Las estructuras reticulares impresas en 3D son uno de los mayores atractivos de la fabricación aditiva. Son fáciles de fabricar mediante el proceso único de impresión 3D y ofrecen numerosas ventajas prácticas.
Las estructuras reticulares son, en esencia, patrones de relleno: formas de estructurar la geometría interna de una pieza impresa en 3D. En lugar de imprimir en 3D un bloque sólido de plástico o metal, los ingenieros pueden usar patrones superpuestos y entrelazados que son parcialmente huecos. Cuando estas estructuras reticulares se diseñan correctamente, pueden mejorar notablemente las propiedades mecánicas de una pieza, haciéndola más ligera y resistente.
Es importante destacar que las estructuras reticulares se pueden fabricar con cualquier impresora 3D profesional. Y, aún más importante, estas estructuras no se pueden producir adecuadamente con ninguna otra tecnología de fabricación. Las tecnologías sustractivas no permiten cortar el interior de una pieza sin cortar también el exterior, mientras que los moldes simplemente se "llenan" con material líquido; no se puede controlar cómo se coloca ese material líquido, como sí se puede hacer con una impresora 3D.
Este artículo analiza cómo se fabrican las estructuras reticulares impresas en 3D y por qué se están volviendo tan útiles en sectores como la industria aeroespacial.
¿Cómo se fabrica una celosía mediante impresión 3D?
Las estructuras reticulares se pueden observar en todas partes, en lugares como puentes y casas de madera. La Torre Eiffel es quizás el ejemplo más famoso del mundo de una estructura reticular o de celosía, con sus vigas superpuestas que forman una estructura estable pero en gran parte hueca.
Es posible replicar dicha estructura en una pieza impresa en 3D. Generalmente, no es necesario diseñar la estructura reticular manualmente: existen varias herramientas de generación de retículas que generan automáticamente patrones reticulares a partir de parámetros seleccionados por el usuario. Entre las herramientas comerciales disponibles se incluyen Topology, Autodesk Within y Meshify.
Pero no todas las redes son iguales. De hecho, las estructuras reticulares varían de muchas maneras, y las principales variaciones se describen a continuación.
Estructura celular
Las celdas son las unidades individuales que componen una estructura reticular. Generalmente se reconocen como figuras geométricas como cubos, estrellas, hexágonos, octágonos, etc., aunque se pueden combinar varias formas para usos mecánicos específicos. En ocasiones, las celdas son completamente heterogéneas, sin ningún patrón discernible.
En definitiva, la estructura celular —tanto su forma como su tamaño— influye en cómo se comportará una pieza en términos de resistencia, peso, elasticidad y otros factores.
Orientación celular
Decidir la estructura y el tamaño de la celda es solo una parte del proceso. Las formas dentro de una red pueden orientarse de diferentes maneras, lo que también afecta el rendimiento final de la pieza. La orientación también debe estar determinada por las limitaciones de impresión: ciertas orientaciones requerirán más estructuras de soporte, por ejemplo.
Material reticular
No todos los materiales permiten imprimir todas las estructuras reticulares. Los materiales blandos y elásticos generalmente no deben imprimirse con estructuras de celdas grandes, ya que las grandes secciones porosas pueden provocar que la pieza se deforme. En la mayoría de los casos, el material de la estructura reticular será el mismo que el de la carcasa o el material externo, pero las impresoras multiextrusoras ofrecen cierta flexibilidad en este sentido.
¿Cuáles son las ventajas de una estructura reticular impresa en 3D?
Al incorporar estructuras reticulares en las piezas impresas en 3D, los ingenieros pueden obtener ventajas como la reducción de peso, una mayor resistencia de las piezas y una mejor absorción de impactos.
La reducción de peso es quizás el beneficio más importante y la razón principal por la que los ingenieros están tan interesados en optimizar sus estructuras impresas con geometrías internas estructuradas. Una característica clave de las estructuras reticulares es su estructura parcialmente hueca: las celdas contienen espacio vacío, por lo que, además de un patrón reticular interno, requieren menos material en general que una pieza equivalente con relleno sólido.
Menos material en total significa menos masa, lo cual representa una gran ventaja para los usuarios de fabricación aditiva en industrias como la automotriz y la aeroespacial, donde reducir tan solo unos gramos puede marcar una gran diferencia en el rendimiento de las piezas. De hecho, algunas de las investigaciones más prometedoras sobre materiales reticulares se están llevando a cabo en el sector aeroespacial, donde empresas como Boeing han desarrollado materiales reticulares avanzados ultraligeros.
Menos material también significa menos gastos. Al crear piezas con estructuras reticulares, los ingenieros pueden fabricar componentes de calidad superior que, de hecho, cuestan menos que los de menor calidad.
Pero el objetivo principal de las estructuras reticulares es reducir la masa sin comprometer la integridad de la pieza. Mientras que perforar una pieza de forma arbitraria podría hacerla más frágil y propensa a romperse, las estructuras reticulares impresas en 3D están diseñadas para utilizar el material de la manera más eficaz posible desde el punto de vista estructural, garantizando que las secciones huecas no sean puntos débiles, sino puntos fuertes en sí mismas.
Las piezas parcialmente huecas con estructuras reticulares pueden ser más resistentes que sus equivalentes sólidas, ya que los espacios vacíos en la estructura reticular mejoran la absorción de impactos y reducen la tensión. Las piezas con estructuras reticulares de celdas grandes pueden ser muy flexibles y elásticas, lo que reduce la fragilidad y la posibilidad de rotura.
Menos importante, pero no por ello menos destacable, es la estética de las estructuras reticulares. Estos complejos patrones constituyen algunas de las formas más impresionantes que los ingenieros pueden crear con una impresora 3D, por lo que las piezas con estructuras reticulares impresas suelen ser tan visualmente atractivas como prácticas.
Resumen de las ventajas de las estructuras reticulares impresas en 3D:
- Ligeros.
- Menos uso de material
- Fuerte
- Absorción de impactos
- Estético
¿Pueden las máquinas CNC fabricar estructuras reticulares?
En resumen, no. Las máquinas CNC y otras tecnologías de fabricación sustractiva no pueden crear estructuras reticulares 3D porque utilizan herramientas de corte para eliminar material de un bloque sólido. Una máquina CNC podría cortar las secciones huecas de la primera fila de celdas reticulares, pero la herramienta de corte se detendría. No puede cortar la siguiente fila de secciones huecas porque las secciones sólidas lo impiden.
Una impresora 3D no presenta este problema porque fabrica las piezas en secciones o cortes transversales, construyéndolas desde cero en lugar de cortarlas de un bloque sólido. Por lo tanto, la fabricación aditiva dista mucho de ser la mejor tecnología de fabricación para crear estructuras reticulares.
Sin embargo, cabe señalar que las máquinas CNC pueden crear eficazmente estructuras reticulares bidimensionales, como rejillas, y que estas estructuras reticulares mecanizadas por CNC pueden, de hecho, ser más resistentes que las estructuras reticulares impresas en 3D.
¿Cuáles son las aplicaciones prácticas de las estructuras reticulares impresas en 3D?
Las estructuras reticulares impresas en 3D ya tienen aplicaciones en muchas industrias, puesto que los ingenieros y diseñadores de productos de todo el espectro comercial buscan constantemente formas de aligerar y reforzar las piezas.
La reducción de peso es especialmente importante en las industrias aeroespacial y automotriz , ya que las piezas pesadas generalmente disminuyen la velocidad del vehículo y aumentan el consumo de combustible. Por lo tanto, las piezas ligeras son mucho más deseables.
Dado que las estructuras reticulares se han utilizado en arquitectura durante cientos de años, no sorprende que las versiones miniaturizadas de celosías también estén ganando popularidad en la arquitectura actual . Y gracias a la precisión de su ingeniería, los investigadores incluso han encontrado maneras de crear patrones 3D que reducen el ruido, lo que podría mejorar los materiales aislantes para edificios.
Las estructuras reticulares impresas en 3D también se encuentran en la ropa y el calzado ; empresas como Adidas, por ejemplo, utilizan estructuras reticulares de elastómero impresas en 3D para las entresuelas de sus zapatillas. Estas estructuras proporcionan una amortiguación ligera con una gran capacidad de rebote, mucho mejor y con una justificación científica más sólida que las omnipresentes "burbujas de aire" de la década de 1990.
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