Piezas compuestas impresas en 3D permiten autodetección de daños para aeroespacial y construcción

Brightlands Materials Center (Geleen, Países Bajos) ha desarrollado piezas compuestas impresas en 3D con funcionalidad de autodetección. La autodetección crea oportunidades para monitorear estructuras críticas en campos como aeroespacial, construcción y salud.

¿Qué es la autodetección?

La autodetección es la capacidad de un material para actuar como sensor y recopilar información sobre su propia condición. Los compuestos de matriz polimérica reforzados con fibra de carbono ya están establecidos como proveedores de capacidades de autodetección basadas en cambios medibles en la resistencia eléctrica de las fibras continuas. Tales materiales se están desarrollando y demostrando para monitoreo de salud estructural (SHM) en aplicaciones de aeronaves y construcción incluyendo puentes y edificios.

Tradicionalmente, tales materiales compuestos de autodetección se han fabricado usando técnicas que involucran múltiples etapas, operaciones más complejas y equipo especial. Brightlands Materials Center está combinando la autodetección de fibra de carbono continua con fabricación aditiva para hacer aplicaciones SHM más rentables, permitiendo uso más amplio y expansión a nuevas aplicaciones.

Impresión 3D de fibra continua abre nuevos horizontes

La fabricación aditiva permite posicionamiento y orientación muy precisos de fibras de carbono continuas. Así, es posible colocar las fibras en ubicaciones elegidas dentro del producto para proporcionar la resistencia y rigidez requeridas a lo largo de rutas de carga especificadas, y formando parte integral de la estructura. Esto significa que las fibras de carbono están ubicadas donde se necesitan para actuar como «sensores» para monitorear la estructura y múltiples fibras pueden formar una gama de sensores a lo largo de la pieza.

Brightlands Materials Center ha demostrado este concepto monitoreando deformación en un modelo a escala de un puente compuesto peatonal y en una viga de flexión simple. Ambos se imprimieron con la impresora 3D de compuestos Composer A4 de Anisoprint (Esch-sur-Alzette, Luxemburgo). «Estamos particularmente contentos con nuestros nuevos sistemas Anisoprint, porque ofrecen tanta libertad en la elección de materiales de impresión como control completo de deposición de fibra», dice Guy Bex, ingeniero de investigación en Brightlands Materials Center. La libertad en posicionamiento de fibra también es crucial para la detección porque las fibras de carbono continuas deben sobresalir de la pieza para hacer conexiones al hardware electrónico usado para monitoreo.

Resultados de impresión 3D más precisos

Como la impresión 3D no requiere herramientas ni moldes, ofrece un proceso de un solo paso para producir compuestos reforzados con fibra continua de cualquier forma, reemplazando técnicas tradicionales multi-etapa que son más complejas, lentas y caras. Sin embargo, optimizar el proceso de fabricación para estructuras impresas en 3D puede requerir varias iteraciones. Los compuestos impresos en 3D que son de autodetección pueden recopilar información sobre sus circunstancias reales de uso, importante para la fase de diseño y prototipo de nuevos productos.

Durante tales pruebas, la pieza impresa en 3D de autodetección registra las condiciones reales y fuerzas experimentadas en servicio, lo que da a diseñadores e ingenieros una comprensión más precisa de los requisitos reales que las piezas impresas deben soportar.

Tal detección también puede permitir que las piezas actúen como herramienta de diagnóstico. Por ejemplo, piezas de ortesis o prótesis impresas en 3D con autodetección podrían guiar a pacientes y proporcionar información valiosa a médicos sobre distribución de tensiones y patrones de movimiento.

Socios de investigación

Brightlands Materials Center es un centro de investigación independiente fundado por la Organización Neerlandesa para investigación científica aplicada TNO (La Haya) y la provincia de Limburg. Apoya la innovación en la industria con un fuerte enfoque en aplicación y ofrece investigación por contrato dedicada y participación, incluyendo una hoja de ruta de investigación sobre compuestos de autodetección impresos en 3D.

Anisoprint es inventor de anisoprinting —la tecnología para diseño y producción de estructuras compuestas óptimas a través de deposición 3D de fibra continua. La compañía fabrica impresoras 3D, materiales (basados en fibras de carbono y basalto) y software para producir piezas compuestas anisoprintadas para ayudar a científicos a resolver problemas de investigación de formas nuevas y más efectivas y permitir a empresas de fabricación reducir sus costes.