ESTUDIO NUMÉRICO DEL EFECTO DE LA DENSIDAD DE EMPAQUETAMIENTO DE LAS PARTÍCULAS ESPACIADORAS SOBRE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DE ESPUMAS DE ALUMINIO FABRICADAS POR INFILTRACIÓN

Abstract

Las espumas metálicas son sólidos celulares que están compuestos por un conjunto de compartimientos, integrados por una red de celdas o polígonos unidos entre sí. Cuando todas las celdas están interconectadas, se denominan espumas de celda abierta; Compuestas de una matriz sólida y de una fase gaseosa representada con poros esféricos de distintos tamaños que reducen el peso del material, lo cual lo hace útil para aligerar estructuras, absorción de energía, filtración, aislamiento acústico, blindaje contra el electromagnetismo, entre otros. El aluminio y sus aleaciones se caracterizan por la baja densidad en comparación a la del acero, elevadas conductividades eléctricas y térmicas, alta resistencia a la corrosión, es dúctil a temperatura ambiente, es abundante, fácil de conseguir y económico. El método de fabricación por infiltración es el más económico para fabricar espumas metálicas de aluminio de celda abierta. Consiste en una técnica de 3 pasos; preparación de las partículas espaciadoras, vertido del aluminio fundido en un molde con partículas dispuestas en distintos tamaños y posiciones generando una preforma sólida compuesta de dos fases y finalmente introducir la preforma en un solvente para diluir las partículas espaciadoras. Este método permite replicar espumas y, por consiguiente, sus propiedades. Estudios previos, muestran que la fabricación de espumas con una porosidad de 65% obtienen una interconexión interna de los poros de un 99%, generando siempre espumas de celda abierta, por lo que es el valor utilizado para todos los modelos trabajados. Para una misma porosidad habrá distintas densidades de empaquetamiento, propiedad que se define como la proporción entre el volumen compuesto por poros y el volumen sólido de aluminio, siendo muy relevante la geometría de cada partícula. Numéricamente es idéntico a la porosidad, teóricamente, es un concepto diferente y de acuerdo con esto, se estudia el comportamiento del módulo de Young relativo de cada espuma producto de su densidad de empaquetamiento. Para el arreglo de partículas espaciadoras y la definición de los modelos de estudio, se establecen los conceptos de relación de tamaño (𝜂��) y relación de cantidad (𝜙��); Relación entre los radios de las partículas espaciadoras más grandes con las más pequeñas y la relación que hay entre la cantidad de partículas espaciadoras grandes y las pequeñas respectivamente. La siguiente investigación presenta el estudio numérico de la densidad de empaquetamiento de las partículas espaciadoras sobre las propiedades mecánicas de espumas de aluminio fabricadas por infiltración, utilizando el software computacional ANSYS®, montando geometrías generadas por un código en Python que asegura la interconectividad interna, y luego realizando simulaciones de ensayos de compresión resueltos con el método de elementos finitos. Son nueve los modelos a utilizar, siendo el modelo 1, el que tiene todas sus partículas espaciadoras del mismo tamaño, relación de tamaño y cantidad igual a 1. Luego hay modelos con relación de tamaño 2 y 4 para relaciones de cantidad de 2,4,6 y 8, obteniendo cuatro modelos por cada relación de tamaño. El volumen de control utilizado tiene forma cilíndrica, y se espera que a medida que se empiecen a agregar partículas pequeñas en los modelos, los valores obtenidos empiecen a disminuir su dispersión y a tender a un valor en específico, debido a que las partículas pequeñas empiezan a predominar en los modelos. Se tiene en consideración que, si se utilizan partículas muy pequeñas, estas tienden a aglutinarse en los fondos y generar espumas con estructura inestable. Por ello se utiliza hasta la relación de cantidad 𝜙��=8