Si abres un hueso de pollo, no encontrarás una masa sólida de material blanco en su interior. En cambio, verá una red compleja y esponjosa de pequeños puntales y pilares, y mucho espacio vacío.
Parece frágil, pero esa estructura interna permite que el ala del pájaro resista fuertes vientos sin dejar de ser lo suficientemente liviana para volar. La naturaleza rara vez construye bloques sólidos. En cambio, está construido con patrones inteligentes y porosos para maximizar la resistencia y minimizar el peso.
Corte transversal del hueso del cráneo de un pájaro: los agujeros mantienen el material lo suficientemente ligero como para que el pájaro vuele, pero aún fuerte. Steve Gschmeissner/Bibliotecas de fotografías científicas vía Getty Images
Los ingenieros humanos siempre han envidiado esta eficiencia. Puedes verlo en la perfección hexagonal del panal, que utiliza la menor cantidad de cera para almacenar la mayor cantidad de miel, y en la arquitectura espiral interna de las conchas que resisten presiones aplastantes.
Sin embargo, durante siglos, las limitaciones de fabricación hicieron que los ingenieros no pudieran copiar fácilmente estos diseños naturales. La fabricación tradicional suele ser sustractiva, es decir, comienza con un bloque pesado de metal que se graba o se moldea, lo que implica verter plástico líquido en un molde. Ninguno de los métodos puede crear fácilmente interiores complejos y esponjosos escondidos dentro de una cáscara sólida.
Si los ingenieros querían hacer una pieza más fuerte, generalmente tenían que hacerla más gruesa y pesada. Este enfoque suele ser ineficiente, desperdicia material y da como resultado productos más pesados que requieren más energía para su transporte.
Soy ingeniero mecánico y profesor asociado en la Universidad de Wisconsin-Stout, donde investigo la intersección de la fabricación avanzada y la biología. Durante varios años, mi trabajo se ha centrado en utilizar la fabricación aditiva para crear materiales que, como el ala de un pájaro, sean increíblemente ligeros y capaces de soportar un estrés físico intenso. Aunque estos diseños "agujeros" han existido en la naturaleza durante millones de años, sólo recientemente la impresión 3D nos ha permitido replicarlos en el laboratorio.
Arquitectura invisible
Ese paradigma cambió con la maduración de la fabricación aditiva, comúnmente conocida como impresión 3D, a medida que evolucionó de una herramienta de creación de prototipos de nicho a una fuerza industrial sólida. Aunque la tecnología se patentó por primera vez en la década de 1980, realmente despegó en la última década cuando fue capaz de producir piezas de uso final para industrias de alto riesgo como la aeroespacial y la sanitaria.
La impresión 3D hace que sea mucho más fácil producir materiales ligeros llenos de agujeros. kinni/iStock vía Getty Images
En lugar de cortar material, los impresores construyen objetos capa por capa, depositando polvo de plástico o metal solo donde es necesario basándose en un archivo digital. Esta tecnología ha abierto una nueva frontera en la ciencia de materiales centrada en mesoestructuras.
La mesoestructura representa la escala intermedia. No es la composición atómica microscópica de un material, ni la forma general macroscópica de un objeto, como un zapato entero. Es la arquitectura interna, incluido el patrón proyectado de aire y material oculto en su interior.
Es la diferencia entre el ladrillo macizo y la compleja celosía de hierro de la Torre Eiffel. Ambos son fuertes, pero uno utiliza mucho menos material para lograr esa resistencia debido a la forma en que está dispuesto el espacio vacío.
Del laboratorio a tu armario
Si bien el concepto de utilizar la fabricación aditiva para crear piezas que aprovechen las mesoestructuras comenzó en los laboratorios de investigación alrededor del año 2000, los consumidores ahora ven estos diseños bioinspirados en productos cotidianos.
La industria del calzado es un gran ejemplo. Si miras de cerca las suelas de ciertas zapatillas para correr de alta gama, no verás un bloque sólido de espuma. En cambio, verá una estructura de malla compleja que se parece sospechosamente al interior del hueso de un pájaro. Este diseño impreso imita la elasticidad y la distribución del peso de las estructuras porosas naturales, ofreciendo un rendimiento optimizado que la espuma rígida no puede igualar.
Los ingenieros utilizan el mismo principio para mejorar los equipos de seguridad. Los cascos de bicicleta modernos y los forros para cascos de fútbol están comenzando a reemplazar los tradicionales forros de espuma con rejillas impresas en 3D. Estas pequeñas y repetitivas estructuras de gimnasia en la jungla están diseñadas para arrugarse y recuperarse para absorber energía de manera más eficiente que los materiales sólidos, de manera similar a cómo el hueso poroso dentro del cráneo protege el cerebro.
Probando los límites
En mi investigación, busco las reglas que utiliza la naturaleza para construir estructuras fuertes.
Por ejemplo, las conchas son fuertes porque están construidas como una pared de ladrillos, con bloques minerales sólidos unidos por una fina capa de pegamento elástico. Este patrón permite que los ladrillos duros se deslicen entre sí en lugar de agrietarse cuando están bajo presión. La carcasa absorbe energía y evita que las grietas se propaguen, lo que hace que la estructura final sea mucho más resistente que una pieza sólida del mismo material.
Utilizo modelos informáticos avanzados para destruir miles de diseños virtuales y ver exactamente cuándo y cómo fallan. Incluso utilicé redes neuronales, un tipo de inteligencia artificial, para encontrar los mejores patrones de absorción de energía.
Mis estudios han demostrado que los diseños ondulados pueden ser muy efectivos, especialmente cuando afinamos el grosor de las líneas y el número de vueltas del patrón. Al encontrar estas combinaciones perfectas, podemos diseñar productos que fallen de manera gradual y segura, muy parecido a la zona de deformación en la parte delantera de un automóvil.
Al comprender la mecánica de estas estructuras, los ingenieros pueden adaptarlas para trabajos específicos, haciendo que un área del producto sea rígida y otra flexible dentro de una pieza impresa continua.
Un futuro sostenible
Dejando a un lado el rendimiento, imitar más o menos el enfoque natural es una victoria significativa para la sostenibilidad. Al "imprimir aire" en la estructura interna del producto, los fabricantes pueden utilizar significativamente menos materias primas manteniendo la resistencia requerida.
A medida que la impresión 3D industrial se vuelva más rápida y barata, la fabricación se alejará de la era de los bloques sólidos y se acercará a la elegante eficiencia del mundo biológico. La naturaleza ha pasado millones de años perfeccionando estos planos a través de la evolución, y los ingenieros finalmente están aprendiendo a leerlos.
.webp)
0 Comentarios