Estructuras sándwich multicapa bioinspiradas manufacturadas aditivamente con diversas configuraciones de núcleo bajo compresión fuera del plano

Por qué importa la protección contra choques inspirada en la naturaleza

Desde parachoques de automóviles hasta cabinas de aeronaves, muchos vehículos modernos dependen de paneles “sándwich” ocultos que deben ser ligeros pero capaces de disipar grandes fuerzas en un choque. Este estudio explora una nueva clase de esos paneles inspirada en la cúpula rugosa y protectora que rodea la bellota. Al reproducir esa forma natural con impresión 3D y ajustar cuidadosamente el patrón interno, los investigadores muestran cómo construir estructuras plásticas que son ligeras, reciclables y mucho mejores amortiguando impactos.

Aprendiendo del roble

El punto de partida es la cúpula de la bellota, la vaina escamosa que acuna la bellota cuando cae. En la naturaleza, esa vaina distribuye las fuerzas de impacto a través de una red de paredes delgadas y cavidades. El equipo trasladó esa idea a paneles fabricados como un sándwich: dos placas externas planas y rígidas con un núcleo hueco y estriado en el medio. En lugar de espuma, el núcleo está formado por muchas pequeñas formas similares a celdas, apiladas en varias capas. Estas formas se eligieron para imitar patrones observados en la naturaleza y para comprobar cuáles manejan las fuerzas de aplastamiento con mayor eficacia.

Construir núcleos complejos mediante impresión 3D

Para convertir estos diseños en piezas reales, los investigadores utilizaron un proceso de impresión 3D en polvo llamado Multi Jet Fusion, trabajando con un plástico técnico resistente conocido como Nylon PA12. Este método puede producir patrones internos intrincados sin adhesivos ni tornillos, de modo que las placas y el núcleo salen como una sola pieza. El equipo imprimió paneles multicapa cuyos núcleos seguían cuatro disposiciones básicas: celdas romboidales, hexagonales, cuadradas y circulares. También variaron el tamaño de cada celda, el espacio entre celdas vecinas y si las capas corrugadas estaban alineadas en la misma dirección o rotadas entre capas.

Ensayos de aplastamiento y lo que revelan

Los paneles se comprimieron lentamente entre placas de acero planas mientras se registraban fuerza y desplazamiento. Estas pruebas simulan lo que ocurre cuando una pared o un suelo de un vehículo recibe presión desde el exterior durante una colisión. Al principio, cada panel responde de forma elástica, recuperando su forma cuando se retira la fuerza. A medida que la carga aumenta, las paredes internas delgadas comienzan a doblarse, pandearse y agrietarse, y el panel entra en una larga “meseta” donde continúa absorbiendo energía mientras colapsa. Al seguir la curva de fuerza y el área bajo ella, el equipo calculó tanto la energía total absorbida como la energía absorbida por gramo de material, una medida clave para diseños sensibles al peso.

Qué formas funcionan mejor

Los patrones romboidal y hexagonal destacaron. Los paneles con núcleos romboidales absorbieron alrededor de 440 julios con la mayor energía por gramo, mientras que los núcleos hexagonales quedaron cerca. Sus paredes anguladas o facetadas ofrecen múltiples rutas para la transmisión de fuerzas, favoreciendo un plegado suave y por etapas en lugar de una falla súbita. Los núcleos cuadrado y circular absorbieron considerablemente menos energía, en parte porque las esquinas marcadas o las paredes totalmente curvas concentran tensiones y provocan colapsos locales prematuros. Reducir el tamaño de cada celda, manteniendo fija la dimensión total del panel, aumentó la fuerza pico y la energía absorbida tanto en núcleos circulares como hexagonales. Incrementar moderadamente el espacio entre celdas retrasó aún más las interacciones entre paredes vecinas y prolongó la etapa de colapso gradual.

Capas que funcionan en conjunto

La forma en que se apilan las capas también desempeña un papel importante. Cuando todas las corrugaciones apuntaban en la misma dirección, muchas paredes celulares se pandearon a la vez, provocando descensos más bruscos en la carga. Rotar cada capa respecto a la siguiente dispersó las inestabilidades a través del espesor del panel. Este escalonamiento forzó la redistribución de fuerzas de una capa a otra e incrementó la fricción y el deslizamiento entre ellas. Tanto en núcleos circulares como hexagonales, el patrón alterno aumentó la absorción total de energía en aproximadamente una quinta parte y elevó la energía por gramo en más de un diez por ciento. Los núcleos hexagonales con celdas pequeñas, mayor espaciado y capas alternas ofrecieron el rendimiento más equilibrado, combinando alta resistencia pico con una amortiguación muy eficiente.

Qué implica esto para estructuras más seguras y ligeras

Para un público no especialista, el mensaje principal es que el patrón interno y la disposición de las capas dentro de un panel pueden ser tan importantes como la cantidad de material empleado. Al tomar motivos de la cúpula de una bellota y fabricarlos con impresión 3D, el equipo demuestra que celdas hábilmente diseñadas y apiladas pueden convertir una lámina plástica ligera en un absorbedor de impactos altamente eficaz. Tales paneles podrían ayudar a que futuros automóviles, trenes y aeronaves protejan mejor a las personas mientras mantienen bajo el consumo de combustible y el desperdicio de material.

Cita: Taghizadeh, S., Cheng, L., Askari, M. et al. Additively manufactured bioinspired multilayer sandwich structures with varied core configurations under out-of-plane compression. Sci Rep 16, 15833 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41021-4

Palabras clave: estructuras bioinspiradas, paneles sándwich, absorción de energía, fabricación aditiva, capacidad de choque