Nueva forma de material impreso en 3D destinado a diseños de automóviles más ligeros y seguros y más

Un equipo de investigación dirigido por ingenieros de la Universidad de Glasgow desarrolló una nueva forma de material compuesto impreso en 3D fabricado mediante la combinación de resinas de poliolefina con nanotubos de carbono de paredes múltiples que es más resistente y más ligero que formas similares de aluminio. El equipo anticipa que esto podría conducir al desarrollo de estructuras más seguras, livianas y duraderas para su uso en las industrias automotriz, aeroespacial, renovables y marina. En un nuevo artículo, Impact Behavior of Nanoengineered, 3D Printed Plate-Lattices, publicado en la revista Materials &Design , el equipo describe cómo han desarrollado un nuevo "metamaterial" celular de celosía de placas capaz de ofrecer una resistencia impresionante a los impactos.

Los metamateriales son una clase de sólidos celulares creados artificialmente, diseñados y diseñados para manifestar propiedades que no ocurren en el mundo natural. Una forma de metamateriales, conocidos como placas-celosías, son estructuras cúbicas hechas de capas de placas que se cruzan y que exhiben una rigidez y resistencia inusualmente altas, a pesar de tener una cantidad significativa de espacio entre las placas. Esos espacios, que son una propiedad que los ingenieros llaman porosidad, también hacen que las celosías de placas sean inusualmente livianas.

Los investigadores se propusieron investigar si las nuevas formas de diseño de placa-celosía, fabricadas a partir de un compuesto de nanotubos de plástico que desarrollaron, podrían producir un metamaterial con propiedades aún más avanzadas de rigidez, resistencia y tenacidad. Utilizaron su compuesto de filamentos diseñado por nanoingeniería como materia prima en una impresora 3D que fusionó los filamentos para construir una serie de diseños de celosía de placa. Luego, esos diseños se sometieron a una serie de pruebas de impacto al dejar caer una masa de 16.7 kg desde un rango de alturas para determinar su capacidad para resistir golpes físicos.

Primero, el equipo probó tres tipos de celosías de placas típicas que diseñaron y construyeron:un cubo simple formado a partir de la intersección de tres placas; un cubo más complejo con placas de intersección adicionales; y un diseño más polifacético. Esas típicas celosías de placas se fabricaron en dos lotes:uno de polipropileno y otro de polietileno.

Luego, probaron tres celosías de placas más "híbridas" que incorporaron características de los diseños más simples en los primeros experimentos:un híbrido de cubo simple / cubo complejo; un simple híbrido cubo / multifacético; y uno que fusionó los tres. Nuevamente, se hicieron lotes hechos de PP y PE.

El diseño híbrido que amalgamaba elementos de los tres diseños típicos de placa-celosía resultó ser el mos t eficaz en la absorción de impactos, siendo la versión PP la de mayor resistencia al impacto. Utilizando una medida conocida como absorción de energía específica, que los científicos utilizan para determinar la capacidad de un material para absorber energía en relación con su masa, el equipo descubrió que la celosía de placa híbrida de PP podría soportar 19,9 julios por gramo, según se informa, un rendimiento superior al de la misma. diseñó metamateriales microarquitectónicos basados ​​en aluminio.

El Dr. Shanmugam Kumar, líder en fabricación de materiales compuestos y aditivos en la Escuela de Ingeniería James Watt de la Universidad de Glasgow, dirigió el proyecto de investigación. El equipo de investigación también involucró a ingenieros mecánicos y químicos de la Universidad Khalifa en Abu Dhabi y la Universidad Texas A&M en College Station en los EE. UU.

Kumar dijo:“Este trabajo se encuentra justo en la intersección de la mecánica y los materiales. El equilibrio entre los filamentos de carbono diseñados con nanoestructura que hemos desarrollado como materia prima para la impresión 3D y los diseños híbridos de placas y celosías compuestas que hemos creado ha producido un resultado realmente emocionante. En la búsqueda de la ingeniería ligera, existe una búsqueda constante de materiales ultraligeros con alto rendimiento. Nuestras celosías de placas híbridas de nanoingeniería logran propiedades extraordinarias de rigidez y resistencia y exhiben características superiores de absorción de energía en comparación con celosías similares construidas con aluminio. Los avances en la impresión 3D hacen que sea más fácil y más barato que nunca fabricar los tipos de geometrías complicadas con porosidad personalizada que sustentan nuestro diseño de celosía de placas. La fabricación de este tipo de diseño a escala industrial se está convirtiendo en una posibilidad real ”.

Según Kumar y el equipo, una aplicación clave para este nuevo tipo de placa-celosía bien podría estar en la fabricación de automóviles, donde existe un esfuerzo perpetuo por construir carrocerías más livianas sin sacrificar la seguridad durante los choques. “El aluminio se utiliza en muchos diseños de automóviles modernos, pero nuestra placa-celosía ofrece una mayor resistencia al impacto, lo que podría hacerla útil en ese tipo de aplicaciones en el futuro ... La reciclabilidad de los plásticos que utilizamos en estas placas-celosía también hace resultan atractivos a medida que avanzamos hacia un mundo de cero, donde los modelos económicos circulares serán fundamentales para hacer que el planeta sea más sostenible ”, señaló Kumar.