Espuma metálica

Contexto histórico

Las espumas metálicas son materiales de reciente desarrollo, los primeros estudios se remontan a los primeros años del siglo XX, a mediados del mismo siglo las técnicas de fabricación se fueron depurando y aparecieron nuevos métodos de obtención de espumas.

En los años 60 surgió un revolucionario método que impulsó el desarrollo de la tecnología de los materiales metálicos espumosos que consiste en la inyección directa de gas en el metal líquido, hoy en día es ampliamente utilizado. Hubo un freno de varios años en el crecimiento de la investigación por falta de inversión. 

A principios de la década de los 90 vuelve a existir un gran interés en esta área gracias a la atención de varios grupos de investigación y empresas del sector de la ingeniería de materiales obteniendo espumas de mejor calidad. Actualmente continúa siendo un campo de estudio en desarrollo y se busca, principalmente, reducir los costos de producción enfocándose en la espuma de Aluminio, aunque se pueden realizar de otros materiales como Zinc, Estaño, Plomo, Oro, Plata, Níquel, entre otros, pero sus propiedades no son óptimas. 

Definición

Aluminio: metal no ferromagnético con baja densidad (2.700 kg/m3), tiene alta resistencia a la corrosión, es buen conductor de electricidad y calor y su costo es bajo. Debido a estas propiedades se vuelve apto para la obtención de espuma.

Espuma de aluminio: material metálico relativamente isotrópico (propiedades mecánicas y térmicas son las mismas en todas las direcciones) muy poroso con una distribución aleatoria de los poros dentro de la estructura. Los poros son esencialmente esféricos y cerrados y ocupan del 50 al 90% del volumen total y pueden llegar a medir de 0,5 a 8 mm, no se recomienda que los poros superen este tamaño puesto que a mayor diámetro menor resistencia mecánica. 

Estructura

Se clasifican en dos grupos:

Poros abiertos: Tiene sus poros conectados, es utilizada por sus propiedades térmicas. Se obtiene mediante la utilización de materiales de relleno que luego son eliminados.

Poros cerrados: Tiene sus poros separados, comúnmente se usa en aplicaciones estructurales, tienen gran rigidez y aislamiento acústico. Pueden obtenerse por la inyección directa de gases al metal fundido.

Propiedades

• Su densidad se encuentra en el rango de 0,4 a 0,8 gr/cm3
• Bajo peso
  
• Su resistencia a compresión es igual a la de tracción
• Tiene un módulo de elasticidad constante independientemente del esfuerzo a la que se la someta siempre que no sobrepase su límite elástico
• Material elastomérico, recobra su forma después de la compresión
• Tienen propiedades de aislamiento acústico
• Protección electromagnética
• Absorben energía de impacto y vibración
• No son inflamables y permanecen estables a altas temperaturas
• Es reciclable y no contaminante

Fabricación

Aunque en la actualidad existen diversos métodos para la producción de espuma metálica, el más empleado es el método de inyección directa de gas desarrollado por Alcan International y CYMAT Corporation debido a que el costo es menor, este método consiste en agregar partículas de carburo de silicio, alúmina o magnesia a una base de aluminio fundido, lo que permite aumentar su viscosidad.

Luego se inyecta el gas (aire, nitrógeno, argón), que genera burbujas muy finas, esta mezcla de gas y metal flota en el metal fundido (líquido), el cual debe ser drenado para que la espuma se solidifique, lo cual se conoce como proceso de solidificación.

La espuma metálica se forma debido a que las burbujas de gas se dispersan en el líquido, generando que entre el 75 y el 95% del volumen del material sea un espacio relleno de gas o vacío, mantiene su estructura sólida pero que es sumamente liviano y se obtienen planchas de la longitud deseada variando en su espesor (10 cm).

Ventajas	Desventajas
Fabricación continua	Dificultad para controlar la dispersión de gas
Se obtienen grandes cantidades	Poros muy grandes
Económico y relativamente sencillo	Superficie irregular
Se puede modificar el tamaño de los poros y si densidad al variar ciertos parámetros	Pocas aleaciones

Aplicación

Paneles sándwich: Son construcciones laminares con dos revestimientos unidos a un cuerpo central (núcleo) ligero, dando como resultado un panel rígido de poco peso. Soporta y transmite las cargas superficiales recibidas (compresión). Los revestimientos pueden ser de materiales metálicos, materiales compuestos, madera, etc. 

Se utilizan en estructuras resistentes al impacto, utilizadas en vehículos para mejorar la seguridad, así como en estructuras ultraligeras, atenuación de ruidos en carreteras, puentes, edificios y máquinas, sistemas de protección contra incendios, etc.

Industria automotriz: Brinda seguridad, reducción del consumo de combustible, elementos absorbedores de impactos, reducción de emisiones acústicas, componentes de alta emisión del calor, y está presente en la estructura de los automóviles.

Industria aeroespacial:  Absorbe el impacto de los elementos de aterrizaje de los vehículos espaciales, refuerza las estructuras de carga en satélites, aumenta la resistencia al alabeo y pandeo, mejora el comportamiento en caso de incendios, mejora el rendimiento a un bajo costo.

Construcción: Se pueden realizar varias aplicaciones dentro de esta área como decorar fachadas con paneles ligeros, sustituir elementos metálicos como barandillas o puertas ya que tiene baja conductividad térmica y no genera gases nocivos en caso de incendio.

Fotos de obras

 Revestimientos para fachadas y envolventes de espuma de aluminio

Centro cultural CaixaForum. Sevilla, España. Vázquez Consuegra. 2017

Templo Evangélico. Terrassa, España. OAB. 2010

Conclusiones

• Los avances técnicos han hecho posible la existencia y comercialización de una gran variedad de espumas metálicas de composiciones y propiedades específicas que se adecuan en función de las especificaciones de diseño y fabricación.
• La investigación de nuevos materiales y procesos de fabricación, junto con el desarrollo de nuevos productos y sus aplicaciones, predicen un amplio crecimiento en su utilización tecnológica a corto, medio y largo plazo, ya que pueden dar respuesta a diversas exigencias del mercado actual, contribuyendo a mejorar la eficiencia de los equipos y estructuras donde se utilicen.

Bibliografía

Amador, M., & Colín, J. (2017). Estudio del efecto de la adición de Barita y Wollastonita en la fabricación de Espumas de Aluminio. Instituto Politécnico Nacional.

Gutiérrez, E. (2018). Espumas Metálicas de Níquel-Hierro-Cromo-Aluminio y Níquel-Cromo-Aluminio. Caracterización y Comportamiento en ambientes de trabajo. Universidad de Valladolid.

Gutiérrez, J., & Oñoro, J. (Eds.). (2008). Espumas de aluminio. Fabricación, propiedades y aplicaciones. ETSI Industriales.