Desarrollo de microestructuras metálicas celulares mediante fabricación aditiva

En el Departamento de Ingeniería Industrial de IQS School of Engineering, investigadores del grupo GAM – Group of Applied Mechanics and Advanced Manufacturing trabajan en la propuesta GRIM – Desarrollo de microestructuras metálicas celulares tipo gyroid mediante fabricación por filamento fundido, un proyecto de investigación focalizado en el desarrollo de estructuras celulares metálicas de acero AISI 316L y 17-4 PH de tipo Shell-TPMS (Triply Periodic Minimal Surface) para producir componentes estructurales de alto valor añadido mediante un proceso de fabricación más asequible, sostenible y escalable. Este estudio, liderado por el Dr. Marco Antonio Pérez y del Dr. Giovanni Gómez, da continuidad a un proyecto anterior, 3DPC (Fabricación Aditiva), en el que se consiguió con éxito la optimización de esta tipología de estructuras bioinspiradas obtenidas con materiales poliméricos, resultando en notables contribuciones al desarrollo de la fabricación aditiva, tal y como muestran las publicaciones científicas derivadas de la investigación previa.

La incorporación de este tipo de estructuras celulares en las estrategias de diseño optimizado y la integración con las más actuales tecnologías de fabricación aditiva es un contexto de absoluta actualidad, pero que aún se encuentra en estado incipiente y las investigaciones realizadas hasta la fecha resultan limitadas y con resultados dispares.

Las geometrías de estos sólidos celulares TPMS son creadas matemáticamente de manera que no tienen superficies autointersectivas o envolventes, y la falta de nodos y discontinuidades en la curvatura reduce la concentración de tensiones y, en última instancia, mejora el rendimiento mecánico. Por tanto, el potencial de desarrollo es de gran interés para la comunidad de fabricación aditiva y para la industria. Sectores como la aeronáutica, satélites, transporte, etc. son escenarios en los que la relación óptima rigidez-peso, la alta capacidad de absorción de impacto y el rendimiento mecánico son factores críticos que pueden encontrar una solución viable en este tipo de estructuras.

Retos que afronta el proyecto GRIM

Hasta el momento, los diseños de componentes más avanzados se basan en materiales celulares de arquitectura reticular, generalmente fabricados mediante técnicas de PBF (Powder Bed Fusion). Sin embargo, el enorme potencial de estos diseños está actualmente limitado por la preocupación sobre su integridad estructural. Se trata de una preocupación justificada, si se tiene en cuenta la complejidad y las particularidades subyacentes del proceso de fabricación, que induce defectos potenciales como poros, falta de fusión, deficiencia en el acabado superficial y dimensional, tensiones residuales y alteraciones geométricas de la microestructura, afectando negativamente al rendimiento mecánico y especialmente a la fatiga.

Todos estos inconvenientes son precisamente los factores limitantes para los que el proyecto GRIM buscará respuestas a lo largo de la investigación. Este estudio ostenta, como fin último, el desarrollo de una investigación científico-técnica orientada a la resolución de problemas concretos de la industria, vinculados a los grandes desafíos de la sociedad, relacionados con la digitalización de la fabricación, el uso eficiente de las materias primas y la sostenibilidad.

El proyecto GRIM ha recibido financiación dentro de la convocatoria “Proyectos de Generación del Conocimiento” en el marco del Programa Estatal para Impulsar la Investigación Científica y su Transferencia, del Plan Estatal de Investigación Científica, Técnica y de Innovación 2021-2023.