Development of lightweight auxetic composites for noise reduction and vibration damping

Abstract

The future of transportation involves the reduction of emissions by the transition from individual to communal types of transport and lowering the consumption of energy. Railway, in particular, stands out from other types of transports since it consumes less energy, requires less space and produces less CO2. Further emission reduction in railway vehicles may be promoted by their weight decrease. This would not only lower the required energy in cruising regimes, but also facilitate accelerations and reduce braking/propulsion wear. Additionally, the mitigation of railway noise/vibration would increase the attractiveness of this transports on a passenger point-of-view. It may be understood that both issues could be addressed by using lightweight materials with enhanced vibration and noise damping. This study proposes the design of such a material, also considering its structural strength. It is suggested that composite materials with a negative Poisson’s ratio (i.e. auxetics) and non-stochastic cellular solid configurations are able to display high static and dynamic mechanical properties with lightweight characteristics. A novel additive manufacturing assisted investment casting technique is developed to produce the samples. The cellular solids are scanned using X-ray microcomputed tomography for the dimensional/defect analysis and validation of the manufacturing process. Experimental and numerical analysis are used to analyze the impact of the Poisson’s ratio in the stiffness, collapse, vibration damping and sound reflection/transmission of the samples. These results are compared with current available materials to confirm the advantage of their application. It is concluded that the proposed manufacturing process is able to reproduce the intended proposed design. Indeed, the correlation between their static/dynamic mechanical properties, sound absorption/transmission and lightweight characteristics of the samples show a very desirable solution to be used in future railway vehicle fabrication.

O futuro dos transportes está intimamente ligado à redução de emissões, pela transição de veículos individuais para coletivos e diminuição de consumos energéticos. A ferrovia, em particular, destaca--se dos outros tipos de transporte pelo seu menor consumo energético, ocupação de menor espaço geográfico e pela reduzida emissão de CO2. Eventualmente, estes impactos podem ser ainda diminuídos com a redução do peso das carruagens. Esta otimização permite, não só, baixar a energia que é necessária para o movimento do veículo, como também, facilitar acelerações e diminuir os desgastes durante os regimes de travagem/propulsão. Adicionalmente, é necessário reduzir as vibrações e o ruido ferroviário para tornar esta alternativa mais atrativa do ponto de vista do passageiro. Facilmente se entende que estes problemas podem ser mitigados com materiais leves e características otimizadas para o amortecimento estrutural e mitigação de ruido. Este estudo propõem o design de um material com estas características, considerando que as suas propriedades de resistência estrutural não podem ser negligenciadas. É proposto que materiais compósitos leves com um coeficiente de Poisson negativo (i.e. Auxéticos) e com um configuração de sólido celular não-estocástico podem ser uma solução para obter boas propriedades mecânicas estáticas/dinâmicas e baixa densidade especifica. Para a sua fabricação é proposta uma inovadora técnica hibrida que combina a manufatura aditiva com a fundição por modelo perdido. Os sólidos celulares produzidos foram radiografados por microtomografia computorizada de raios-X para caracterizar o processo de manufatura em termos de defeitos e variações dimensionais. Foram usados ensaios experimentais e análise numérica para avaliar o impacto do coeficiente de Poisson na rigidez, colapso, amortecimento estrutural e absorção/transmissão acústica das amostras. Estes resultados são comparados com materiais disponíveis no mercado para verificar a vantagem do material desenvolvido para aplicação desejada. É concluído que o processo de manufatura desenvolvido é capaz de replicar o design desejado. A correlação entre propriedades mecânicas estáticas/dinâmicas, a sua absorção/transmissão acústica e a sua baixa densidade específica revelam que os sólidos celulares desenvolvidos são uma solução promissora para o futuro da construção de veículos ferroviários.