Un cubo con una "resistencia supernatural": el nuevo metamaterial creado con titanio impreso en 3D

La impresión 3D puede dar mucho de sí. La hemos visto aplicada a figuras, a prótesis, durante el COVID se usó para crear repuestos y hasta se hacen edificios con impresoras de hormigón. Esta tecnología avanza a pasos agigantados y lo último es imprimir titanio. Pero no de cualquier manera, sino de tal forma que su resistencia se dispara. Eso es lo que afirman haber conseguido unos investigadores de Real Instituto de Tecnología de Melbourne (Australia).

Titanio en 3D. En un artículo publicado en la revista Advanced Materials, los investigadores afirman haber creado un nuevo "metamaterial", término que se usa para describir un material artificial con propiedades únicas que no se han observado en la naturaleza. Lo han conseguido imprimiendo en 3D una "aleación común de titanio" con una estructura muy particular.

La naturaleza como musa. La clave de su diseño reside en las estructuras reticulares con puntales huecos. Este diseño, inspirado en los tallos de los nenúfares Victoria o los corales Tubipora musica, permite combinar ligereza y resistencia. Una estructura reticulada está formada por varias barras conectadas entre sí por medio de nudos que forman un triángulo. Un caso de uso de este diseño sería, por ejemplo, la Pirámide del Louvre. Los investigadores, sin embargo, han ido un paso más allá.

Reducir la presión. Según ha explicado Ma Qian, catedrático de RMIT, los intentos de reproducir estas "estructuras celulares" huecas en metales se han visto frustrados por "por los problemas habituales de fabricación y concentración de la tensión de carga en las zonas interiores de los puntales huecos", lo que provoca fallos.

Se puede ver perfectamente en la imagen superior. La imagen izquierda nos muestra cómo la presión tiende a acumularse en ciertos puntos muy concretos cuando usamos una estructura reticular hueca. Usando el diseño propuesto por los investigadores (a la derecha de la imagen), la tensión se reparte de manera más uniforme y se evitan los puntos calientes.

"Celosía tubular hueca". Ese es el nombre que ha recibido esta estructura, explica Qian. En sus propias palabras, "diseñamos una estructura de celosía tubular hueca que tiene una banda delgada en su interior. Estos dos elementos juntos muestran una resistencia y una ligereza nunca vistas juntas en la naturaleza. Al fusionar eficazmente dos estructuras de celosía complementarias para distribuir uniformemente la tensión, evitamos los puntos débiles donde normalmente se concentra la tensión".

Impresión en 3D. Este diseño se ha podido lograr gracias a la impresión 3D, concretamente mediante un proceso conocido como fusión de lecho de polvo con láser. Básicamente, se funden capas de polvo metálico con un rayo láser de alta potencia. El organismo no ha mencionado las temperaturas usadas, pero el titanio se funde a 1.668ºC. Una impresora 3D de gama alta de andar por casa llega hasta los 300ºC como mucho.

Resultados. De acuerdo a los investigadores, sus pruebas deslizan que el diseño impreso, ese peculiar cubo que encabeza este artículo, "era un 50% más resistente que la aleación de magnesio WE54, la más fuerte de densidad similar utilizada en aplicaciones aeroespaciales". Según el RMIT, esta nueva estructura había reducido a la mitad la tensión concentrada en los puntos débiles de la celosía. Además, este diseño permite que cualquier grieta se desvíe a lo largo de la estructura, lo que debería mejorar aún más la resistencia.

Además, al ser un diseño impreso en 3D, puede configurarse en tamaños que van desde los milímetros hasta los metros, lo que representa un gran potencial en un amplio rango de sectores, desde el médico (pensemos en un implante óseo) hasta espacial (piezas de un cohete). Solo se necesita una impresora con el tamaño y la potencia correcta. Actualmente, este material aguanta temperaturas de hasta 350ºC, aunque con otras aleaciones de titanio se podría llegar a los 600ºC.

Imagen | RMIT