Un equipo de investigadores imprime en 3D una serie de compuestos que cambian de forma en el espacio

Según la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, el estudiante de doctorado en ingeniería aeroespacial Ivan Wu y su asesor, Jeff Baur, de la Facultad de Ingeniería Grainger, han desarrollado una forma energéticamente eficiente de transformar estructuras 2D compuestas y planas en formas curvas tridimensionales una vez implementadas en el espacio.

Las técnicas de morphing de baja intensidad que se utilizaban hasta ahora producían estructuras con un grado de rigidez insuficiente para utilizarlas en el sector aeroespacial. Wu y Baur han abordado esta limitación en su estudio «Rapid forming of programmable shaped morphogenic composite through additive manufacturing and frontal polymerization», publicado en la revista Additive Manufacturing.

Este planteamiento aúna dos avances fundamentales: un sistema de resina pura energéticamente eficiente desarrollado por un grupo de colaboradores del Instituto Beckman y una impresora 3D de fibra de carbono continua capaz de producir estructuras compuestas de grado aeroespacial. Utilizando la impresora, se depositan una serie de haces de fibra de carbono —cada uno con un diámetro similar al de un cabello humano— sobre una plataforma de impresión, se comprimen y se curan parcialmente mediante luz ultravioleta.

A continuación, la estructura de fibra impresa se sumerge en una resina líquida y se congela. Cuando es necesario disponer de una estructura 3D, un estímulo térmico de baja intensidad activa una reacción química que cura la resina y transforma el compuesto plano en una forma curvada. Este proceso, denominado «polimerización frontal», elimina la necesidad de utilizar hornos grandes o autoclaves. Lo más importante es que este pequeño disparador térmico puede activar estructuras de cualquier tamaño, lo que hace que la tecnología pueda adaptarse a componentes espaciales de gran tamaño.

Uno de los principales desafíos técnicos a los que tuvo que enfrentarse el equipo fue el de resolver el «problema inverso», es decir, determinar el patrón preciso de fibras en 2D necesario para conseguir la forma tridimensional deseada. Wu desarrolló modelos matemáticos y código para programar la impresora de acuerdo con sus necesidades, lo que les ha permitido obtener cinco formas: una espiral cilíndrica, un tirabuzón, un cono, una silla de montar y un plato parabólico. Este último es especialmente relevante en este caso, ya que reproduce la suave curvatura que requieren las antenas satelitales desplegables.

Wu se ha inspirado en el arte japonés del kirigami para obtener este tipo de curvatura mediante un doblado controlado en lugar de utilizar pliegues. Para hacer posible esta transformación, los compuestos usan una fracción de volumen de fibra baja, lo que permite equilibrar la flexibilidad con la rigidez. Aunque el grado de rigidez resultante continúa siendo insuficiente para utilizar a nivel estructural estos materiales directamente en el espacio, los investigadores proponen utilizar las formas obtenidas como moldes reutilizables para fabricar compuestos de alta rigidez en órbita.

Wu señala que estos mismos materiales y procesos también podrían aplicarse a estructuras desplegables en lugares remotos de la Tierra.