígono del primer elemento superficial (3) hasta un vértice del polígono del segundo elemento superficial (4).
  6. 6. - Estructura auxética deformable, según cualquier reivindicación anterior, en la que las patas (5) están unidas al elemento de superficie (3, 4) mediante una bisagra (9).
  7. 7. - Estructura auxética deformable, según cualquier reivindicación anterior, en la que el elemento superficial (3, 4) y las patas (5) están formados por una cinta (20, 30) que se extiende continuamente formando las patas (5) y una forma cruciforme en el elemento superficial (3, 4).
  8. 8. - Estructura auxética deformable, según cualquier reivindicación anterior, en la que las celdas auxéticas (1) comprenden una capa (6) de material situada cubriendo el elemento superficial (3, 4).
  9. 9. - Estructura auxética deformable, según la reivindicación 8, en la que la capa (6) es un polígono de cuatro lados.
  10. 10. - Estructura auxética deformable, según la reivindicación 8, en la que la capa (6) es un polígono de ocho lados.
  11. 11. - Panel sándwich, caracterizado porque comprende un núcleo interior según la estructura auxética deformable de cualquier reivindicación anterior y dos paneles exteriores (10) que tienen dicho núcleo interior entre ellos.
  12. 12. - Amortiguador, caracterizado porque comprende un núcleo interno según la estructura auxética deformable de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10 anteriores y una capa externa (11) que rodea el núcleo interno.
  13. 13. - Proceso de fabricación de una estructura auxética deformable que comprende una estructura auxética formada por una pluralidad de celdas auxéticas tridimensionales (1) interconectadas entre sí, caracterizado por que comprende las siguientes etapas:
    -proporcionar una primera cinta de material (20, 30),
    -plegar la primera cinta de material (20, 30) siguiendo un patrón auxético bidimensional de celdas adyacentes (1) que tiene un elemento de superficie (23, 33) y dos patas (25, 35) que se extienden desde el elemento de superficie (23, 33),
    -proporcionar una segunda cinta de material (21,31),
    -unir dicha segunda cinta de material (21, 31) a uno de los elementos de superficie (23, 33) del patrón auxético bidimensional de la primera cinta (20, 30) formando un ángulo con la dirección longitudinal de la primera cinta (20, 30),
    -plegar la segunda cinta de material (21,31) siguiendo un patrón auxético bidimensional de celdas adyacentes (1) que tienen un elemento de superficie (23, 33) y dos patas (25, 35) que se extienden desde el elemento de superficie (23, 33), estando la primera cinta (20, 30) y la segunda cinta (21, 31) de material configuradas de tal manera que la sección de la estructura en al menos dos planos perpendiculares al elemento de superficie (23, 33) sigue un patrón auxético bidimensional,
    -proporcionar cintas de material adicionales (21,31) y unirlas a cada elemento de la superficie (23, 33) del patrón auxético bidimensional de la primera cinta de material (20, 30) y repetir el paso anterior.
  14. 14.- Proceso de fabricación de una estructura auxética deformable, según la reivindicación 13, en el que las cintas de material (20, 30) comprenden líneas de plegado (22, 32) que son ortogonales a la dirección longitudinal de la cinta (20) o que son diagonales a la dirección longitudinal de la cinta (30) y las cintas (20, 30) se pliegan siguiendo dichas líneas de plegado (22, 32).
  15. 15.- Proceso de fabricación de una estructura auxética deformable, según la reivindicación 14, donde comprende la etapa de curado de las cintas plegadas (20, 30, 21,31) antes de la etapa de ser unidas o comprende la etapa de curado de la estructura después de que las cintas (20, 30, 21,31) sean plegadas y unidas para formar la misma.
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