La nueva pasta de cemento impresa en 3D se fortalece cuando se agrieta, igual que las estructuras de la naturaleza.

¿Qué pasaría si las debilidades inherentes de un material hicieran más fuertes las casas y los edificios durante los incendios forestales y terremotos?

Investigadores de la Universidad de Purdue tienen pasta de cemento impresa en 3D, un ingrediente clave del concreto y mortero utilizado para construir varios elementos de infraestructura, que se endurece bajo presión como las conchas de artrópodos como langostas y escarabajos. La técnica podría eventualmente contribuir a que las estructuras sean más resistentes durante los desastres naturales.

"La naturaleza tiene que lidiar con las debilidades para sobrevivir, por lo que estamos utilizando las debilidades'incorporadas' de los materiales a base de cemento para aumentar su resistencia", dijo Jan Olek, profesor de la Escuela de Ingeniería Civil Lyles de Purdue.

La idea sería usar diseños inspirados en las conchas de artrópodos para controlar cómo se propaga el daño entre las capas impresas de un material, como tratar de romper un montón de fideos de espagueti crudos en lugar de un solo fideos.

"Los exoesqueleto de los artrópodos tienen mecanismos de propagación y endurecimiento de grietas que podemos reproducir en pasta de cemento impresa en 3D", dijo Pablo Zavattieri, profesor de ingeniería civil de Purdue.

Los materiales a base de cemento impresos en 3D, como la pasta de cemento, el mortero y el hormigón, darían a los ingenieros un mayor control sobre el diseño y el rendimiento, pero los tecnicismos se han interpuesto en el camino para ampliarlos.

Los ingenieros de Purdue son los primeros en utilizar la impresión en 3D para crear estructuras bioinspiradas utilizando pasta de cemento, como se muestra en un artículo publicado y en el frontispicio de la próxima edición impresa de la revista Advanced Materials.

"La impresión en 3D ha eliminado la necesidad de crear un molde para cada tipo de diseño, de modo que podamos lograr estas propiedades únicas de los materiales a base de cemento que antes no eran posibles", dijo Jeffrey Youngblood, profesor de ingeniería de materiales de Purdue.

El equipo también está utilizando escaneos microCT para comprender mejor el comportamiento de los materiales endurecidos a base de cemento impreso en 3D y aprovechar sus características débiles, como las regiones porosas que se encuentran en las "interfaces" entre las capas impresas, que promueven el agrietamiento. Este hallazgo fue presentado recientemente en la 1ª Conferencia Internacional de RILEM sobre Hormigón y Fabricación Digital.

"La impresión en 3D de materiales a base de cemento proporciona control sobre su estructura, lo que puede llevar a la creación de más daños y elementos estructurales tolerantes a fallas como vigas o columnas", dijo Mohamadreza "Reza" Moini, candidato al doctorado en ingeniería civil de Purdue.

El equipo se inspiró inicialmente en el camarón mantis, que conquista a su presa con un apéndice "dactyl club" que se endurece con el impacto a través de grietas retorcidas que disipan la energía y evitan que el club se desmorone.

Algunos de los elementos de pasta de cemento bioinspirados diseñados y fabricados por el equipo utilizando técnicas de impresión en 3D incluyen los diseños "honeycomb", "compliant" y "Bouligand", llamados "arquitecturas".

Cada una de estas arquitecturas permitía nuevos comportamientos en un elemento impreso en 3D una vez endurecido. La arquitectura Bouligand, por ejemplo, aprovecha las interfaces débiles para hacer que un material sea más resistente a las grietas, mientras que la arquitectura conforme hace que los elementos a base de cemento actúen como un resorte, aunque estén hechos de material quebradizo.

El equipo planea explorar otras formas en que los elementos a base de cemento podrían ser diseñados para construir estructuras más resistentes.