Desenvolupament de microestructures metàl·liques cel·lulars mitjançant fabricació additiva

Al Departament d’Enginyeria Industrial d’IQS School of Engineering, investigadors del grup GAM – Group of Applied Mechanics and Advanced Manufacturing treballen en la proposta GRIM – Desenvolupament de microestructures metàl·liques cel·lulars tipus gyroid mitjançant fabricació per filament fos, un projecte de recerca focalitzat en el desenvolupament d’estructures cel·lulars metàl·liques d’acer AISI 316L i 17-4 PH de tipus Shell TPMS (Triply Periodic Minimal Surface), per a produir components estructurals d’elevat valor afegit, mitjançant un procés de fabricació més assequible, sostenible i escalable. Aquest estudi, liderat pel Dr. Marco Antonio Pérez i el Dr. Giovanni Gómez, dona continuïtat a un projecte anterior, 3DPC (Fabricación Aditiva), en el qual es va aconseguir amb èxit l’optimització d’aquesta tipologia d’estructures bioinspirades, obtingudes amb materials polimèrics, resultant en notables contribucions al desenvolupament de la fabricació additiva, tal com mostren les publicacions científiques derivades de la recerca prèvia.

La incorporació d’aquest tipus d’estructures cel·lulars en les estratègies de disseny optimitzat i la integració amb les més actuals tecnologies de fabricació additiva és un context d’absoluta actualitat, però que encara es troba en estat incipient, i les investigacions realitzades fins ara resulten limitades i amb resultats diferents.

Les geometries d’aquests sòlids cel·lulars TPMS són creades matemàticament, de manera que no tenen superfícies autointerserctives o envoltants, i la manca de nodes i discontinuïtats en la curvatura redueix la concentració de tensions i, en darrera instància, millora el rendiment mecànic. Per tant, el potencial de desenvolupament és de gran interès per a la comunitat de fabricació additiva i per a la indústria. Sectors com l’aeronàutica, satèl·lits, transport, etc. són escenaris en què la relació òptima rigidesa-pes, l’elevada capacitat d’absorció d’impacte i el rendiment mecànic són factors crítics, que poden trobar una solució viable en aquest tipus d’estructures.

Reptes que afronta el projecte GRIM

Fins ara, els dissenys de components més avançats es basen en materials cel·lulars d’arquitectura reticular, generalment fabricats mitjançant tècniques de PBF (Powder Bed Fusion). No obstant això, l’enorme potencial d’aquests dissenys es troba actualment limitat per la preocupació sobre la seva integritat estructural. Es tracta d’una preocupació justificada, considerant la complexitat i les particularitats subjacents del procés de fabricació, que indueix defectes potencials com són porus, manca de fusió, deficiència en l’acabat superficial i dimensional, tensions residuals i alteracions geomètriques de la microestructura, afectant negativament el rendiment mecànic i, especialment, a la fatiga.

Tots aquests inconvenients són precisament els factors limitants per als quals el projecte GRIM buscarà respostes en el decurs de la investigació. Aquest estudi té com a fi últim, el desenvolupament d’una investigació científic-tècnica orientada a  la resolució de problemes concrets de la indústria, vinculats als grans desafiaments de la societat relacionats amb la digitalització de la fabricació, l’ús eficient de les matèries primeres i la sostenibilitat.

El projecte GRIM ha rebut finançament dins de la convocatòria “Projectes de Generació del Coneixement” en el marc del Programa Estatal per a Impulsar la Investigació Científica i la seva Transferència, dins del Pla estatal d’Investigació Científica, Tècnica i d’Innovació 2021-2023.