La estructura de titanio impresa en 3D muestra una fuerza sobrenatural
Un 'metamaterial' impreso en 3D con niveles de resistencia y peso que normalmente no se ven en la naturaleza o en la fabricación podría cambiar la forma en que fabricamos todo, desde implantes médicos hasta piezas de aviones o cohetes.
El líder del estudio, Jordan Noronha, sostiene el cubo de celosía de titanio. Crédito de la imagen: Universidad RMIT
Los investigadores de la Universidad RMIT crearon el nuevo metamaterial (término utilizado para describir un material artificial con propiedades únicas que no se observan en la naturaleza) a partir de una aleación de titanio común.
Pero es el diseño único de la estructura reticular del material, revelado recientemente en la revista Advanced Materials, lo que lo hace todo menos común: las pruebas muestran que es un 50% más fuerte que la siguiente aleación más fuerte de densidad similar utilizada en aplicaciones aeroespaciales.
Mejorando el diseño de la naturaleza
Las estructuras de celosía hechas de puntales huecos se inspiraron originalmente en la naturaleza: fuertes plantas de tallo hueco como el nenúfar Victoria o el resistente coral de órgano (Tubipora musica) nos mostraron la manera de combinar ligereza y fuerza.
Sin embargo, como explica el distinguido profesor Ma Qian del RMIT, décadas de intentar replicar estas "estructuras celulares" huecas en metales se han visto frustradas por los problemas comunes de capacidad de fabricación y tensión de carga que se concentra en las áreas internas de los puntales huecos, lo que lleva a fallas prematuras.
"Lo ideal es que la tensión en todos los materiales celulares complejos se distribuya uniformemente", explicó Qian.
"Sin embargo, para la mayoría de las topologías, es común que menos de la mitad del material soporte principalmente la carga de compresión, mientras que el mayor volumen de material es estructuralmente insignificante".
La impresión 3D en metal proporciona soluciones innovadoras sin precedentes a estos problemas.
Al llevar el diseño de impresión 3D al límite, el equipo de RMIT optimizó un nuevo tipo de estructura reticular para distribuir la tensión de manera más uniforme, mejorando su resistencia o eficiencia estructural.
"Diseñamos una estructura de celosía tubular hueca que tiene una banda delgada en su interior. Estos dos elementos juntos muestran una fuerza y una ligereza nunca antes vistas juntas en la naturaleza", dijo Qian.
"Al fusionar eficazmente dos estructuras reticulares complementarias para distribuir uniformemente la tensión, evitamos los puntos débiles donde normalmente se concentra la tensión".
Fuerza impulsada por láser
El equipo imprimió en 3D este diseño en el recinto de fabricación avanzada de RMIT utilizando un proceso llamado fusión de lecho de polvo láser, donde se funden capas de polvo metálico en su lugar utilizando un rayo láser de alta potencia.
Las pruebas demostraron que el diseño impreso (un cubo reticular de titanio) era un 50 % más resistente que la aleación de magnesio fundido WE54, la aleación más resistente de densidad similar utilizada en aplicaciones aeroespaciales. La nueva estructura había reducido efectivamente a la mitad la cantidad de tensión concentrada en los infames puntos débiles de la red.
El diseño de doble celosía también significa que cualquier grieta se desvía a lo largo de la estructura, mejorando aún más la dureza.
El autor principal del estudio y candidato a doctorado del RMIT, Jordan Noronha, dijo que podrían hacer esta estructura a una escala de varios milímetros o varios metros de tamaño utilizando diferentes tipos de impresoras.
Esta capacidad de impresión, junto con su resistencia, biocompatibilidad, corrosión y resistencia al calor, lo convierten en un candidato prometedor para muchas aplicaciones, desde dispositivos médicos como implantes óseos hasta piezas de aviones o cohetes.
"En comparación con la aleación de magnesio fundido más fuerte disponible actualmente utilizada en aplicaciones comerciales que requieren alta resistencia y peso ligero, nuestro metamaterial de titanio con una densidad comparable demostró ser mucho más fuerte o menos susceptible a cambios permanentes de forma bajo cargas de compresión, sin mencionar que es más factible de fabricar", dijo Noronha.
El equipo planea perfeccionar aún más el material para lograr la máxima eficiencia y explorar aplicaciones en entornos de mayor temperatura.
Si bien actualmente es resistente a temperaturas de hasta 350 grados, creen que se podría fabricar para soportar temperaturas de hasta 600 grados utilizando aleaciones de titanio más resistentes al calor, para aplicaciones en el sector aeroespacial o drones de extinción de incendios.
Como la tecnología para fabricar este nuevo material aún no está ampliamente disponible, su adopción por parte de la industria podría llevar algún tiempo.
"Los procesos de fabricación tradicionales no son prácticos para la fabricación de estos intrincados metamateriales metálicos, y no todo el mundo tiene una máquina de fusión láser de lecho de polvo en su almacén", afirmó.
"Sin embargo, a medida que la tecnología se desarrolle, será más accesible y el proceso de impresión será mucho más rápido, lo que permitirá a un público más amplio implementar nuestros metamateriales multitopológicos de alta resistencia en sus componentes. Es importante destacar que la impresión 3D de metal permite una fácil fabricación de formas netas. para aplicaciones reales."
El director técnico del recinto de fabricación avanzada de RMIT, el distinguido profesor Milan Brandt, dijo que el equipo dio la bienvenida a las empresas que deseen colaborar en las numerosas aplicaciones potenciales.
"Nuestro enfoque es identificar desafíos y crear oportunidades a través del diseño colaborativo, el intercambio de conocimientos, el aprendizaje basado en el trabajo, la resolución de problemas críticos y la traducción de la investigación", dijo.