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Simulation-Guided Design of Shear-Thickening-Fluid-Filled 3D-Printed Sandwich Composite Panels for Ballistic Protection

Este estudio demuestra una estrategia guiada por simulación para el diseño de paneles compuestos tipo sándwich impresos en 3D, rellenos de un fluido de dilatancia por cizallamiento y con refuerzo de Kevlar, los cuales reducen significativamente la deformación de la cara posterior y mejoran la absorción de energía balística en comparación con las estructuras tradicionales de solo Kevlar.

Autores originales: Meng-Jey Youh, Hung-Yang Huang, Ming-Der Ger, Yi-Ping Chou

Publicado 2026-09-07

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CC BY 4.0

Autores originales: Meng-Jey Youh, Hung-Yang Huang, Ming-Der Ger, Yi-Ping Chou

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

Proteger el cuerpo humano de impactos a alta velocidad es un acto de equilibrio que ha desafiado a los ingenieros durante décadas. El objetivo es detener un proyectil sin transferir suficiente fuerza para lesionar a la persona que lleva puesta la armadura. La armadura corporal blanda tradicional depende de capas de tejidos increíblemente fuertes, a menudo hechos de fibras de aramida como el Kevlar, que atrapan y se estiran para absorber la energía. Sin embargo, hacer que esta armadura sea más gruesa para detener balas más rápidas o grandes a menudo la vuelve rígida y pesada, restringiendo el movimiento del usuario. Para resolver esto, los científicos han recurrido a una clase de materiales llamados fluidos de engrosamiento por cizallamiento. Estos son líquidos que se comportan normalmente cuando se mueven lentamente, pero que instantáneamente se vuelven rígidos y espesos cuando son golpeados con una fuerza repentina, actuando como un sólido solo cuando es necesario. El desafío radica en cómo mantener estos fluidos en su lugar y combinarlos con tejidos flexibles de una manera que maximice la protección sin añadir volumen.

Un equipo de investigadores de la Universidad de Tecnología de Ming Chi y la Universidad de Defensa Nacional de Taiwán ha adoptado un nuevo enfoque para este problema al tratar la estructura interna de la armadura como una variable de diseño en lugar de simplemente un contenedor. En lugar de simplemente empapar el tejido en el fluido o meterlo en un patrón de panal estándar, utilizaron simulaciones por computadora para determinar exactamente qué tan lejos se propaga la energía de un impacto a través del material. Luego, utilizaron esa información para imprimir en 3D núcleos celulares personalizados con un espaciado específico, los llenaron con el fluido de engrosamiento y los colocaron entre capas de Kevlar. Su trabajo sugiere que la forma y el tamaño de los espacios vacíos que contienen el fluido son tan importantes como el fluido mismo para detener una bala y proteger la espalda del usuario.

Los investigadores comenzaron ejecutando simulaciones detalladas por computadora para comprender cómo se mueve la energía cuando un proyectil golpea una capa de Kevlar respaldada por un fluido de engrosamiento por cizallamiento. Buscaban una distancia específica: ¿qué tan lejos del centro del impacto realiza su trabajo el fluido realmente? Las simulaciones revelaron que aproximadamente el ochenta por ciento de la energía absorbida por el fluido se concentraba dentro de un círculo de unos diez milímetros de ancho alrededor del punto de impacto. Este descubrimiento proporcionó una regla física para su diseño. Si los espacios que contenían el fluido eran demasiado grandes, el fluido podría no estar lo suficientemente restringido para funcionar eficazmente; si eran demasiado pequeños, la estructura sería innecesariamente rígida. Usando esta medida de diez milímetros como guía, el equipo decidió construir dos tipos de núcleos celulares con diferentes espaciados: uno con un espacio de diez milímetros y otro con un espacio de veinte milímetros.

Para dar vida a estos diseños, el equipo empleó un proceso de fabricación que llamaron impresión-llenado-sellado (print–fill–seal). Primero, imprimieron en 3D núcleos celulares flexibles de un material llamado etileno-vinilo acetato, que es similar a la espuma que se encuentra en muchos zapatos deportivos. Crearon dos formas distintas para estos núcleos. El primero fue un patrón de panal tradicional, conocido por su rigidez y su capacidad para transferir cargas a través de un área amplia. El segundo fue un patrón inspirado en escamas de pez, compuesto por unidades segmentadas y superpuestas que podían doblarse y rotar más libremente, imitando la flexibilidad encontrada en la armadura natural como las escamas de un pez o el caparazón de un armadillo. Una vez impresos, los núcleos celulares de la parte superior abierta fueron llenados con una mezcla de diminutas partículas de sílice y un polímero líquido. Finalmente, se imprimió una capa delgada del mismo material flexible sobre la parte superior para sellar el fluido en su interior, creando un panel autocontenido y lleno de fluido listo para ser probado.

El equipo probó luego cómo se comportaban estos paneles bajo dos condiciones diferentes: flexión lenta e impacto de alta velocidad. Cuando doblaron los paneles lentamente, las estructuras de panal resultaron ser mucho más rígidas, resistiendo la flexión con significativamente más fuerza que los diseños de escamas de pez. Los paneles de escamas de pez, con sus paredes más delgadas y unidades segmentadas, se doblaban mucho más fácilmente, mostrando un alto grado de cumplimiento estructural. Cuando se añadió el fluido de engrosamiento por cizallamiento, todos los paneles se volvieron ligeramente más rígidos, pero la diferencia en flexibilidad entre los dos diseños se mantuvo clara. Esto confirmó que la geometría del núcleo podía ajustarse para ser rígida o flexible, independientemente del fluido en su interior.

La verdadera prueba llegó cuando los investigadores dispararon proyectiles de pistola de 9 mm a los paneles a velocidades que oscilaban entre aproximadamente 334 y 430 metros por segundo. Midieron la firma de la cara posterior, que es la profundidad de la abolladura dejada en un bloque de arcilla blanda colocado detrás de la armadura. Una abolladura más profunda significa que se transfirió más fuerza al usuario, lo que puede causar lesiones graves incluso si la bala no penetra. La armadura estándar de solo Kevlar, sin fluido ni núcleo celular, dejó una abolladura de 34.01 milímetros de profundidad. Cuando los investigadores añadieron los núcleos celulares llenos de fluido, las abolladuras se volvieron mucho más superficiales. La configuración más exitosa fue el panel inspirado en escamas de pez con un espaciado de veinte milímetros llenado con el fluido de engrosamiento por cizallamiento. Este diseño específico redujo la profundidad de la abolladura a solo 7.53 milímetros, una mejora dramática respecto a la armadura estándar. Curiosamente, los diseños de panal, a pesar de ser mucho más rígidos al doblarse, no funcionaron tan bien para detener la deformación de la cara posterior como el diseño más flexible de escamas de pez.

Los resultados sugieren que la mejor protección no proviene de hacer la armadura lo más dura posible. En cambio, los paneles más efectivos permitieron que la estructura se deformara de una manera controlada. La geometría flexible de escamas de pez permitió que la energía del impacto se distribuyera sobre un área más amplia, mientras que el fluido dentro de las celdas se espesaba instantáneamente para resistir el movimiento. Esta combinación de distribución de carga por parte del Kevlar, deformación por parte del núcleo flexible y la resistencia localizada del fluido creó un sistema que absorbió la energía de manera eficiente sin transferir un golpe pesado al usuario. El estudio indica que, mediante el uso de simulaciones por computadora para encontrar el tamaño adecuado para las celdas internas, los ingenieros pueden diseñar armaduras que sean tanto ligeras como altamente efectivas, demostrando que la forma del espacio vacío dentro de la armadura es un factor crítico para mantener a las personas seguras.

Resumen Técnico: Diseño de Paneles Compuestos Sándwich Impresos en 3D con Relleno de Fluido de Engrosamiento por Cizallamiento Guiado por Simulación para Protección Balística

Planteamiento del Problema
La armadura balística personal actual, que típicamente utiliza tejidos de aramida de alto rendimiento como el Kevlar, se enfrenta a un compromiso persistente: lograr niveles de protección superiores requiere aumentar el número de capas de tejido, lo que a su vez incrementa el espesor, la densidad de área y la rigidez a la flexión. Esto compromete la comodidad, la flexibilidad y la capacidad de conformación del usuario. Aunque los Fluidos de Engrosamiento por Cizallamiento (STF, por sus siglas en inglés) han mostrado potencial para mejorar la resistencia al impacto mediante el aumento de la fricción entre hilos y la disipación de energía, los enfoques existentes suelen depender de la impregnación directa del tejido o de geometrías estructurales predefinidas. Existe una brecha de diseño significativa en la vinculación sistemática de la distribución espacial de la energía inducida por el impacto dentro del STF con las dimensiones físicas de la arquitectura de confinamiento. Asimismo, existe la necesidad de una estrategia fabricable que integre sistemas de Kevlar flexibles con el encapsulamiento controlado de STF para optimizar el equilibrio entre la conformidad estructural y la protección balística.

Metodología
Este estudio empleó un marco de fabricación guiado por simulación, de tipo "imprimir–rellenar–sellar", para desarrollar paneles compuestos sándwich rellenos de STF. La metodología se desarrolló a través de cuatro fases distintas:

Simulación de Elementos Finitos y Extracción de Parámetros de Diseño:
- Se modelaron configuraciones de laminados de Kevlar/STF simplificados en COMSOL Multiphysics 6.3 bajo condiciones de impacto hemisférico (436 m/s).
- El STF se representó como un sólido viscoelástico lineal equivalente (formulación de Kelvin–Voigt) para aproximar la resistencia dependiente de la tasa sin resolver el complejo flujo no newtoniano.
- Se definió un radio de localización característico ( $R_{80}$ ) como la distancia radial que encierra el 80% de la energía de deformación acumulada dentro del dominio del STF. Esta métrica sirvió como base física para la selección de los pasos (pitches) de los núcleos celulares.
Fabricación (Imprimir–Rellenar–Sellar):
- Se imprimieron mediante impresión 3D dos arquitecturas celulares de inspiración biológica utilizando filamento de etileno-vinil acetato (EVA): una estructura de panal de abeja convencional y una geometría segmentada inspirada en escamas de pez.
- Los pasos de 10 mm y 20 mm se seleccionaron basándose en los resultados de simulación de $R_{80}$ .
- Se utilizó un flujo de trabajo secuencial: impresión de núcleos celulares abiertos, llenado de los compartimentos con un STF de nanosilica/polietilenglicol (PEG) al 40 % en peso, y sellado con una capa superior delgada de EVA para encapsular el fluido.
Pruebas Mecánicas y Balísticas:
- Prueba de Flexión: Ensayos de flexión en tres puntos (desplazamiento de 3 mm) evaluaron la conformidad estructural y la resistencia a la flexión de los núcleos sin y con relleno de STF.
- Pruebas Balísticas: Los paneles se ensamblaron con 29 capas de Kevlar en el lado del impacto y 5 capas en la parte posterior, sándwich de la estructura celular. Las pruebas utilizaron proyectiles de 9 × 19 mm de chaqueta metálica completa (FMJ) a velocidades que oscilaron entre 334 y 430 m/s, referenciadas al Estándar NIJ 0101.06.
- Métricas: La profundidad de la firma de retroceso (BFS, por sus siglas en inglés) en arcilla de respaldo y la energía absorbida estimada fueron los principales indicadores de rendimiento.
Análisis Post-Impacto:
- Se realizó una inspección visual del daño en el Kevlar, la deformación celular y la retención del STF para interpretar los modos de falla.

Resultos Clave

Perspectivas de la Simulación: El análisis de elementos finitos identificó un radio de localización de energía característico ( $R_{80}$ ) de aproximadamente 10 mm. Esto confirmó que el 80 % de la energía de deformación del STF se concentraba dentro de un radio de 10 mm del centro del impacto, validando la selección de los pasos de 10 mm y 20 mm para los núcleos experimentales.
Comportamiento de Flexión: Los núcleos de panal de abeja exhibieron una resistencia a la flexión significativamente mayor que los núcleos inspirados en escamas de pez debido a sus redes de paredes continuas. El llenado con STF aumentó la capacidad de carga de flexión para todas las configuraciones (por ejemplo, el H10 aumentó un ~3 %, el F10 un ~290 %), aunque esto se atribuyó al desplazamiento del fluido confinado bajo condiciones cuasiestáticas más que a la activación del engrosamiento por cizallamiento.
Desempeño Balístico:
- La referencia de solo Kevlar (29 capas) exhibió un BFS de 34.01 mm.
- Todos los ensamblajes sándwich rellenos de STF demostraron valores de BFS significativamente reducidos (7.53–11.43 mm) a pesar de haber sido probados a velocidades incidentes mayores que la referencia.
- El llenado con STF redujo el BFS en aproximadamente un 31–48 % en comparación con sus contrapartes sin llenar.
- La configuración F20-STF (inspirada en escamas de pez de 20 mm, rellena de STF) logró el BFS más bajo de 7.53 mm, lo que representa una reducción de ~48 % respecto a su versión sin llenar.
- La configuración H10-STF alcanzó la mayor energía absorbida estimada (730.68 J), lo que indica que la máxima absorción de energía y la mínima deformación de retroceso no fueron alcanzadas por la misma configuración.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma demostrar una estrategia de diseño y fabricable guiada por simulación para el desarrollo de compuestos protectores mejorados con STF. Sus principales contribuciones son:

Marco de Diseño: Establecer un método para extraer una escala de longitud característica de localización de energía ( $R_{80}$ ) de las simulaciones de impacto y traducirla directamente en las dimensiones unitarias de una capa de confinamiento arquitectónica.
Mecanismos Acoplados: Demostrar que la mitigación balística está gobernada por los efectos acoplados de la distribución de carga del Kevlar, la deformación celular dependiente de la configuración y el confinamiento del STF controlado por la geometría, en lugar de solo por la rigidez del núcleo.
Conformidad vs. Protección: Mostrar que las arquitecturas altamente complacientes y segmentadas (escamas de pez) pueden superar a las estructuras rígidas (panal de abeja) en la mitigación de la deformación de retroceso, desafiando la suposición de que una mayor rigidez estructural es siempre superior para la protección balística.
Fabricabilidad: Validar un proceso de "imprimir–rellenar–sellar" que permite el confinamiento espacial controlado del STF dentro de núcleos flexibles impresos en 3D, reduizando la variabilidad del post-procesamiento.

Los autores señalan modestamente que el modelo numérico utilizó una representación de material equivalente para el STF y no resolvió explícitamente el flujo de fluido no newtoniano ni las interacciones a escala de partículas. Por consiguiente, los mecanismos propuestos se presentan como interpretaciones físicamente sustentadas derivadas de la convergencia de los datos numéricos, de flexión y balísticos, más que como observaciones directas del comportamiento de engrosamiento por cizallamiento. Se sugiere como trabajo futuro la inclusión de modelos constitutivos calibrados experimentalmente y simulaciones de interacción fluido-estructura.

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