Un equipo de investigadores ha desarrollado una estructura de titanio fabricada mediante impresión 3D capaz de flotar en el agua, incluso después de sufrir daños importantes. Su diseño combina una red metálica ultraligera con espuma de poliuretano y podría abrir nuevas posibilidades para dispositivos y estructuras destinadas a operar en el mar.

La Universidad RMIT, en Australia, presentó una red híbrida de titanio y espuma de poliuretano que mantiene la flotabilidad incluso tras sufrir daños considerables, y que además resiste la exposición al agua de mar. Fabricada mediante impresión 3D, fue presentada como la primera demostración de un metamaterial híbrido de metal y polímero con arquitectura abierta capaz de flotar, abriendo nuevas posibilidades para boyas, sensores, estructuras portuarias y otros sistemas destinados a operar en el mar.

El punto de partida del estudio, publicado en la revista Advanced Materials, es un problema que hasta ahora había limitado el uso de las estructuras metálicas reticulares en aplicaciones marinas.

Estas piezas, formadas por una compleja red de elementos muy ligeros, pueden alcanzar una densidad global inferior a la del agua. Sin embargo, sus espacios abiertos permiten que el líquido penetre en su interior. Al quedar inundadas, dejan de comportarse como estructuras flotantes y terminan hundiéndose.

Los investigadores de RMIT han resuelto ese inconveniente mediante una combinación poco convencional. La estructura se desarrolla con una aleación de titanio y un proceso de fabricación aditiva que permite crear geometrías extremadamente complejas.

Sus elementos son huecos y están interconectados, pero los canales internos de cada tramo se rellenan posteriormente con espuma de poliuretano expansible. De este modo, el agua puede circular por los espacios exteriores de la red, mientras la espuma mantiene cerrados y protegidos los volúmenes internos que contribuyen a la flotabilidad.

El trabajo introduce además un nuevo concepto para diseñar este tipo de materiales: la "densidad esquelética". Según los autores, las mediciones convencionales de densidad incluyen todos los huecos de una estructura, incluso aquellos a los que puede acceder libremente el agua y que, por lo tanto, no contribuyen realmente a mantenerla a flote.

La nueva medida tiene en cuenta únicamente la parte de la estructura que excluye el líquido: las paredes de titanio y los canales internos sellados y rellenos de espuma. Si esa densidad es inferior a la del líquido circundante, la estructura puede flotar aunque presente grandes aberturas externas.

Los ensayos mecánicos ofrecen otro resultado especialmente llamativo. A igualdad de densidad global, la estructura híbrida de titanio y poliuretano fue un 70 % más resistente que el acero inoxidable y el polietileno de alta densidad, dos materiales empleados habitualmente en aplicaciones marinas como muelles, boyas y sensores flotantes.

Secciones transversales del cubo de celosía de titanio que se muestran antes y después de rellenarlo con espuma de poliuretano para mayor flotabilidad. / Crédito: Sara Tan, RMIT.

La resistencia frente al agua de mar también superó las primeras pruebas. Los investigadores sumergieron muestras durante dos semanas en agua natural procedente de Port Phillip Bay, en Melbourne.

Durante ese periodo, los materiales mantuvieron la flotabilidad y apenas perdieron masa, con una disminución media del 0,15 %. Las propiedades mecánicas sufrieron asimismo variaciones muy pequeñas, según una nota de prensa.

Uno de los aspectos más prometedores es su comportamiento después de sufrir daños: las muestras continuaron flotando tras presentar grietas, fallos en puntos de conexión e incluso la rotura de una capa completa de la red. Solo dejaron de hacerlo cuando fueron aplastadas y compactadas de forma extrema.

La espuma de poliuretano desempeña aquí un papel clave, ya que sus pequeñas celdas cerradas dificultan que el agua inunde rápidamente los canales internos después de una fractura.

El equipo llevó finalmente el concepto fuera del laboratorio, mediante una pequeña boya marina impresa en 3D. El prototipo permaneció estable en un tanque de agua de mar sometido a movimiento turbulento y a giros de hasta 45 grados, sin necesidad de una carcasa estanca, un recubrimiento protector ni elementos de flotación adicionales.

Ahora, las próximas etapas de la investigación incluyen aumentar el tamaño de las piezas y comprobar su comportamiento durante períodos prolongados y en condiciones marinas y de aguas profundas más exigentes.

Fuente: Levante - EMV