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Cerámica de origami ligera y resistente
Una nueva forma de imprimir y doblar celosías de cerámica y metal en estructuras en miniatura podría conducir a nuevas estructuras de ingeniería ligeras. La técnica consiste en hacer láminas enrejadas con tinta cerámica, luego doblar y calentar estas láminas para crear formas intrincadas. El método podría utilizarse para fabricar piezas ligeras para aplicaciones aeroespaciales, andamios complejos para la ingeniería de tejidos y filtros y catalizadores para la producción química industrial.
Estructuras complejas: El cono rojo en la parte superior central de esta imagen es un cabezal de impresión que se utiliza para hacer celosías bidimensionales de tintas cerámicas y metálicas. Estas celosías se pueden plegar para crear estructuras complejas que incluyen cubos, espirales e incluso una grúa de origami.
Podemos crear formas tridimensionales complejas que no se pueden hacer de otras formas, dice Jennifer Lewis , director del Laboratorio de Investigación de Materiales de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign. Lewis desarrolló la técnica con el investigador de Illinois Bok Ahn y David Dunand , profesor de ciencia de los materiales en la Universidad Northwestern. Los investigadores dicen que satisface la necesidad de una forma de fabricar estructuras complejas en una escala de centímetros: demasiado pequeñas para el moldeo o mecanizado convencionales, y demasiado grandes para la litografía o técnicas similares.
Lewis ha creado previamente nuevos tipos de tintas y métodos de impresión para hacer estructuras bidimensionales. Su enfoque consistía en exprimir tintas que contenían partículas de cerámica o metal de un cabezal de impresión, de manera similar a como se exprime la pasta de dientes de un tubo. Con estas tintas, Lewis podría hacer patrones enrejados, una capa a la vez. Luego, las celosías se podrían calentar para fusionar las partículas y eliminar los disolventes de tinta.
El grupo de Lewis recurrió al plegado de origami cuando un colaborador le pidió que hiciera cilindros concéntricos de titanio para su uso en ingeniería de tejidos, como implantes para estimular el crecimiento óseo. Ahn se dio cuenta de que tal estructura se podía hacer enrollando una celosía impresa antes de calentarla, y el grupo modificó la formulación de las tintas para adaptarse mejor al proceso. El material es lo suficientemente elástico para doblarse, pero lo suficientemente resistente como para no caerse ni agrietarse antes de solidificarse.
Ahora se ha utilizado la misma técnica para hacer estructuras complejas que incluyen una grúa de origami que requiere 16 pasos de plegado. La grúa no tiene una aplicación práctica, pero demuestra las ventajas de esta técnica, dicen los investigadores.
La técnica de imprimir y doblar le permite crear la forma que desee, pero quitando el peso, dice Bob Peterson, científico senior de Reactivo , una empresa aeroespacial con sede en Sacramento, CA, que no está afiliada al grupo de Illinois.
Peterson dice que la técnica podría usarse para hacer, por ejemplo, puntales de refuerzo de titanio más livianos para las alas de los cohetes, y estima que la técnica de fabricación del grupo de Illinois podría reducir el peso de estas partes en particular de aproximadamente 1.5 libras a un cuarto de libra. En lugar de hacer un cubo de titanio sólido, por ejemplo, los investigadores podrían construir uno hueco con mucho menos material. Las estructuras de metal y cerámica plegadas también deben poder soportar temperaturas extremas y cargas pesadas, lo cual es importante para aplicaciones aeroespaciales e industriales.
Los investigadores de Illinois están trabajando con una gama más amplia de materiales y probando las propiedades mecánicas de las estructuras que ya han fabricado. Las estructuras de titanio, dice Dunand, son fuertes y resistentes a las fracturas. Agrega que el enfoque debe ser compatible con una variedad de materiales además del titanio, incluidos el acero y otros metales, muchas cerámicas y los compuestos utilizados para fabricar zeolitas, que se utilizan comúnmente para la filtración y la catálisis.