El nuevo compuesto, que utiliza mezclas de polipropileno y polietileno con nanotubos de carbono de paredes múltiples, logra una impresionante resistencia al impacto

Un nuevo tipo de metamaterial impreso en 3D fabricado mediante la combinación de Polietileno y Polipropileno con nanotubos de carbono es más resistente y ligero que formas similares de aluminio, concluyeron  los científicos.

¿Qué son los metamateriales?

Los metamateriales de celosía de placa compuesta de plástico-nanotubos de carbono pertenecen a una clase de sólidos celulares creados artificialmente, diseñados y diseñados para manifestar propiedades que no ocurren en el mundo natural.

En un nuevo artículo publicado en la revista Materials & Design, un equipo dirigido por ingenieros de la Universidad de Glasgow describe cómo desarrollaron un nuevo metamaterial celular de placa-celosía capaz de una impresionante resistencia al impacto. Este material podría conducir al desarrollo de estructuras más seguras, ligeras y duraderas para su uso en las industrias aeroespacial, automotriz, renovables y marina.

Metamaterial impreso en 3D

Los metamateriales placa-celosía son estructuras cúbicas hechas de capas de placas que se cruzan y que exhiben una rigidez y resistencia inusualmente altas a pesar de 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.

En su investigación, los científicos buscaban definir 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.

Este compuesto utiliza mezclas de Polipropileno y Polietileno comunes con nanotubos de carbono de paredes múltiples.

Rumbo a la fabricación de autos más seguros y ligeros

Los investigadores utilizaron su compuesto de filamentos de nanoingeniería como materia prima en una impresora 3D, que fusionó los filamentos para construir una serie de diseños de placas reticulares. Luego, esos diseños se sometieron a una serie de pruebas de impacto: se dejó caer una masa de 16.7 kg desde una variedad de alturas para determinar la capacidad del material 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 multifacético. Esas típicas celosías de placas se hicieron 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 híbrido de cubo simple / multifacético y uno que amalgamaba los tres. Nuevamente, se hicieron lotes hechos de Polipropileno y Polietileno.

El diseño híbrido, que combinaba elementos de los tres diseños típicos de placa-celosía, demostró ser el más eficaz para absorber impactos, y la versión de polipropileno mostró la 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 Polipropileno podría soportar 19,9 juls por gramo, un rendimiento superior al de microprocesadores de diseño similar.

El Dr. Shanmugam Kumar, profesor de fabricación de materiales compuestos y aditivos de la Escuela de Ingeniería James Watt, 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.

Kumar dijo: “Los avances en la impresión 3D están haciendo que sea más fácil y más barato que nunca fabricar los tipos de geometrías complicadas con porosidad personalizada que sustentan nuestro diseño de placa-celosía. La fabricación de este tipo de diseños a escala industrial se está convirtiendo en una posibilidad real.

“Una aplicación para este nuevo tipo de placa-celosía podría ser la fabricación de automóviles, donde los diseñadores se esfuerzan constantemente 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.