Las estructuras de camarones Mantis ofrecen una dureza increíble con la tecnología de impresión 3D

Oct 09, 2023

Un equipo de investigadores internacionales se ha vuelto hacia la madre naturaleza en un intento por imprimir en 3D materiales compuestos cerámicos con características de endurecimiento bioinspiradas.

Los compuestos cerámicos con propiedades resistentes a los daños tienen una gran demanda, ya que la tenacidad es un requisito clave en una amplia variedad de aplicaciones industriales. Estos materiales también tienden a ofrecer combinaciones de estabilidad química y mecánica, lo que los califica para su uso en todo, desde la industria automotriz y aeroespacial hasta los sistemas de energía.

Desafortunadamente, muchas de las técnicas de procesamiento de compuestos cerámicos convencionales de hoy en día, como la creación de plantillas en hielo o la fundición por congelación, no pueden crear piezas con geometrías complejas y personalizadas, debido a las limitaciones en la fabricación de moldes.

El equipo internacional ahora está explorando cómo las estructuras protectoras que se encuentran en los camarones mantis se pueden usar junto con la impresión 3D de procesamiento de luz digital (DLP) para crear componentes compuestos de cerámica geométricamente complejos.

¿Qué tiene de especial el camarón mantis?

Los camarones mantis, también conocidos como estomatópodos, son un tipo de pequeño crustáceo marino multicolor. Son bien conocidos por su naturaleza agresiva y su característico apéndice en forma de puño llamado maza de dáctilo.

El arma incorporada se usa para aplastar y matar presas de caparazón duro, como cangrejos y caracoles, moviéndose con una fuerza increíble para atravesar incluso los caparazones más protectores. De hecho, se cree que las mazas de dáctilo pueden alcanzar aceleraciones de hasta 10 000 g, lo que resulta en impactos que alcanzan la velocidad de una bala calibre .22.

Pero, ¿qué los hace tan duraderos? Los palos Dactyl cuentan con una estructura bicontinua que les ayuda a absorber los impactos y filtrar las dañinas ondas de corte sin sudar. La fase orgánica está hecha de quitina, un compuesto que se encuentra comúnmente en los caparazones de insectos y crustáceos, mientras que la fase inorgánica está compuesta de fosfato de calcio amorfo y carbonato de calcio.

Juntos, la estructura de doble problema forma un efecto de escudo resistente a las grietas que protege el palo, para consternación de la presa del camarón mantis.

Mejoras de dureza de 116x

En el presente estudio, el equipo de investigación rindió homenaje a los trabajos de selección natural y estructuras compuestas cerámicas complejas impresas en 3D con fases bicontinuas de zirconia/epoxi.

Para probar cuán resistentes eran las estructuras impresas biomiméticas, aplicaron el concepto a la odontología restauradora, imprimiendo en 3D una serie de puentes pónticos con un 75 % vol. circonita Las paredes de cerámica graduada de los puentes aumentaron linealmente su grosor de 0,3 mm a 0,7 mm, mostrando distribuciones de tensión graduadas que dispersaron cualquier tensión de compresión en las piezas de manera uniforme.

En una serie de pruebas de compresión, el equipo descubrió que sus compuestos de cerámica impresa aumentaron su resistencia hasta en un 213 % en comparación con la cerámica pura. El módulo de Young aumentó solo ligeramente en las piezas impresas. Sorprendentemente, la dureza de las estructuras impresas también aumentó hasta 116x, al tiempo que permitió geometrías únicas que habrían sido imposibles de fabricar con técnicas convencionales.

En última instancia, el estudio muestra una gran promesa cuando se trata de bioimitar la arquitectura bicontinua de los camarones mantis. Los compuestos cerámicos impresos en 3D exhibieron excelentes características de dureza y resistencia a la compresión, que son particularmente útiles en aplicaciones de restauración dental personalizada.

Se pueden encontrar más detalles del estudio en el documento titulado 'Impresión 3D de compuestos cerámicos con diseño de endurecimiento biomimético'.

Ciertamente, esta no es la primera investigación de fabricación aditiva centrada en la biomimética. Recientemente, un equipo de investigadores de EE. UU. utilizó tecnología de impresión 3D para crear ventosas adhesivas inspiradas en pulpos. El equipo, dirigido por Virginia Tech, desarrolló su propio sistema nervioso inspirado en la naturaleza capaz de detectar objetos y activar automáticamente la adhesión en cuestión de milisegundos. La piel adhesiva se integró en un guante portátil, proporcionando una forma novedosa de manipular objetos en un entorno submarino.

En otro lugar, los investigadores de ETH Zurich imprimieron en 3D nanoestructuras coloreadas artificialmente, inspirándose en las alas de una mariposa. Originaria de África tropical, las alas de la especie Cynandra opis se caracterizan por sus colores vibrantes. Sin embargo, en lugar de estar basados ​​en pigmentos, estos colores son estructurales, lo que significa que son producidos por intrincadas nanoestructuras en la superficie de las alas.

Suscríbase al boletín de noticias de la industria de impresión 3D para conocer las últimas noticias sobre fabricación aditiva. También puede mantenerse conectado siguiéndonos en Twitter, dándonos Me gusta en Facebook y sintonizando el canal de YouTube de la industria de impresión 3D.

¿Está buscando una carrera en la fabricación aditiva? Visite Trabajos de impresión 3D para ver una selección de roles en la industria.

La imagen destacada muestra el camarón mantis. Foto vía Roy L. Caldwell, Universidad de California, Berkeley.

Kubi Sertoglu es licenciado en Ingeniería Mecánica y combina una afinidad por la escritura con una formación técnica para ofrecer las últimas noticias y reseñas sobre fabricación aditiva.