Investigadores de RMIT crean una estructura de titanio que flota incluso tras sufrir grietas y daños severos.
- 🌊 Titanio capaz de flotar en agua.
- 🧩 Estructura abierta impresa en 3D.
- 🫧 Espuma atrapada dentro de los soportes huecos.
- 💪 Hasta un 70 % más resistente frente a materiales marinos convencionales de densidad equivalente.
- 🧂 Pérdida de masa de solo un 0,15 % tras dos semanas en agua de mar.
- 🔨 Flotabilidad mantenida incluso después de fracturas importantes.
- ⚓ Primer prototipo funcional en forma de boya marina.
- 🇦🇺 Tecnología desarrollada principalmente en RMIT University, Australia.
Ingenieros crean un titanio impreso en 3D que flota incluso después de sufrir daños graves
¿Por qué importa?
Una boya, un sensor oceánico o una estructura flotante no necesita únicamente ser ligera. Tiene que seguir flotando después de recibir golpes, agrietarse y pasar años expuesta a un ambiente extremadamente corrosivo.
Investigadores de RMIT University han abordado ese problema de una manera poco habitual: en lugar de construir una carcasa metálica completamente estanca, han creado una red abierta de titanio cuyos propios soportes son huecos y contienen espuma de poliuretano.
El agua puede atravesar buena parte de la estructura y, aun así, el conjunto flota.
Ahí está lo interesante.
Titanio que pesa mucho menos de lo que aparenta
El titanio utilizado, Ti-6Al-4V, no tiene nada de flotante por naturaleza. Su densidad ronda los 4.430 kg/m³, más de cuatro veces la del agua.
El truco está en la arquitectura.
Mediante fabricación aditiva por fusión láser de lecho de polvo, el equipo imprime una especie de esqueleto tridimensional formado por barras muy finas. Cada barra tiene paredes de titanio y un conducto interior hueco.
Posteriormente, esos canales reciben espuma expansiva de poliuretano de célula cerrada. El polímero ocupa una fracción del volumen y aporta muy poco peso, mientras sus pequeñas cavidades llenas de gas impiden que el agua inunde el interior de los soportes.
El resultado es un material híbrido: el titanio soporta las cargas y la espuma mantiene la flotabilidad.
No se trata, por tanto, de haber creado una nueva aleación de titanio ultraligera. La innovación está en cómo se distribuyen físicamente metal, aire, polímero y espacio vacío.
Una nueva forma de calcular si una estructura puede flotar
La investigación introduce además un concepto denominado densidad esquelética.
En una estructura metálica convencional resulta relativamente sencillo relacionar masa y volumen. Una celosía abierta complica bastante esa cuenta porque buena parte de su volumen puede llenarse de agua.
Una pieza puede presentar aparentemente una densidad muy baja y hundirse en cuanto el líquido penetra por sus huecos.
La densidad esquelética propuesta por los investigadores excluye precisamente los espacios abiertos accesibles al agua y considera las partes que realmente la desplazan: las paredes de titanio y los conductos internos sellados que contienen espuma.
La regla resultante es sencilla de entender: cuando esa densidad efectiva queda por debajo de la del líquido circundante, la estructura puede mantenerse a flote.
Los diseños experimentales presentaron densidades esqueléticas calculadas de aproximadamente 750 a 1.170 kg/m³, lo que permitió fabricar deliberadamente muestras que flotaban y otras que se hundían.
El agua atraviesa la estructura, pero no invade su interior
Una de las particularidades más llamativas aparece al observar la celosía.
No funciona como una botella metálica cerrada.
La estructura exterior continúa siendo permeable. El agua circula por sus grandes espacios abiertos mientras los pequeños conductos existentes dentro de las barras permanecen protegidos por el polímero.
Esta separación permite conservar las ventajas de una geometría abierta —menos material, elevada superficie y libertad para adaptar la forma— sin renunciar a la flotabilidad.
Las muestras capaces de flotar permanecieron sumergidas parcialmente en agua dulce durante más de dos meses, sin que los investigadores observaran pérdida de aire o entrada significativa de agua en los conductos internos.
El detalle decisivo aparece cuando la pieza se rompe
Aquí el planteamiento tiene una ventaja importante frente a una estructura hueca convencional.
Una carcasa cerrada puede flotar perfectamente mientras permanezca intacta. Una grieta puede cambiar la situación con rapidez: entra agua, desaparece el volumen de aire protegido y aumenta la masa efectiva.
En la estructura desarrollada por RMIT, la flotabilidad está distribuida por multitud de pequeños conductos rellenos de espuma.
Los investigadores sometieron las muestras a compresión hasta provocar grietas en los nodos, fracturas y el fallo completo de una capa de la celosía. A pesar del daño, determinadas muestras continuaron flotando.
Solo terminaron hundiéndose después de una deformación extrema que compactó considerablemente la estructura.
Para infraestructuras expuestas a impactos, oleaje o colisiones accidentales, esa tolerancia al daño podría resultar más relevante que la flotabilidad inicial.
Más resistente que acero inoxidable y polietileno a igualdad de densidad
La ligereza tendría poco valor en una infraestructura marina si obligara a sacrificar resistencia.
En las pruebas realizadas por el equipo, las celosías híbridas alcanzaron una resistencia específica superior a la de materiales habituales en aplicaciones marinas como acero inoxidable 316L y polietileno de alta densidad (HDPE).
RMIT resume la comparación indicando que la estructura resultó aproximadamente un 70 % más resistente cuando se compararon materiales con la misma densidad global.
Las muestras ensayadas presentaron densidades globales aproximadas de 270 a 320 kg/m³, con una resistencia última a compresión media cercana a 12,4 MPa.
La espuma apenas modifica el comportamiento estructural. Añadirla incrementó la densidad alrededor de un 5,9-7,3 %, mientras la estructura metálica continuó soportando prácticamente todo el esfuerzo mecánico.
Eso permite separar dos funciones: el titanio aporta resistencia; el polímero aporta flotabilidad y tolerancia frente a la entrada de agua.
Dos semanas en agua marina natural con una degradación mínima
El mar plantea otro problema: la corrosión.
Para comprobar el comportamiento inicial, los investigadores utilizaron agua marina natural de Port Phillip Bay, en Melbourne. Las muestras permanecieron sumergidas durante dos semanas.
La pérdida media de masa fue de aproximadamente 0,15 %.
Después se repitieron los ensayos mecánicos. La resistencia de fluencia cayó alrededor de un 0,37 % y la resistencia última a compresión aproximadamente un 0,86 % respecto a muestras equivalentes que no habían permanecido sumergidas.
Son resultados prometedores, aunque dos semanas representan un ensayo demasiado corto para demostrar una vida útil de años o décadas en mar abierto.
Y esa diferencia importa bastante.
Una pequeña boya demuestra que el concepto no se limita a cubos de laboratorio
El equipo fabricó también una boya experimental de 100 mm de altura y 85 mm de anchura utilizando la misma combinación de titanio y poliuretano.
La pieza se sometió a agua marina en movimiento y mantuvo la flotabilidad mientras las corrientes provocaban rotaciones de aproximadamente 45 grados alrededor de su eje.
No necesitó una carcasa exterior completamente sellada, revestimiento protector adicional ni elementos auxiliares de flotación.
Es todavía un demostrador pequeño. Sin embargo, permite comprobar que la geometría puede trasladarse desde muestras cúbicas utilizadas en ensayos mecánicos hasta objetos tridimensionales con una función concreta.
El posible encaje en la nueva infraestructura energética del océano
El interés ambiental de este desarrollo no procede directamente del titanio. Fabricarlo requiere energía y su coste continúa siendo elevado.
La oportunidad aparece en alargar la vida útil y reducir el mantenimiento de determinados equipos instalados en entornos difíciles.
La expansión de la eólica marina, la energía undimotriz, los sensores oceanográficos y las redes de monitorización ambiental está aumentando la cantidad de equipos que deben permanecer durante largos periodos en el océano.
En estas aplicaciones, una pieza ligera y resistente a la corrosión puede reducir intervenciones de mantenimiento, sustituciones y operaciones realizadas con embarcaciones. Eso puede traducirse en menos materiales consumidos y menos desplazamientos durante la vida del equipo, aunque el balance ambiental completo tendría que demostrarse mediante un análisis de ciclo de vida.
La impresión 3D ofrece además la posibilidad de colocar material únicamente donde cumple una función estructural. Para componentes especializados y producidos en series pequeñas, esa optimización puede ser interesante.
EcoInventos ya había abordado anteriormente otro metamaterial de titanio impreso en 3D desarrollado por RMIT, centrado entonces en conseguir una extraordinaria relación entre resistencia y peso. La nueva investigación lleva esa arquitectura hacia un terreno diferente: el mar y la flotabilidad.
El gran obstáculo está en fabricar piezas mucho mayores
Pasar de una boya de 100 mm a una estructura marina de metros no consiste simplemente en ampliar el archivo de impresión.
Las barras huecas contienen polvo metálico después de la fabricación. Ese material debe eliminarse antes de introducir la espuma. Si quedan restos, aumenta innecesariamente el peso y pueden aparecer zonas mal rellenadas.
Los experimentos encontraron además un límite práctico: los conductos internos de 0,5 mm no pudieron rellenarse correctamente, mientras diámetros de 0,7 mm o superiores permitieron una infiltración fiable.
En estructuras grandes aparece otro problema. La espuma debe recorrer redes internas mucho más largas y complejas sin dejar bolsas de aire ni zonas vacías.
El propio estudio plantea posibles soluciones, desde múltiples puntos de inyección hasta infiltración asistida y simulaciones del flujo del polímero.
Un material que podría hacer bastante más que flotar
El concepto tiene una característica especialmente interesante: el interior de los soportes no tiene por qué rellenarse siempre con poliuretano.
La celosía metálica puede actuar como esqueleto estructural, mientras otro material introducido en sus canales aporta una segunda función.
Los investigadores plantean, por ejemplo, materiales destinados a absorber impactos, amortiguar vibraciones o gestionar calor.
Incluso podrían introducirse materiales de cambio de fase para almacenar temporalmente energía térmica o polímeros conductores para crear estructuras ligeras con propiedades electromagnéticas.
La verdadera aportación del trabajo podría terminar estando ahí: estructuras donde geometría y composición se diseñan conjuntamente para obtener varias funciones utilizando muy poco material.
Potencial
La aplicación más razonable a corto y medio plazo estaría en componentes marinos donde el coste de una avería sea mucho mayor que el precio del material.
Una boya oceanográfica instalada lejos de la costa, un sensor climático, un componente de una plataforma energética o determinados equipos submarinos pueden requerir barcos y personal especializado cada vez que necesitan mantenimiento. Aumentar su vida útil tendría consecuencias económicas y ambientales reales.
También podría resultar útil para desarrollar estructuras flotantes más ligeras destinadas a energías renovables marinas, especialmente en componentes secundarios, sensores, instrumentación y sistemas auxiliares.
La impresión bajo demanda de repuestos especializados abre otra posibilidad. En determinados entornos portuarios u offshore, fabricar geometrías optimizadas cerca del lugar de utilización podría reducir inventarios y transporte, aunque esa ventaja dependería completamente de la escala y de la disponibilidad de equipos de fabricación aditiva metálica.
Para convertirse en una tecnología realmente sostenible deberá resolver tres cuestiones: durabilidad de muchos años, fabricación económicamente competitiva y recuperación de los materiales al final de su vida útil.
Si consigue superar esas barreras, su mejor aportación quizá no sea reemplazar masivamente los materiales existentes. Puede ser algo más concreto y útil: conseguir que las estructuras difíciles de mantener duren más, pesen menos y continúen funcionando después de sufrir daños.
Vía RMIT
Más información: Breaking the Surface: Buoyant Metal–Polymer Open–Cell Hybrid Lattice Metamaterials
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