Las celosías de placas serán el diseño de elección para los futuros materiales porosos ligeros. Crédito:ETH Zurich / Marc Day
Los investigadores de ETH han desarrollado y fabricado una familia de arquitecturas que maximiza la rigidez de los materiales ligeros porosos. Es prácticamente imposible desarrollar diseños más rígidos.
La impresión 3-D y otras técnicas de producción aditiva permiten fabricar materiales con estructuras internas de complejidad antes inimaginable. Esto es interesante para la construcción ligera, también, ya que permite el desarrollo de materiales que tienen la mayor proporción posible de huecos interiores (para hacer que los materiales sean lo más ligeros posible) pero que al mismo tiempo son lo más robustos posible. Para lograrlo, es necesario que las estructuras internas estén organizadas de manera inteligente para lograr la máxima eficiencia.
Un equipo de investigación de ETH Zurich y MIT dirigido por Dirk Mohr, Profesor de Modelado Computacional de Materiales en la Manufactura, ha desarrollado y fabricado arquitecturas de materiales que son igualmente fuertes en las tres dimensiones, y que son a la vez extremadamente rígidos.
Es posible determinar matemáticamente cuán rígidos pueden llegar a ser teóricamente los materiales con vacíos internos; Se ha demostrado que las estructuras de Mohr se acercan mucho a esta rigidez máxima teórica. Dicho de otra manera, es prácticamente imposible desarrollar otras estructuras de materiales que sean más rígidas para el peso dado.
Placas que reemplazan las cerchas
Un rasgo característico del diseño es que la rigidez en el interior del material se logra mediante celosías de placas en lugar de cerchas.
Esta estructura es una de las más rígidas de la historia. Crédito:Tancogne-Dejean T et al. Materiales avanzados 2018
"El principio de celosía es muy antiguo; se ha utilizado durante mucho tiempo para casas con entramado de madera, puentes y torres de acero, como la Torre Eiffel.
Podemos ver a través de celosías de celosía, por lo que a menudo se perciben como estructuras ligeras ideales, "dice el profesor Mohr." Sin embargo, usando cálculos de computadora, teoría y mediciones experimentales, ahora hemos establecido una nueva familia de estructuras de celosía de placas que son hasta tres veces más rígidas que las celosías de celosía del mismo peso y volumen "(Ver recuadro). Y no es solo la rigidez (resistencia a la deformación elástica) de estos estructuras que se acercan a los valores máximos teóricos:su resistencia (resistencia a la deformación irreversible) lo hace, también.
Los investigadores de ETH desarrollaron inicialmente estas celosías en la computadora, calculando sus propiedades en el proceso. Luego los produjeron a escala micrométrica a partir de plástico mediante impresión 3D. Mohr enfatiza, sin embargo, que las ventajas de este diseño son de aplicación universal, para todos los materiales constituyentes y también en todas las escalas de longitud, desde lo muy pequeño (tamaño nanométrico) hasta lo muy grande.
Ejemplo de celosía de placas de polímero fabricado aditivamente (izquierda) y celosía de celosía (derecha). El cubo de la izquierda está construido con placas que miden solo 2 micrómetros de espesor. Ambos cubos tienen una longitud de borde de 0,2 milímetros. Crédito:Tancogne-Dejean T et al. Materiales avanzados 2018
Por delante de su tiempo
Mohr y su equipo de investigación se adelantan a su tiempo con estas nuevas celosías:en la actualidad, la fabricación con impresión 3D sigue siendo relativamente cara. "Si este tipo de celosías se fabricaran de forma aditiva a partir de acero inoxidable en la actualidad, costarían tanto por gramo como la plata, ", dice Mohr." Pero el gran avance llegará cuando las tecnologías de fabricación aditiva estén listas para la producción en masa. Construcción ligera, cuyo coste actual limita su uso práctico a la fabricación de aeronaves y aplicaciones espaciales, también podría utilizarse para una amplia gama de aplicaciones en las que el peso juega un papel importante ". Además de hacer las estructuras más ligeras, los numerosos vacíos también reducen la cantidad de materias primas necesarias, y por tanto también los costes de material.
Cuando se trata de soportar cargas en las tres dimensiones (desde arriba o desde abajo, izquierda o derecha, y anverso o reverso), las celosías de placa tienen una clara ventaja sobre las celosías de celosía. El siguiente experimento mental ayuda a comprender esto:Imagine dos cubos con paredes exteriores muy delgadas. Dentro de ellos hay puntales para evitar que los cubos se compriman cuando se aplica presión externa. Un cubo usa trusses, y el otro, platos (ver figura). En ambos casos, el volumen de material, y por tanto el peso de la estructura interior, es idéntico. Si se aplica una fuerza a la estructura de celosía (centro) desde arriba, uno de los tres stuts (amarillo) lleva esta fuerza. Los otros dos puntales (azules) no contribuyen a la estabilidad, pero son necesarios en caso de que la fuerza provenga de otra dirección. Si, a diferencia de, se aplica fuerza a la celosía de la placa (derecha) desde arriba, dos de las tres placas contribuyen a su estabilidad (las amarillas). Esta forma hace un mejor uso de los puntales internos, por lo que es más eficiente. Crédito:ETH Zurich
No hay límite para las aplicaciones potenciales, Dice Mohr. Implantes médicos, carcasas de portátiles y estructuras de vehículos ultraligeros son solo tres de los muchos ejemplos posibles. "Cuando el tiempo es correcto, tan pronto como se fabriquen materiales ligeros a gran escala, "Mohr dice, "estas celosías de placas periódicas serán el diseño de elección".
