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Investigadores de la UPM patentan un metamaterial

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El Grupo Avanzado de MOdelado y SImulación NO-lineal de Sólidos desarrolla un metamaterial que cambia sus propiedades mecánicas sin variar morfológicamente a nivel de celda.

La invención registrada como patente nacional en la Oficina Española de Patentes y Marcas con número ES2907514 A1, se titula “Celda unidad de metamaterial y material formado a partir de dicha celda unidad”. Se trata de un nuevo tipo de metamaterial capaz de cambiar sus propiedades auxéticas con una pequeña variación geométrica interna, sin necesidad de tener cambio morfológico a nivel de celda.

Un metamaterial es una microestructura formada por elementos más pequeños, como por ejemplo barras o placas, que a mayor escala funciona como un material estándar, pero con unas propiedades controladas por el diseñador. Estos materiales a pequeña escala están formados por bloques idénticos que se repiten, lo que se denomina celda unidad.

Un material es auxético cuando al comprimirlo en una dirección se contrae en las otras, en lugar de expandirse que es lo que suelen hacer los materiales por el llamado efecto Poisson. De igual modo, al estirarlo se expandirá en las otras direcciones, en lugar de contraerse.

El metamaterial patentado por el grupo de investigación GAMOSINOS (Grupo avanzado de Modelado y Simulación NO-lineal de Sólidos) de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería Aeronáutica y del Espacio (ETSIAE) puede presentar tanto propiedades auxéticas como no auxéticas según las diferentes configuraciones. “La principal facultad de nuestra invención es que puede cambiar sus propiedades mecánicas sin variar la forma de esta celda, y, por tanto, se pueden reproducir piezas con propiedades variables de manera muy sencilla. Esto se logra cambiando la conexión vertical y lateral entre las celdas, que se realiza mediante barras que pueden estar conectadas a unos nudos y otros. Dicha variación es la que genera diferentes configuraciones con diferentes propiedades mecánicas”, explican los investigadores de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM).

Dada esa configuración, su potencialidad es la de presentar una mayor resistencia al daño por impacto que otros materiales existentes en la actualidad. “Por ello, puede ser de gran aplicación en el sector aeroespacial para mejorar las prestaciones de diversos elementos e incluso reducir su peso. Puede ser usado como elemento de relleno para celdas de borde de ataque en aeronaves y aerogeneradores, que tienen que ser resistentes a impacto y de celda abierta para impedir la acumulación de agua. Ahora mismo, algunas de esas celdas van rellenas de paneles sándwich de foam, que tienen el problema de acumular agua y no ser posible su extracción de forma fácil. Estos elementos que pueden sufrir, por ejemplo, el impacto de un ave o proyectil o tener daños por la congelación del agua que se queda encerrada”, sostienen desde GAMOSINOS.

“Más concretamente, las palas de helicóptero o de aerogenerador, que generalmente también son paneles sandwich rellenos de foam, pueden verse mejorados con este metamaterial. De igual modo, los radomos de morro en aeronaves tienen que ser permeables a la radiación porque suelen alojar las antenas de radar frontal, pero al mismo tiempo tienen que ofrecer una buena resistencia ante un posible impacto. Son aspectos en los que el grupo de investigación está trabajando actualmente”, concluyen.

Contexto de la invención

La invención parte del TFG de Guillermo Gómez Carano, inventor del metamaterial junto con Luis Saucedo Mora, Miguel Ángel Sanz Gómez y Francisco Javier Montans Leal, todos ellos pertenecientes al grupo GAMOSINOS. Guillermo Gómez Carano actualmente está finalizando el Máster Universitario en Matemática Industrial (MUMI), programa interuniversitario de posgrado que ofrece la ETSIAE, compaginándolo con su trabajo como ingeniero de datos en la empresa WhiteBox.

La patente ha tardado más de un año en otorgarse debido a la necesaria revisión externa para demostrar su originalidad frente a las patentes ya existentes según diferentes bases de datos a nivel internacional.

Las investigaciones en torno a este metamarial continúan dentro del grupo GAMOSINOS. José María Benítez Baena, Laura Moreno Corrales, Ismael Ben-Yelun Insenser y Ricardo Callado Sanz están colaborando en su actual desarrollo e implementación, incluyendo tanto la validación experimental como el estudio numérico para introducirlo en estructuras optimizadas.

Al mismo tiempo, este trabajo se enmarca dentro del proyecto europeo XS-Meta, coordinado por el grupo desde la ETSIAE, y en el que participan la ENSAM y GT-Lorraine desde Francia, la NUIG desde Irlanda, RWTH Aachen University desde Alemania, las universidades de Florida y Georgia Tech desde Estados Unidos, e INTA, desde España. Además, cuenta con la colaboración de las compañías OXMET (Inglaterra), XEV (Italia), y ESI (Francia), empresas que se dedican a diversos temas relacionados con los metamateriales y la impresión 3D, desde los implantes, hasta los coches eléctricos o la industria aeroespacial. El proyecto XS-Meta tiene como objetivo desarrollar nuevos metamateriales y procesos de cálculo estructural para impresión 3D. Se está investigando tanto en los defectos de la impresión 3D, como en diferentes técnicas de diseño generativo, análisis multiescala, y caracterización de los componentes.

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