Mejorando Piezas con Estructuras de Celosía Impresas en 3D

Las estructuras de celosía impresas en 3D son uno de los mayores argumentos de venta de la fabricación aditiva. Son fáciles de fabricar usando el proceso único de la impresión 3D, y ofrecen muchos beneficios prácticos.

Las estructuras de celosía son esencialmente patrones de relleno —formas de estructurar la geometría interna de una pieza impresa en 3D. En lugar de imprimir un bloque sólido de plástico o metal, los ingenieros pueden usar patrones superpuestos e interconectados que son parcialmente huecos. Cuando estas celosías se diseñan correctamente, pueden mejorar enormemente las propiedades mecánicas de una pieza, haciéndola más ligera y más resistente.

Lo importante es que las estructuras de celosía pueden fabricarse en cualquier impresora 3D de grado profesional. Y lo que es aún más importante, estas estructuras no pueden producirse adecuadamente con ninguna otra tecnología de fabricación. Las tecnologías sustractivas no pueden cortar el interior de una pieza sin cortar el exterior, mientras que los moldes simplemente se «llenan» con material líquido —no se puede elegir cómo cae ese material como se hace con una impresora 3D.

Este artículo examina cómo se fabrican las estructuras de celosía impresas en 3D y por qué se están volviendo tan útiles en sectores como el aeroespacial.

¿Cómo se hace una celosía impresa en 3D?

Las estructuras de celosía se ven en todas partes, en puentes y casas de madera. La Torre Eiffel es quizás el ejemplo más famoso del mundo de una estructura de celosía o armadura, con sus vigas superpuestas formando una estructura estable pero mayormente hueca.

Es posible replicar tal estructura en una pieza impresa en 3D. Y generalmente no es necesario diseñar el marco de la celosía manualmente: existen varias herramientas de generación de celosías que generan automáticamente patrones basados en parámetros elegidos por el usuario. Herramientas comerciales incluyen nTopology, Autodesk Within y Meshify.

Pero no todas las celosías son iguales. De hecho, varían en muchas formas, con las variaciones clave descritas a continuación.

Estructura de celda

Las celdas son las unidades individuales que componen una estructura de celosía. Suelen ser reconocibles como formas geométricas como cubos, estrellas, hexágonos, octágonos, etc., aunque varias formas pueden combinarse para usos mecánicos específicos. A veces las celdas son completamente no uniformes, sin patrón discernible.

En última instancia, la estructura de la celda —tanto su forma como su tamaño— afecta cómo se comportará una pieza en términos de resistencia, peso, elasticidad y otros factores.

Orientación de celda

Decidir la estructura y tamaño de la celda es solo la mitad de la historia. Las formas dentro de una celosía pueden orientarse de diferentes maneras, lo que también afecta el rendimiento final de la pieza. La orientación también debe determinarse por restricciones de impresión: ciertas orientaciones requerirán más estructuras de soporte, por ejemplo.

Material de la celosía

No todos los materiales pueden imprimir todas las estructuras de celosía. Los materiales blandos y elásticos generalmente no deben imprimirse con estructuras de celda grandes, ya que las secciones porosas grandes pueden hacer que la pieza se hunda. En la mayoría de los casos, el material de la celosía será el mismo que el del caparazón o material externo, pero las impresoras de multi-extrusión ofrecen cierta flexibilidad al respecto.

¿Cuáles son los beneficios de una celosía impresa en 3D?

Al incorporar estructuras de celosía en piezas impresas en 3D, los ingenieros pueden obtener beneficios como reducción de peso, mejora de la resistencia de la pieza y absorción de impactos.

La reducción de peso es quizás el más importante de esos beneficios y la razón principal por la que los ingenieros están tan interesados en optimizar sus estructuras impresas con geometrías internas patternadas. Una característica clave de las estructuras de celosía es su parcial hueco: las celdas contienen espacio vacío, por lo que una pieza con un patrón de celosía interno tiene menos material total que una pieza equivalente con relleno sólido.

Menos material total significa menos masa, una enorme ventaja para usuarios de AM en industrias como la automotriz y aeroespacial, donde reducir solo unos gramos puede marcar una gran diferencia en el rendimiento de la pieza. De hecho, algunas de las investigaciones más emocionantes sobre celosías se están llevando a cabo en aeroespacial, donde empresas como Boeing han desarrollado materiales de celosía avanzados superligeros.

Menos material también significa menor gasto. Al crear piezas con estructuras de celosía, los ingenieros pueden crear piezas superiores que en realidad cuestan menos que las inferiores.

Pero el punto principal de las estructuras de celosía es reducir masa sin comprometer la integridad de la pieza. Mientras que hacer agujeros arbitrarios en una pieza podría hacerla más frágil y propensa a romperse, las estructuras de celosía impresas en 3D están diseñadas para usar el material de la manera estructuralmente más efectiva posible, asegurando que las secciones huecas no sean vulnerabilidades, sino fortalezas en sí mismas.

Piezas parcialmente huecas con estructuras de celosía pueden ser incluso más resistentes que sus equivalentes sólidos, porque los espacios vacíos en una celosía sirven para mejorar la absorción de impactos y reducir el estrés de choque. Piezas con estructuras de celda grande pueden ser altamente flexibles y elásticas, reduciendo la fragilidad y la posibilidad de rotura.

Menos importantes pero aún notables son la estética de las celosías. Estos patrones complejos son algunas de las formas más impresionantes que los ingenieros pueden hacer con una impresora 3D, por lo que las piezas con celosías impresas suelen ser tan visualmente impactantes como prácticas.

Resumen de beneficios de celosías impresas en 3D:

• Ligeras
• Menor uso de material
• Resistentes
• Absorben impactos
• Estéticas

¿Pueden las máquinas CNC hacer estructuras de celosía?

En resumen, no. Las máquinas CNC y otras tecnologías de fabricación sustractiva no pueden hacer estructuras de celosía 3D porque usan herramientas de corte para remover material de un bloque sólido. Una máquina CNC podría cortar las secciones huecas de la primera fila de celdas, pero la herramienta entonces llegaría a un callejón sin salida. No puede cortar la siguiente fila de secciones huecas porque las secciones sólidas están en el camino.

Una impresora 3D no encuentra este problema porque fabrica piezas en capas o secciones transversales, construyéndolas desde la nada en lugar de cortarlas desde un bloque sólido. La fabricación aditiva es, por tanto, la mejor tecnología para crear estructuras de celosía.

Sin embargo, cabe notar que las máquinas CNC pueden crear efectivamente estructuras de celosía 2D como rejillas, y estas celosías mecanizadas por CNC específicas pueden, de hecho, ser más fuertes que las celosías impresas en 3D.

¿Cuáles son las aplicaciones prácticas de las celosías impresas en 3D?

Las estructuras de celosía impresas en 3D ya tienen aplicaciones en muchas industrias, ya que ingenieros y diseñadores de productos en todo el espectro comercial buscan constantemente formas de aligerar y fortalecer piezas.

La reducción de peso es especialmente importante en las industrias aeroespacial y automotriz, ya que las piezas pesadas generalmente reducen la velocidad del vehículo y provocan mayor consumo de combustible. Por tanto, las piezas ligeras son mucho más deseables.

Dado que las estructuras de armadura han existido en arquitectura por cientos de años, no es sorpresa que versiones miniaturizadas de celosías también se estén volviendo populares en el panorama de la arquitectura actual. Y como las estructuras de celosía pueden diseñarse con precisión, los investigadores han encontrado formas de crear patrones 3D que reducen el ruido, potencialmente mejorando materiales aislantes para edificios.

Las celosías impresas en 3D también se encuentran en ropa y calzado, con empresas como Adidas usando celosías de elastómero impresas en 3D para mediasuelas de zapatillas. Estas celosías proporcionan una amortiguación ligera con una enorme capacidad de rebote —mucho mejor y más justificable científicamente que las ubicuas «burbujas de aire» de los años 90.

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