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Publication
Piezoresistive Sandwich Structures: Assessing the viability of additive manufacturing and real-time monitoring for aerospace applications
| Name: | Description: | Size: | Format: | |
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| Documento em Acesso Embargado até dia 11-03-2026. Tente solicitar cópia ao autor carregando no ficheiro | 3.64 MB | Adobe PDF |
Authors
Abstract(s)
The use of composite materials, especially laminates and sandwich materials, has been currently experiencing significant growth, both qualitatively and quantitatively; this fact is owed to their advantages over traditional options, namely with regards to their resistance to fatigue, stiffness and relatively low weight. These factors contribute to their preference in transport-related applications, namely in the aerospace industry. Simultaneously, recent advances in manufacturing techniques and a paradigm shift towards favouring materials and components that independently integrating multiple functions indicate an undeniable potential for the improvement of the manufacture and functionality of these same composites. In this work, several beam-type samples were developed according to the principles of a sandwich-type composite, where the traditional fabrication for a laminate is complemented by additive manufacturing techniques and the additional inclusion of a piezoresistive component to promote an electrical monitoring capability, with the objective of demonstrating the viability of such a configuration of elements in a single component. Furthermore, three different types of cores were created for the sandwiches – with hexagonal, auxetic (re-entrant) and cubic cells – with the intention of emphasising the advantages and disadvantages of the various types of cells, namely those of a geometry only made possible by resorting to additive manufacturing. These efforts highlighted the cubic geometry for its greater energy absorption: up to 273 % greater than other geometries; the highlight of the auxetic geometry was a superior strain at the yield point: up to 196 % further than the other options; and the highlight of the hexagonal was an inferior decline in stress and elastic modulus over cycles: up to 26 % of that observed for both values in other geometries. Furthermore, all geometries achieved a high-quality piezoresistive response, demonstrating multifunctionality.
O uso de materiais compósitos, especialmente laminados e sanduíches, tem vindo a registar crescimentos significativos, tanto a nível qualitativo como quantitativo. Este facto deve-se às suas vantagens relativamente a opções tradicionais, nomeadamente no que se refere à resistência à fadiga, resistência e módulo específicos, e peso relativamente baixo. Estes fatores significam que o seu uso é altamente favorável em aplicações no setor dos transportes, nomeadamente na indústria aeroespacial. Em simultâneo, os avanços recentes em técnicas de fabrico e a mudança de paradigma para a integração de várias funções em materiais e componentes independentes indicam um potencial inegável para a melhoria dos processos de fabrico e multifuncionalidade destes compósitos. Neste trabalho, foram desenvolvidas amostras tipo viga segundo os princípios de um compósito sanduíche, recorrendo ao fabrico tradicional de laminados usados nas peles, com a inclusão adicional de uma funcionalidade piezoresistiva, complementada por núcleos fabricados por técnicas de manufatura aditiva. Desta forma, promoveu-se a funcionalidade de monitorização elétrica, com o objetivo de demonstrar a viabilidade desta configuração de elementos num só componente. Procedeu-se também à criação de três tipos diferentes de núcleos para as sanduíches – de células hexagonais, auxéticas (reentrantes) e cúbicas – com o intuito de salientar as vantagens das geometrias possíveis apenas com recurso à manufatura aditiva. Os resultados mostraram que a geometria cúbica se destaca por uma absorção de energia elevada: até 273 % superior à das outras geometrias; a auxética destaca-se por alcançar a maior deformação até à rutura: até 196 % superior à das outras opções; e a hexagonal apresenta uma degradação menor da tensão e do módulo de elasticidade com cada ciclo: até 26 % da degradação de ambos os valores nas outras geometrias. Além disso, todas as geometrias atingiram uma resposta piezoresistiva de elevada qualidade, demonstrando assim a sua viabilidade multifuncional.
O uso de materiais compósitos, especialmente laminados e sanduíches, tem vindo a registar crescimentos significativos, tanto a nível qualitativo como quantitativo. Este facto deve-se às suas vantagens relativamente a opções tradicionais, nomeadamente no que se refere à resistência à fadiga, resistência e módulo específicos, e peso relativamente baixo. Estes fatores significam que o seu uso é altamente favorável em aplicações no setor dos transportes, nomeadamente na indústria aeroespacial. Em simultâneo, os avanços recentes em técnicas de fabrico e a mudança de paradigma para a integração de várias funções em materiais e componentes independentes indicam um potencial inegável para a melhoria dos processos de fabrico e multifuncionalidade destes compósitos. Neste trabalho, foram desenvolvidas amostras tipo viga segundo os princípios de um compósito sanduíche, recorrendo ao fabrico tradicional de laminados usados nas peles, com a inclusão adicional de uma funcionalidade piezoresistiva, complementada por núcleos fabricados por técnicas de manufatura aditiva. Desta forma, promoveu-se a funcionalidade de monitorização elétrica, com o objetivo de demonstrar a viabilidade desta configuração de elementos num só componente. Procedeu-se também à criação de três tipos diferentes de núcleos para as sanduíches – de células hexagonais, auxéticas (reentrantes) e cúbicas – com o intuito de salientar as vantagens das geometrias possíveis apenas com recurso à manufatura aditiva. Os resultados mostraram que a geometria cúbica se destaca por uma absorção de energia elevada: até 273 % superior à das outras geometrias; a auxética destaca-se por alcançar a maior deformação até à rutura: até 196 % superior à das outras opções; e a hexagonal apresenta uma degradação menor da tensão e do módulo de elasticidade com cada ciclo: até 26 % da degradação de ambos os valores nas outras geometrias. Além disso, todas as geometrias atingiram uma resposta piezoresistiva de elevada qualidade, demonstrando assim a sua viabilidade multifuncional.
Description
Keywords
Compósito Sanduíche Manufatura Aditiva Piezoresistividade Resposta Eletromecânica Monitorização em Tempo Real Additive Manufacturing Sandwich Composite Piezoresistivity Electromechanical Response Real-Time Monitoring