Un equipo de investigación del Instituto IMDEA Materiales, la Universidad Politécnica de Madrid (UPM), y la Universidad Alfonso X el Sabio (UAX), ha publicado en la revista Advanced Engineering Materials un mapa sistemático que combina las propiedades mecánicas y acústicas de las estructuras celulares TPMS.

El estudio proporciona una guía de diseño para crear materiales ligeros fabricados mediante impresión 3D, capaces de soportar cargas complejas y absorber el sonido de forma eficaz.

Los materiales de ingeniería actuales suelen ser o muy resistentes o muy buenos aislantes acústicos, pero rara vez combinan ambas propiedades. La solución tradicional ha sido combinar capas de distintos materiales, lo que aumenta el peso, la complejidad y el coste.

Este trabajo presenta una alternativa al mapear el comportamiento de las ‘superficies mínimas triplemente periódicas’ (TPMS), unas arquitecturas internas complejas que permiten integrar ambas funcionalidades en una única pieza.

El estudio revela dos hallazgos clave. En el ámbito mecánico, demuestra que los modelos de ingeniería convencionales, que predicen bien el comportamiento bajo compresión, fallan al predecir la resistencia a fuerzas de cizallamiento.

La rigidez en estas condiciones depende de factores más complejos como la conectividad interna de la estructura, un aspecto hasta ahora poco estudiado. Para validarlo, el equipo desarrolló una metodología experimental de ensayo de cizallamiento para este tipo de materiales.

En el ámbito acústico, la investigación identifica un umbral de densidad clave en el 25%. Por debajo de esta densidad relativa, todas las arquitecturas se comportan de forma similar a una espuma porosa, ofreciendo una absorción de sonido de banda ancha.

Sin embargo, por encima del 25%, la geometría específica de la estructura se vuelve crucial. Las constricciones internas generan un efecto de resonancia (similar a una red de cavidades y cuellos) que permite una absorción de sonido mucho más intensa y sintonizable.

Además, se demostró que variando gradualmente la densidad del material a lo largo de su espesor se puede optimizar su rendimiento acústico sin alterar su peso total.

“El verdadero potencial de estos materiales no reside en maximizar una única propiedad, como la rigidez, sino en su capacidad para integrar múltiples funcionalidades,” explicó la Dra. Lucía Doyle, de la Escuela de Ingeniería, Arquitectura y Diseño de UAX y antigua investigadora postdoctoral del Instituto IMDEA Materiales.

“Hemos demostrado que, mediante el control de la arquitectura y la densidad, podemos diseñar un único componente ligero que ofrezca un soporte estructural robusto y, a la vez, un control acústico a medida”.

“Esto abre un nuevo paradigma para el diseño de sistemas más eficientes y ligeros en sectores clave,” añadió.

El trabajo contó con la participación de los Profs. Carlos González y Johan Christensen de IMDEA Materiales, y la Prof.a María Ángeles Navacerrada de la UPM.

Estos resultados establecen las bases para la ingeniería de precisión de materiales multifuncionales.

El mapa de propiedades creado por los investigadores servirá como una guía de diseño para que los ingenieros puedan seleccionar y optimizar arquitecturas TPMS para aplicaciones específicas, desde componentes más ligeros y silenciosos para la industria aeroespacial y de automoción, hasta elementos estructurales para la construcción con aislamiento acústico incorporado.

Esta investigación ha recibido financiación del programa Marie Skłodowska-Curie Actions de Horizonte 2020 (n.º 101106955).