Piezas 'inteligentes' para detectar fallos estructurales en proyectos de ingeniería

El trabajo desarrollado por el grupo de Ciencia e Ingeniería de Materiales tiene como objetivo crear materiales compuestos fabricados mediante impresión 3D que permitan conferir cierta conductividad eléctrica a la matriz polimérica y autodetectar alguna variación de sus propiedades. Para ello, han utilizado resinas reforzadas con nanotubos de carbono (denominados CNT), logrando que la resistencia eléctrica final del material varíe con la deformación y la presencia de un daño. “La monitorización de esta magnitud nos permite conocer, de manera remota y autónoma, el estado estructural de la pieza. Esto se conoce como monitorización de la salud estructural”, explica Alberto Jiménez, investigador grupo de Ciencia e Ingeniería de Materiales y coautor del estudio publicado recientemente en la revista científica Polymers.

La utilización de tecnología de impresión requiere de luz UV para curar la pieza de resina, es decir, para conseguir que el material se convierta en el polímero deseado. Por tanto, la adición de nanopartículas que puedan absorber dicha radiación y dificultar que alcance la propia resina ha supuesto un reto para el equipo de investigación. Para llevar a cabo este estudio se ha empleado una impresora 3D DLP (digital light processing) en la cual, mediante la utilización de resinas fotocurables, se han ido creando piezas capa a capa. “Cada una de estas capas es expuesta a una irradiación de luz ultravioleta que activa el curado de la pieza hasta un grado tal que permite curar otra capa a continuación para que quede completamente integrada con la anterior, por lo que el grado de curado alcanzado en cada capa debe ser correctamente controlada”, detalla el investigador de la URJC.

Estos resultados permitirán explorar el empleo de estos materiales en aplicaciones que pudieran mostrar restricciones por la fiabilidad estructural del material empleado. “Así, uno puede pensar que si esta pieza fabricada tuviera una mala calidad entre capas de impresión o el número de ciclos soportados es menor del esperado, podría tener que incrementar las inspecciones o tener fallos prematuros”, señala Alberto Jiménez.

Materiales con capacidad para actuar como sensor SHM

La monitorización de la salud estructural de un material o SHM (Structural Health Monitoring) se emplea en ingeniería para detectar posibles cambios o deformaciones que puedan afectar de forma negativa a sus propiedades.

Los ensayos realizados con las piezas desarrolladas por el equipo de investigación de la URJC demuestran que su capacidad de SHM permite una mayor seguridad a la hora de emplear estos materiales en componentes cuyo fallo imprevisto pueda suponer un problema (pequeños resortes, moldes o piezas estructurales de mayor tamaño).

Este estudio abre las puertas a la posibilidad de analizar las posibilidades que este tipo de nanorrefuerzos puede tener en estas piezas. “Nuestra próxima publicación explora nuevas funcionalidades de estos materiales, una vez ha sido comprobada la posibilidad de fabricar piezas complejas con una buena precisión dimensional y, por otro lado, se ha comprobado la posibilidad de curar las muestras con contenidos suficientes para lograr la conductividad eléctrica.

En este sentido, el grupo de investigación tiene en marcha otros estudios para aprovechar estas propiedades en materiales auto-calefactables para aplicaciones de deshielo, de curado autónomo, autorreparación o memoria de forma, entre otras, que pueden tener un potencial impacto en la sociedad en los próximos años.

Investigación en nuevos materiales en la URJC

Este trabajo se enmarca dentro de la tesis doctoral realizada por Alejandro Cortés Fernández bajo la dirección de Alberto Jiménez Suárez y Mónica Campo Gómez.

Además, esta investigación forma parte de la línea de materiales compuestos multifuncionales de matriz polimérica del grupo de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad Rey Juan Carlos, con la participación de este grupo en el proyecto ADITIMAT (Fabricación aditiva: del material a la aplicación), donde este trabajo tiene una especial relevancia.

Los resultados de este trabajo se enmarcan también dentro del proyecto MULTIADIT, que ha permitido desarrollar estos materiales inteligentes desarrollados por impresión 3D.

Referencia

Alejandro Cortés, Xoan F. Sánchez-Romate, Alberto Jiménez Suárez, Mónica Campo, Alejandro Ureña, Silvia G. Prolongo. Mechanical and strain-sensing capabilities of carbon nanotube reinforced composites by digital light processing 3D printing technology, Polymers, 12(4), 975 (2020).