La madre naturaleza inspira a la impresión 3-D

BREMEN, Alemania—Cuando diseñadores de Airbus Group SE y Autodesk Inc. se pusieron a rediseñar un separador para cabinas de aviones, obtuvieron inspiración en cosas más terrenales: moho mucilaginoso y huesos de animales.

El gigante aeroespacial europeo quería una versión más ligera e impresa en 3-D de una partición montada en una pared curva de la cabina que sostiene los asientos plegables de los auxiliares de vuelo. La forma eficiente en que el moho mucilaginoso se expande para buscar alimento en bosques y otros lugares inspiró a los diseñadores, que terminaron creando un complejo entramado de más de 60.000 barras diminutas de metales usando una estructura inspirada en huesos de mamíferos.

“Resultó ser una buena forma de resolver el problema, incluso si a uno no le interesa en lo más mínimo la naturaleza”, dice David Benjamin, quien lideró el equipo de Autodesk. La estructura final de la pared pesa unos 36 kilos, menos de la mitad que la partición que reemplazará. Airbus ha solicitado certificación para su uso comercial.

Grandes avances en el poder computacional y en las tecnologías de escaneo e impresión 3-D están permitiendo a los ingenieros desarrollar como nunca antes la biónica, conocida también como biomimética. La fabricación por adición con aleaciones metálicas —o impresión 3-D en metal— permite en particular la construcción de una gama de productos de la misma forma en que crecen los árboles y los huesos: célula por célula, con desperdicios mínimos.

La combinación de la computación y la impresión 3-D “da un efecto exponencial”, señala Benjamin.

Grandes fabricantes, entre ellos Airbus, Boeing Co., General Electric Co., Daimler AG y Siemens AG, ya imprimen partes metálicas, muchas con formas inspiradas por la naturaleza. La cantidad de sistemas de impresión 3-D vendidos a empresas se disparó de 125 unidades en 2009 a 808 el año pasado, según Wohlers Report 2016, un anuario de la industria. Las ventas de metales usados en los sistemas aumentaron de US$12 millones a US$88 millones en el mismo lapso.

En octubre, GE pagó más de US$1.000 millones por participaciones de 75% en la alemana Concept Laser GmbH y la sueca Arcam AB, líderes en la impresión 3-D en metal. El conglomerado estadounidense imprime miles de boquillas de combustible para motores de aviones de Airbus y Boeing. El sector de la aviación ha adoptado la impresión 3-D desde temprano porque los ahorros en peso pueden ser considerables en comparación con la manufactura tradicional.

“Hay una razón por la cual las conchas marinas son tan fuertes, para un material tan frágil; todo depende de la estructura”, explica Christine Furstoss, vicepresidenta y directora técnica de fabricación y tecnologías de materiales de GE.

Los diseñadores desde hace mucho han obtenido inspiración en la naturaleza —los hermanos Wright dieron con la solución para maniobrar un avión al observar pájaros y el velcro tomó como modelo el erizo—, pero a menudo no era posible traducir las complejidades de la biología.

“Parecía mucha ciencia ficción y un poco tonto” para las compañías hace una generación, señala Antonia Kesel, quien lidera los estudios en biónica de la Universidad de Bremen y hace poco llevó a cabo una conferencia llamada “Patentes de la Naturaleza”.

Si bien el concepto se difunde, la cantidad de ingenieros que pueden aprovechar los principios de diseño naturales sigue siendo limitada, y la impresión 3-D aún es más lenta y costosa que la manufactura tradicional para la producción a gran escala. Los conocimientos acerca de cómo las aleaciones impresas se desgastan en aplicaciones de alta tensión como las aeroespaciales también están en su infancia, lo que ha generado cautela entre los reguladores sobre su adopción.

“Estas nuevas tecnologías, en particular la fabricación por adición o impresión 3-D, no debe reducir el actual nivel de seguridad aceptable”, señaló una vocera de la Agencia Europea de Seguridad Aérea.

El proceso de fabricación por adición usa láseres o un haz de electrones para soldar diminutas partículas de aleación que empiezan a desprender polvo. Forja sólo lo que necesita y en prácticamente cualquier forma. En la manufactura tradicional, en cambio, los diseños están limitados por lo que puede ser moldeado o fabricado a máquina, lo que suele requerir soportes estructurales y material excedente.

Para llegar a un diseño, los ingenieros comienzan con un análisis por computadora de lo que debe lograr un objeto en términos de forma y resistencia, para luego utilizar software capaz de concebir miles de posibles estructuras, afinando los diseños, en un proceso llamado optimización topográfica. Con más frecuencia, estos diseños se asemejan a los que se encuentran en la naturaleza.

“El crecimiento —en la naturaleza— es un proceso por adición”, explica Julia Schmidt-Petersen, ingeniera de EOS GmbH, una empresa alemana pionera en la impresión 3-D en metal. Schmidt- Petersen, quien estudió biología marina e ingeniería, presentó en la conferencia de Kesel un diseño para una aleta de refrigeración para motores de aviones inspirada en branquias de tiburón.

Las empresas y los institutos alemanes están especialmente entusiasmados con la impresión 3-D en metal porque gran parte de la tecnología básica se originó en Alemania. El Instituto Fraunhofer de Tecnología Láser en Aquisgrán, parte de la organización sin fines de lucro Sociedad Fraunhofer, posee una patente crucial para la fusión selectiva por láser, la base de la impresión 3-D.

La competencia está aumentando. Renishaw PLC, del Reino Unido, se está expandiendo y el conglomerado industrial alemán Siemens compró en agosto una compañía británica de impresión 3-D en metal, Materials Solutions Ltd., por un precio no revelado. Los fabricantes estadounidenses de manufactura por adición, entre ellos Stratasys Ltd. y 3-D Systems Inc., que hasta ahora han liderado la impresión 3-D con plásticos, están orientándose a la impresión con metales. HP Inc. es uno de los nuevos recién llegados al campo de la impresión 3-D.

Las compañías de diseño por computadora, incluidas Autodesk, Altair Engineering Inc. y Dassault Systemes S.A., también incursionan con fuerza en la parte de la simulación de la impresión 3-D.

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