Por Enrique Cuan Urquizo
Artículo de divulgación científica

La manufactura aditiva, comúnmente conocida como impresión 3D, ha dejado de ser una moda para convertirse en una realidad. Hoy en día se puede imprimir casi cualquier cosa, desde partes de aviones donde viajas a tus vacaciones, moldes dentales para mejorar tu sonrisa, hasta dulces o chocolates para regalar el 14 de febrero.

La impresión 3D consiste en la deposición o solidificación de un material, para lo cual se utilizan diferentes tecnologías.  Uno de los procesos más utilizados se basa en la extrusión (paso del material en forma de filamento en rollos que llegan a la boquilla que se lo calienta y se impulsa al exterior con determinada forma.  Algo así como la elaboración de churros de azúcar tan consumidos en la época decembrina) de material en forma de filamentos y su deposición sobre una superficie capa-a-capa. El extrusor se mueve justo a las posiciones donde se debe colocar el material, resultando así en un patrón de material conocido como material reticulado. Al final, la retícula consta de cilindros (filamentos extruidos) apilados.

Dada la naturaleza del proceso de fabricación, hay varios aspectos que se deben considerar antes de poder utilizar una pieza impresa en 3D en cualquier aplicación, uno de ellos (que abordamos en este artículo) es la influencia de la distribución de material en la resistencia de una pieza. La mecánica básica no puede ser utilizada para predecir la resistencia de una pieza fabricada por este medio, ya que no cubren aspectos intrínsecos a la manufactura aditiva, por ejemplo la retícula. Ilustraremos esto con un ejemplo.

Consideremos uno de los casos más básicos en ingeniería mecánica: una viga en voladizo. En la figura 1 se muestran dos vigas que han sido fijadas a la “pared”, y en el otro extremo están siendo sometidas a una fuerza (peso de la araña). La viga de la izquierda fue fabricada con técnicas convencionales, mientras que la de la derecha fue hecha por medio de impresión 3D. Podemos notar que debido al proceso con el que fue fabricada, la viga de la derecha resulta con la retícula antes mencionada.

Figura 1. Viga en voladizo sometida a flexión por carga (araña).

Para predecir qué tanto bajó la araña (la punta de la viga), es necesario conocer los siguientes datos: longitud de la viga, propiedades del material del que está hecha (por ejemplo el módulo de Young), forma del área de sección, y peso de la araña. De la viga de la izquierda conocemos todos los datos, pero de la viga de la derecha, no sabemos el módulo de Young. El módulo de Young es una propiedad de cada material que nos dice cuánto se deforma a cierta carga. Para obtener esto se puede hacer una prueba de tensión (estirar la viga) como se muestra en la figura 2.

Figura 2. Viga sometida a tensión.

Al hacer la prueba de la figura 2, nos damos cuenta que sólo los filamentos alineados a la dirección en la que se jala la estructura participan en la resistencia de la misma. Los filamentos perpendiculares a esta dirección prácticamente no participan. Esto quiere decir que todas las estructuras que se muestran en la figura 3 (todas tienen la misma cantidad de filamentos alineados a la dirección de la tensión) resisten aproximadamente lo mismo a tensión.

Pero al regresar a la pregunta original… ¿qué tanto bajó la araña?… nos daremos cuenta que ¡no todas vigas de la figura 3 se doblarán igual! Esto debido a la influencia de otro mecanismo de deformación que hace acto de presencia: la deformación por cortante, la cual depende en gran medida de los filamentos transversales. Este fenómeno es similar a lo que sucedería cuando doblamos un directorio telefónico: las hojas se deslizarán una sobre otra, sin embargo, esto sería totalmente diferente si las hojas estuviera pegadas entre sí (mayor resistencia a cortante). Entonces, entre más filamentos transversales, mayor la resistencia a cortante.

Figura 3. Varias vigas sometidas a tensión.

Cuando un objeto es sujeto a fuerzas que le provocan ser doblado, ambos módulos: Young y cortante, tienen participación. En una viga normal, como la de la figura 1 (izquierda), ambos módulos son dependientes uno del otro. Pero en impresión 3D pueden ser independientes, podemos controlar el número de filamentos alineados a la fuerza en tensión y la cantidad de filamentos perpendiculares a estos, lo cual ¡nos da el poder de controlar las propiedades estructurales de la pieza impresa! Esto debido a que los filamentos pueden ser distribuidos de manera óptima dentro de una pieza impresa en 3D, permitiéndonos diseñar piezas con la resistencia que necesitemos, por supuesto, considerando los límites de los materiales utilizados. Podemos diseñar piezas que tengan cierta resistencia a ser estiradas, y de manera independiente ajustar su resistencia a ser flexionada. Esto no es posible con procesos de manufactura convencionales ya que estamos limitados por las propiedades del material con el que fueron fabricadas.

Para mayor información, consultar el artículo en co-autoría con el Prof. Atul Bhaskar de la Universidad de Southampton, titulado: “Flexural elasticity of woodpile lattice beams”, que fue publicado en European Journal of Mechanics /A Solids.

Una distribución óptima de material dentro de una pieza a imprimir es uno de los principios bajo los cuales trabaja el Diseño para la manufactura aditiva. Ahora que contamos con variedad de procesos de manufactura aditiva, la comunidad ingenieril se ha dado a la tarea de pensar fuera de caja, creando y proponiendo diseños en los que podamos controlar cómo se va a deformar la pieza, no sólo por la geometría externa de la misma, sino también por cómo se distribuye el material dentro de ella. Esto tendrá repercusiones directas en el ahorro del material y en la geometría de las estructuras, así como en la reducción del peso de las piezas. ¡Podemos usar material sólo donde lo requerimos!

Si bien se abordó aquí la influencia de la distribución de material dentro de una pieza impresa en 3D, también es importante considerar otros aspectos que tienen incidencia en las propiedades mecánicas, algunos de los cuales son: orientación de impresión, inclinación de filamentos, distancia entre capas, forma de las trayectorias de impresión. Actualmente en mi grupo de investigación estamos buscando trayectorias del extrusor que permitan un desempeño más flexible de la pieza, haciendo uso de patrones senoidales. Más detalles sobre esta investigación pueden ser encontrados en el artículo científico “Curved-Layered Additive Manufacturing of Non-Planar, Parametric Lattice Structures”, publicado en la revista Materials and Design.

Así, la próxima vez que vayas a imprimir algo, asegúrate de saber en qué impacta cada parámetro de manufactura a las propiedades mecánicas de lo que se imprimirá. ¡No queremos que el ala del avión en que viajas ni el corazón de tu pareja se rompan!

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El autor
Enrique Cuan Urquizo es profesor investigador de la Escuela de Ingeniería y Ciencias en Campus Querétaro. Pertenece al Grupo de Investigación con Enfoque Estratégico de Manufactura Avanzada. Es Ingeniero Mecatrónico (Tec de Monterrey, Campus Laguna), con Maestría en Automatización (Tec de Monterrey, Campus Monterrey) y Doctorado en Ingeniería Mecánica (Universidad de Southampton, Reino Unido). ecuanurqui@tec.mx

¿Quieres saber más?
Cuan-Urquizo, E., and A. Bhaskar, 2018, “Flexural elasticity of woodpile lattice beamsEuropean Journal of Mechanics /A Solids, 67, 187-199

McCaw, J.C.S., and E. Cuan-Urquizo, “Curved-Layered Additive Manufacturing of Non-Planar, Parametric Lattice Structures”, 2018, Materials and Design, 160C, 249-963.

 

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