Los materiales funcionalmente graduados son capaces de aguantar grandes incrementos térmicos, lo que los hace especialmente adecuados para la construcción del fuselaje de un avión o para los diferentes componentes de un motor
Científicos del proyecto DIAGONAL, coordinado por la Universidad Carlos III de Madrid (UC3M) y formado por diez universidades y centros de investigación europeos y americanos, desarrollan una nueva generación de materiales funcionalmente graduados, que son aquellos generalmente conformados por diferentes componentes (metales, cerámicas, polímeros…) mezclados mediante impresoras 3D. Este tipo de tecnología, con aplicaciones en las industrias del transporte aéreo o de la seguridad, permitirá obtener materiales más eficientes, sostenibles y baratos.
Las estructuras funcionalmente graduadas están formadas por uno o varios materiales que se combinan con técnicas de fabricación aditiva (como la impresión 3D) en proporciones que varían según el espacio. A diferencia de los materiales compuestos (aleaciones formadas por una matriz y un refuerzo), en cada punto o zona la estructura funcionalmente graduada muestra propiedades diferentes. “El objetivo es conseguir que estas estructuras optimicen sus propiedades mecánicas. Por ejemplo, se puede diseñar un material para que en un área determinada tenga mejores propiedades para soportar una determinada carga mecánica, porque en esa zona es donde va a tener que soportar una mayor cantidad de peso o aguantar un impacto”, explica la responsable del proyecto en la UC3M, Guadalupe Vadillo, investigadora del Dpto. de Mecánica de Medios Continuos y Teoría de Estructuras de la Universidad.
Los materiales funcionalmente graduados son capaces de aguantar grandes incrementos térmicos, lo que los hace especialmente adecuados para la construcción del fuselaje de un avión o para los diferentes componentes de un motor (tanto de un avión como de un cohete). Además, pueden inhibir la propagación de grietas y fisuras. Esta propiedad los hace útiles en aplicaciones de defensa, como son el desarrollo de materiales más resistentes a impactos de alta velocidad con el fin de mejorar el rendimiento de estructuras de protección, según los investigadores. El interés de los materiales funcionalmente graduados está creciendo también en aplicaciones biomédicas, como implantes óseos realizados con estos materiales que consiguen un comportamiento mecánico óptimo con la biocompatibilidad ósea deseada. “Este tipo de materiales, por las características que tienen, van a suponer una revolución en el campo de la ingeniería estructural. Vamos a conseguir materiales más eficientes, sostenibles y baratos, porque tienden a minimizar los costes y tiempos de producción (eliminando el exceso de material) y permiten personalizar las propiedades mecánicas para aplicaciones específicas”, destaca Guadalupe Vadillo.
Los investigadores de la UC3M se van a centrar en la modelización del comportamiento de estos materiales. En concreto, en el desarrollo de la parte computacional que tiene que ver con las simulaciones numéricas. Esto servirá de base para que otros socios del proyecto puedan posteriormente utilizar esos datos para desarrollar y optimizar estos materiales.
Actualmente existen impresoras 3D que pueden imprimir materiales no solo poliméricos y metálicos, sino también cerámicos. En el caso de la combinación de varios materiales en una misma estructura, como se investiga en este proyecto, el principal reto reside en cómo optimizar las propiedades de estos compuestos combinando las mejores características de cada material. El objetivo es variar espacialmente las propiedades mecánicas de tal manera que se pueda personalizar la respuesta de la estructura a una determinada aplicación industrial.
DIAGONAL (Ductility and Fracture Toughness analysis of functionally graded materials) es un proyecto Marie Skłodowska-Curie Actions (MSCA) Staff Exchanges (SE) coordinado por la UC3M (GA 101086342) que se desarrollará entre los años 2023 y 2027. Está conformado por diez universidades y centros de investigación: cuatro instituciones europeas beneficiarias (la UC3M y la Universidad de Sevilla, en España; el Instituto de Investigación Tecnológica Fundamental, en Polonia; y el IMT School for Advanced Studies Lucca, en Italia) junto con seis instituciones asociadas: cuatro estadounidenses (University of Florida, Northwestern University, Texas A&M University, University of Minnesota Twin Cities) una australiana (Monash University) y una brasileña (Universidade Federal de Santa María). Los proyectos MSCA-SE tienen como objetivo generar redes de trabajo para promover el intercambio de conocimientos entre diferentes universidades y centros de investigación a nivel internacional fomentando la movilidad de sus miembros a través de estancias de investigación y actividades de diseminación (congresos y coloquios científicos, cursos, seminarios, etc).
