Soluciones estructurales mediante fabricación aditiva

La cada vez más evidente escasez de recursos y la necesaria consciencia para la sostenibilidad hacen indispensable afrontar el reto de hacer un mejor uso de los materiales y optimizar los procesos de fabricación.

En ese marco, investigadores del Departamento de Ingeniería Industrial de IQS School of Engineering han llevado a cabo el proyecto New Developments in Lightweight Composite Sandwich Panels with 3D Printed Cores (3DPC, incluido en el Programa Estatal de I+D+i orientado a los Retos de la Sociedad del Plan Estatal de Investigación Científica, Técnica y de Innovación 2017-2020, dentro del Reto “Transporte sostenible, inteligente, conectado e integrado”.

Muchos retos de la ingeniería del presente y del futuro pasan por aliviar las estructuras, es decir, crear estructuras más resistentes haciendo un uso más eficiente de los materiales. Y no solo eso, sino también mejorar y desarrollar nuevos procesos de fabricación que lo permitan hacer de una forma más sostenible. Para conseguirlo, 3DPC se ha focalizado en observar estructuras de la naturaleza que han evolucionado durante milenios hasta el punto de alcanzar un grado de optimización muy elevado y que ahora se caracterizan por su rigidez, resistencia, ligereza y por su aprovechamiento del material, pero también por su extraordinaria complejidad geométrica.

Nuevas estructuras desarrolladas con impresión 3D

Precisamente por su complejidad geométrica, es inviable replicar estas formas mediante procesos de fabricación convencionales. No obstante, aprovechando los últimos avances y el potencial de las tecnologías de fabricación aditiva, los investigadores de IQS han podido reproducir un amplio abanico de formas naturales y desarrollar nuevos diseños bio-inspirados que, implementados como núcleo en estructuras sándwich híbridas, permitan obtener soluciones estructurales funcionales más ligeras, sostenibles y eficientes.

En concreto, se diseñaron un total de 48 geometrías celulares periódicas de tipo bidimensional y tridimensional, combinando diferentes diseños, disposiciones de celda y densidades, analizando paralelamente y mediante softwares de simulación numérica sus capacidades mecánicas para así valorar su funcionalidad estructural.

El material escogido para la fabricación de los núcleos fue una polieterimida – Ultem 9085 – de altas prestaciones. Además de ofrecer una excelente relación resistencia/peso, este material termoplástico procesable por impresión 3D cuenta con certificación FST (de las siglas en inglés Flame, Smoke and Toxicity), que garantiza que en caso de incendio este se autoextingue y los humos producidos no son tóxicos.

Una vez analizados los núcleos celulares, estos se combinaron con pieles de polímero reforzado con fibras de carbono (CFRP) para conformar estructuras sándwich híbridas ligeras. Esta disposición permite aprovechar la baja densidad y espesor del núcleo celular para incrementar la inercia de la sección de la estructura híbrida y así maximizar sus prestaciones mecánicas sin suponer un incremento de masa significativo.

Los excelentes resultados obtenidos en el proyecto 3DPC abren ahora la puerta a la utilización de nuevos materiales – en este caso, metálicos – con los que reproducir las mejores geometrías conseguidas en esta investigación para obtener estructuras con aún mayores prestaciones y así incrementar las posibles aplicaciones.

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