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Planteamiento de la estructura celular de un metamaterial para el diseño y construcción de un eje de transmisión de potencia fabricado mediante manufactura aditiva

Resumen

La implementación de nuevas técnicas de manufactura, como la impresión 3D, ha abierto nuevas posibilidades de estudio en la forma en que se diseñan las estructuras. Un ejemplo de esto es el campo de los metamateriales, que presentan geometrías y características poco comunes en la naturaleza. En el ámbito de la ingeniería, se busca obtener elementos mecánicos que tengan un rendimiento alto en términos de su relación peso-eficiencia, y los metamateriales se perfilan como una opción prometedora en este sentido. Este trabajo se enfoca en el diseño y prueba de un eje sometido a torsión utilizando dos tipos de metamateriales mecánicos: uno con una estructura tipo rejilla y otro con una estructura tipo hélices. Inicialmente, se propusieron seis diseños con el objetivo de evaluar el comportamiento de las celdas unitarias, tres de cada tipo de estructura. Estas propuestas se caracterizaron mediante análisis estáticos realizados en ANSYS. Entre las estructuras evaluadas, se identificaron como las más prometedoras la estructura tipo "Honeycomb" y la estructura de "Hélices Radiales". Posteriormente, se llevaron a cabo análisis adicionales para determinar cómo se comportaban estas estructuras al variar su longitud y diámetro. También se realizaron análisis modales para identificar los primeros seis modos de vibración asociados con las frecuencias naturales de cada estructura en cada etapa del proyecto. Para evaluar el comportamiento de estas estructuras en un entorno real, se diseñaron y fabricaron los dos ejes con las mejores alternativas utilizando el método FDM de manufactura aditiva, empleando PLA común y PLA reforzado. Además, se construyó un banco experimental que incorporo un motor eléctrico al que se acoplaron los ejes. En este, se montó un mecanismo de frenado que permitió simular la transmisión de potencia y evaluar el comportamiento cualitativamente de los ejes ante la torsión. También se realizó un Análisis Modal Experimental (EMA) en donde se validaron los resultados de los modos de vibración obtenidos en las simulaciones computacionales.