Estudio de una propuesta de estructura celular de un metamaterial para una configuración resistente a los efectos torsionales presentes en un eje de transmisión de potencia fabricado mediante manufactura por capas

Abstract

La tesis presenta el estudio y diseño de un eje de transmisión de potencia basado en una estructura celular tipo metamaterial, fabricado mediante técnicas de manufactura por capas, con el propósito de resistir los efectos torsionales generados por un motor eléctrico Pedrollo PKm de 0.5 [HP] y 3450 [rpm]. El trabajo parte de una revisión teórica sobre metamateriales, manufactura aditiva, estructuras celulares y análisis por el método de elementos finitos, estableciendo las bases para la selección y evaluación de geometrías estructurales. En la metodología se plantean y analizan seis configuraciones de estructuras celulares de la bibliografía, incluyendo tipos lattice y sándwich, evaluadas mediante simulaciones en ANSYS Workbench para determinar su comportamiento frente a cargas torsionales. A partir de estos análisis, se selecciona una estructura óptima y se diseña el eje considerando las condiciones de operación del motor. Posteriormente, se realiza un análisis modal y se fabrican prototipos mediante tecnologías FDM y SLA para validar experimentalmente su desempeño. Los resultados evidencian que la estructura 3D chiral metamaterial with hexagonal sandwich ofrece el mejor desempeño en términos de rigidez torsional, resistencia al esfuerzo cortante y capacidad de retrasar la aparición de fallas. Sin embargo, se identifican limitaciones significativas en la fabricación mediante FDM debido a la anisotropía y debilidad interlaminar, lo que provoca fallas prematuras por delaminación. Por otro lado, la fabricación mediante SLA demuestra ser más adecuada, logrando un eje capaz de soportar hasta cinco veces el torque nominal sin deformaciones apreciables. En general, este trabajo confirma la viabilidad del uso de metamateriales en ejes de transmisión, proponiendo una alternativa innovadora frente a diseños convencionales y sentando bases para futuras investigaciones en el área.