La naturaleza ha producido materiales compuestos exquisitos madera, hueso, dientes y conchas, por ejemplo que combinan peso ligero y densidad con propiedades mecánicas deseables como rigidez, resistencia y tolerancia al daño.
Desde que las civilizaciones antiguas combinaron por primera vez paja y barro para formar ladrillos, la gente ha fabricado compuestos de ingeniería de rendimiento y complejidad cada vez mayores. Pero reproducir las propiedades mecánicas excepcionales y las microestructuras complejas que se encuentran en la naturaleza ha sido un desafío.
Ahora, un equipo de investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas SEAS de Harvard John A. Paulson ha demostrado un novedoso método de impresión 3D que produce un control sin precedentes de la disposición de fibras cortas incrustadas en matrices poliméricas. Utilizaron este aditivotécnica de fabricación para programar la orientación de la fibra dentro de los compuestos epoxi en ubicaciones específicas, lo que permite la creación de materiales estructurales optimizados para resistencia, rigidez y tolerancia al daño.
Su método, denominado "impresión 3D rotacional", podría tener una amplia gama de aplicaciones. Dada la naturaleza modular de sus diseños de tinta, se pueden implementar muchas combinaciones diferentes de relleno y matriz para adaptar las propiedades eléctricas, ópticas o térmicas de la impresión.objetos.
"Poder controlar localmente la orientación de la fibra dentro de los compuestos de ingeniería ha sido un gran desafío", dijo la autora principal del estudio, Jennifer A. Lewis, profesora Hansjorg Wyss de ingeniería inspirada en biología en Harvard SEAS. "Ahora podemos modelar materiales en unde manera jerárquica, similar a la forma en que la naturaleza construye ". Lewis también es un miembro de la facultad central del Instituto Wyss de Ingeniería de Inspiración Biológica en Harvard.
El trabajo, descrito en la revista PNAS , se llevó a cabo en el laboratorio de Lewis en Harvard. Los colaboradores incluyeron a los becarios postdoctorales Brett Compton ahora profesor asistente de ingeniería mecánica en la Universidad de Tennessee, Knoxville y Jordan Raney ahora profesor asistente de ingeniería mecánica y mecánica aplicada.en la Universidad de Pensilvania; y el estudiante de doctorado visitante Jochen Mueller del laboratorio de la profesora Kristina Shea en ETH Zurich.
La clave de su enfoque es coreografiar con precisión la velocidad y la rotación de una boquilla de impresora 3D para programar la disposición de fibras incrustadas en matrices de polímero. Esto se logra equipando un sistema de cabezal de impresión giratorio con un motor paso a paso para guiar la velocidad angular dela boquilla giratoria a medida que se extruye la tinta.
"La impresión 3D rotacional se puede usar para lograr arreglos de fibra óptimos, o casi óptimos, en cada ubicación de la pieza impresa, lo que resulta en una mayor resistencia y rigidez con menos material", dijo Compton. "En lugar de usar campos magnéticos o eléctricos paraorientamos las fibras, controlamos el flujo de la propia tinta viscosa para impartir la orientación deseada de la fibra ".
Compton señaló que el concepto de boquilla del equipo podría usarse en cualquier método de impresión por extrusión de material, desde la fabricación de filamentos fundidos hasta la escritura directa con tinta, la fabricación de aditivos termoplásticos a gran escala y con cualquier material de relleno, desde fibras de carbono y vidrio hasta fibras metálicaso bigotes de cerámica y plaquetas.
La técnica permite la impresión 3D de materiales de ingeniería que se pueden programar espacialmente para lograr objetivos de rendimiento específicos. Por ejemplo, la orientación de las fibras se puede optimizar localmente para aumentar la tolerancia al daño en ubicaciones que se espera que experimenten el mayorestrés durante la carga, endureciendo los puntos de falla potenciales.
"Una de las cosas interesantes de este trabajo es que ofrece una nueva vía para producir microestructuras complejas y variar de manera controlable la microestructura de una región a otra", dijo Raney. "Más control sobre la estructura significa más control sobre las propiedades resultantes, que amplía enormemente el espacio de diseño que se puede aprovechar para optimizar aún más las propiedades ".
"Los materiales compuestos biológicos a menudo tienen propiedades mecánicas notables: alta rigidez y resistencia por unidad de peso y alta tenacidad. Uno de los desafíos sobresalientes del diseño de materiales de ingeniería inspirados en compuestos biológicos es el control de la orientación de la fibra a escalas de longitud pequeña y a nivel local", dijo Lorna J. Gibson, profesora de ciencia e ingeniería de materiales en el MIT, que no participó en la investigación." Este notable artículo del grupo Lewis demuestra una forma de hacer precisamente eso. Esto representa un gran avance en el diseñode composites bioinspirados. "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
cite esta página :