Multi-material origami-inspired deployable structures using carbon fiber reinforced filament composites and antibacterial TPU

Resumen Técnico: Estructuras Desplegables Inspiradas en Origami Multimaterial utilizando Compuestos de Filamento Reforzados con Fibra de Carbono y TPU Antibacteriano

Planteamiento del Problema
Las estructuras desplegables son críticas para aplicaciones que requieren altas relaciones de estiba y grandes capacidades de expansión, particularmente en el sector aeroespacial (por ejemplo, antenas de satélites, arreglos solares) y en sistemas de satélites pequeños como los CubeSats. Si bien los diseños inspirados en el origami ofrecen una deformación controlada y una rigidez sintonizable, persiste una brecha significativa en la comprensión del rendimiento integrado de los sistemas fabricados mediante manufactura aditiva multimaterial. La literatura existente se centra a menudo en polímeros rígidos o blandos por separado, con una exploración limitada de sus interacciones híbridas bajo cargas de tracción, flexión y cíclicas. Además, la incorporación de propiedades funcionales, como el rendimiento antibacteriano, en sistemas desplegables permanece en gran medida inexplorada. Este estudio aborda la necesidad de combinar propiedades flexibles, rígidas y funcionales dentro de una única arquitectura desplegable para lograr un equilibrio entre la fiabilidad mecánica y el rendimiento funcional.

Metodología
El estudio empleó un enfoque sistemático que involucró diseño, fabricación y caracterización exhaustiva:

• Diseño y Fabricación: Se modelaron y fabricaron tres configuraciones geométricas —Yoshimura, Accordion y Kresling— utilizando Fabricación de Filamento Fundido (FFF). El estudio utilizó un enfoque multimaterial combinando Poliuretano Termoplástico Antibacteriano (TPU AB) con filamentos reforzados con fibra de carbono: Ácido Poliláctico reforzado con Fibra de Carbono (PLA-CF) y Polietileno Tereftalato de Glicol reforzado con Fibra de Carbono (PETG-CF).
• Ensayos Mecánicos: Las muestras se sometieron a pruebas estandarizadas de tracción (ASTM D638) y flexión (ASTM D790). Se utilizó la Correlación de Imágenes Digitales (DIC) para analizar la distribución y localización de la deformación. Se realizaron pruebas cíclicas (100 ciclos) para evaluar la resistencia a la fatiga y la estabilidad.
• Simulación: Se realizó un Análisis de Elementos Finitos (FEA) con distribución de esfuerzo de von Mises para validar las respuestas de carga-desplazamiento experimentales.
• Caracterización: La estabilidad térmica se evaluó mediante Calorimetría de Barrido Diferencial (DSC), y la estabilidad química se analizó mediante Espectroscopía de Infrarrojo por Transformada de Fourier (FTIR). Las superficies de fractura se examinaron mediante Microscopía Electrónica de Barrido (SEM) y Energía Dispersiva de Rayos X (EDX). La eficacia antibacteriana se determinó mediante pruebas de zona de inhibición.

Resultos Clave

• Propiedades de los Materiales: El TPU AB exhibió un comportamiento altamente dúctil con más del 120% de deformación y una resistencia a la tracción de 14.39 MPa, sin mostrar fallos incluso en los límites de la máquina de ensayos. En contraste, el PLA-CF y el PETG-CF demostraron un comportamiento de frágil a semi-frágil con deformaciones inferiores al 3%. El PETG-CF alcanzó la mayor resistencia a la tracción (29.04 MPa), seguido del PLA-CF (27.70 MPa). El PLA-CF poseía el módulo elástico más alto (3.74 GPa).
• Desempeño Flexural: El PLA-CF demostró la mayor resistencia a la flexión (143.05 MPa) pero falló abruptamente. El PETG-CF mostró una resistencia ligeramente inferior (123.46 MPa) con un modo de fallo más gradual. El TPU AB exhibió una flexibilidad superior sin iniciación de grietas hasta los límites máximos de la prueba.
• Desempeño Cíclico y Geométrico: Entre las tres geometrías, la configuración Yoshimura proporcionó la mayor capacidad de carga (210–230 N) con un comportamiento estable durante 100 ciclos. Las configuraciones híbridas revelaron que el TPU AB combinado con PETG-CF ofrecía una mejor estabilidad cíclica y una menor degradación de la rigidez en comparación con el TPU AB combinado con PLA-CF.
• Simulación y Análisis: Los resultados de la simulación mostraron una buena concordancia con los datos experimentales, aunque el modelo Yoshimura sobreestimó ligeramente la capacidad de carga. Los análisis de DSC y FTIR confirmaron la estabilidad térmica y química de los materiales, sin que se observara una degradación significativa tras el procesamiento o las pruebas.
• Modos de Fallo y Funcionalidad: El análisis SEM reveló una fractura dúctil en el TPU AB, una fractura frágil con extracción de fibras (fiber pull-out) en el PLA-CF, y un comportamiento mixto en el PETG-CF. Crucialmente, el TPU AB demostró una clara actividad antibacteriana con zonas de inhibición visibles, mientras que los materiales basados en PLA mostraron propiedades antibacterianas insignificantes.

Significancia y Contribuciones
El artículo afirma que su principal significancia radica en la novedosa integración de filamentos reforzados con fibra de carbono con un elastómero antibacteriano (TPU) dentro de una única estructura desplegable inspirada en el origami. A diferencia de estudios previos que a menudo dependen de procesos de manufactura multietapa complejos o se centran únicamente en el comportamiento a nivel de la articulación, este trabajo introduce un método de fabricación FFF multimaterial simplificado de un solo paso. Proporciona una evaluación exhaustiva y multiperspectiva que incluye análisis mecánicos, cíclicos, térmicos, químicos y funcionales (antibacterianos) a través de geometrías estructurales completas. El estudio demuestra que este enfoque puede producir estructuras con un equilibrio de flexibilidad, rigidez y funcionalidad higiénica, ofreciendo aplicaciones potenciales en sistemas desplegables aeroespaciales, mecanismos de ingeniería adaptativa y dispositivos biomédicos donde se requieren tanto la integridad estructural como el rendimiento antibacteriano.