Trabajando en colaboración con colegas del Imperial College de Londres, el profesor Iain Todd del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad de Sheffield ha estado adoptando un enfoque novedoso para el desarrollo de componentes de ingeniería producidos utilizando fabricación aditiva.
La fabricación aditiva AM, también conocida como impresión 3D, a menudo se usa para producir componentes de ingeniería. Al utilizar estructuras de celosía como la que se muestra a continuación para reemplazar materiales sólidos, estos componentes son mucho más livianos que sus contrapartes sólidas, y puedenestar diseñados de tal manera que también exhiban combinaciones de propiedades que son inaccesibles para los sólidos convencionales. Estas estructuras se conocen como materiales arquitectónicos.
Estas estructuras de celosía típicamente tienen un diseño uniforme con nodos que se ajustan a una matriz regular con los puntales entre los nodos todos los siguientes planos comunes: y aquí radica el problema.
El trabajo, detallado en Naturaleza revista del 17 de enero de 2019, explica cómo estas redes uniformes replican la estructura de un cristal único metálico: los nodos en la red AM son equivalentes a los átomos en el cristal único y los puntales son equivalentes a los enlaces atómicos.estas estructuras, los planos atómicos o los nodos están todos perfectamente alineados.
Mientras que en algunas aplicaciones, como el extremo de alta temperatura de un motor a reacción, los materiales monocristalinos son ideales debido a su capacidad para resistir la deformación a temperaturas extremas, tienen limitaciones relacionadas con su rendimiento mecánico. Esta limitación también se observa en AMpartes con una estructura reticular uniforme.
Cuando la estructura se comprime, una vez que la fuerza es suficiente para causar una deformación permanente, la red se corta a lo largo de uno o más de los planos de los nodos. Sin nada que inhiba este corte, el colapso se vuelve catastrófico.
En materiales policristalinos, aquellos con muchos cristales, la alineación de los planos atómicos es aleatoria, por lo que cuando una fuerza de corte está en una dirección particular, una grieta se ralentizará o se detendrá cuando se encuentre con un cristal donde los átomos están alineadosde manera diferente al cristal en el que se inició la grieta. Además, es posible introducir diferentes materiales en forma de fases, precipitados o inclusiones utilizados para fortalecer los materiales; estos materiales también ayudan a inhibir la propagación de grietas.
Es esta comprensión metalúrgica fundamental la que inspiró a los científicos del Imperial College de Londres y la Universidad de Sheffield a imitar microestructuras policristalinas en redes AM con el objetivo de desarrollar materiales arquitectónicos robustos y tolerantes a los daños.
A través del modelado por computadora de estructuras atómicas, ampliando y creando mesoestructuras basadas en materiales policristalinos, los ingenieros están transformando la forma en que están diseñados los materiales, para lo cual se ha acuñado el nombre de 'metacristales'.
Las pruebas experimentales de componentes hechos de estos metacristales han demostrado que son altamente absorbentes de energía, con un material similar al policristal capaz de resistir casi siete veces la energía antes del fallo que los materiales que imitan la estructura de un solo cristal.
Si bien los conceptos metalúrgicos básicos se están utilizando para inspirar el desarrollo de materiales arquitectónicos, los investigadores están utilizando la creación de materiales arquitectónicos como un enfoque alternativo para estudiar fenómenos metalúrgicos complejos.
Prof Iain Todd de la Universidad de Sheffield: "Este enfoque para el desarrollo de materiales tiene implicaciones potencialmente de gran alcance para el sector de fabricación aditiva. La fusión de la metalurgia física con meta-materiales arquitectónicos permitirá a los ingenieros crear materiales arquitectónicos tolerantes a los daños conresistencia y tenacidad deseadas, al tiempo que mejora el rendimiento de los materiales arquitectónicos en respuesta a cargas externas.
"Y si bien estos materiales se pueden usar como estructuras independientes, también se pueden infiltrar con otros materiales para crear compuestos para una amplia variedad de aplicaciones".
Dr. Minh-Son Pham del Imperial College de Londres: "Este enfoque de metacristales podría combinarse con los avances recientes en la impresión 3D de múltiples materiales para abrir una nueva frontera de investigación en el desarrollo de nuevos materiales avanzados que sean livianos y mecánicamente robustos,con el potencial de avanzar en futuras tecnologías bajas en carbono "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Sheffield . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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