Investigadores del University College London (UCL) y la Universidad de Greenwich han dado un paso significativo en la mejora de la impresión 3D metal al desarrollar una técnica innovadora para reducir drásticamente los defectos en la impresión 3D de metal en los componentes fabricados. Este método pionero tiene el potencial de revolucionar la producción de piezas críticas de seguridad en industrias de alta exigencia como los deportes de motor, incluyendo la Fórmula 1, y el sector aeroespacial.
Rayos X al Descubierto: Minimizando la Porosidad en la Impresión 3D de Metal
La investigación, respaldada por el EPSRC del Reino Unido y la Royal Academy of Engineering, se basa en el uso avanzado de rayos X en modelos de impresión 3D de metal para observar en detalle la formación de porosidad en la impresión 3D y otros defectos que pueden surgir durante la creación de piezas de aleación de metal impresa en 3D. Los hallazgos de este estudio sugieren que, al adoptarse industrialmente, esta técnica no solo podría minimizar la porosidad en las impresiónes 3D de metal, sino también mejorar significativamente la resistencia y la durabilidad en la impresión 3D de componentes cruciales, como las articulaciones artificiales de cadera y los componentes de aeronaves.
Componentes de aleación de metal impreso en 3D. Foto a través de: UCL.
Desvelando los Secretos de la Impresión 3D de Metal: El Rol Crucial de la Dinámica de Fusión
La impresión 3D de aleaciones de metal basada en láser se ha consolidado como una técnica fundamental para la creación de componentes en una amplia gama de industrias de alta tecnología. Sin embargo, la complejidad del proceso implica que, si no se controla meticulosamente, pueden surgir inestabilidades que dan lugar a la formación de depresiones de vapor con forma de ojo de cerradura («keyhole»). Estas depresiones atrapan burbujas que, inevitablemente, se traducen en poros y otros defectos en la pieza metálica final, comprometiendo su integridad estructural y su rendimiento.
Como explica el profesor Peter Lee de la UCL, la presencia de estos poros ha sido un desafío conocido en la fabricación aditiva metal durante décadas. A pesar de este conocimiento, las estrategias efectivas para prevenir su formación de manera consistente han eludido a los investigadores. Una técnica que ocasionalmente ha mostrado resultados prometedores es la aplicación de un campo magnético durante el proceso de impresión 3D de metal. No obstante, la reproducibilidad de estos resultados ha sido inconsistente, y el mecanismo subyacente por el cual los imanes podrían influir en la reducción de la porosidad impresión 3D sigue siendo objeto de debate científico.
Investigación de Vanguardia: Láser, Metal y la Influencia Magnética Bajo la Lupa de los Rayos X
Para abordar directamente este enigma, el equipo de investigación se embarcó en un estudio innovador que involucró la realización de imágenes de rayos X de sincrotrón de alta velocidad en la Advanced Photon Source (APS) en Chicago. Este avanzado método permitió examinar en tiempo real la intrincada interacción entre el haz láser y el material de aleación de metal fundiéndose durante el proceso de impresión 3D láser en metal.
Sus observaciones revelaron que el vapor metálico generado por el intenso calor del láser al fundir el metal es el principal culpable de la formación de pequeños poros con la característica forma de ojo de cerradura. Estos microdefectos son la génesis de las imperfecciones que comprometen la calidad de las partes impresas.
Con esta comprensión fundamental, el equipo exploró a fondo el impacto de aplicar un campo magnético controlado a las aleaciones de metal durante la fabricación aditiva metal. Su hipótesis inicial postulaba que la presencia de un imán podría estabilizar el baño de metal fundido, minimizando así la turbulencia y, en consecuencia, la formación de las indeseables imperfecciones. Los resultados obtenidos a través de sus experimentos respaldaron firmemente esta hipótesis, demostrando una asombrosa reducción de hasta el 80% en la formación de poros cuando se aplicó el campo magnético de manera precisa.
«Cuando aplicamos un campo magnético a este complejo proceso de fusión, las fuerzas termoeléctricas inducen un flujo de fluido dentro del metal fundido», explicó el Dr. Xianqiang Fan, autor principal del estudio y miembro del Departamento de Ingeniería Mecánica de la UCL. «Este flujo de fluido juega un papel crucial al ayudar a estabilizar la cavidad del ‘keyhole’, favoreciendo una forma más uniforme similar a una ‘i’, sin la ‘cola’ inestable que tiende a romperse y generar las burbujas precursoras de los poros».
Los investigadores utilizaron un microbioam de rayos X, durante la impresión, para medir localmente la alineación y la dirección del cristal líquido dentro de la boquilla de la impresora. Imagen a través de Harvard Seas.
Implicaciones y Aplicaciones Futuras
Esta investigación pionera abre un abanico de posibilidades para mejorar la calidad de la impresión 3D de metal en una amplia gama de aplicaciones de alto rendimiento. La capacidad de controlar el flujo de fusión del metal fundido mediante la aplicación de campos magnéticos, sin necesidad de alterar las aleaciones de metal base ni la configuración del haz láser, podría revolucionar la fabricación aditiva metal. Este avance promete acelerar la producción de componentes con una mejor resistencia y durabilidad de la impresión 3D de metal, a la vez que se optimizan los costos de fabricación.
«Ya sea en la producción de implantes como caderas artificiales o en la fabricación de componentes cruciales para paquetes de baterías de vehículos eléctricos, las mejoras inherentes a esta técnica de impresión 3D metal harán que la producción de piezas impresas en 3D sea más rápida, económica y, fundamentalmente, de mayor calidad», afirmó el profesor Andrew Kao de la Universidad de Greenwich, autor senior del estudio.
Sin embargo, los investigadores son conscientes de que la implementación de imanes y campos magnéticos en las líneas de producción industrial presenta desafíos técnicos significativos. Superar estos obstáculos podría requerir varios años de desarrollo e ingeniería. A pesar de ello, el potencial para producir componentes de mayor durabilidad y calidad en industrias de alta exigencia como la fabricación aeroespacial y la biomédica es inmenso.
En el sector aeroespacial, donde la ligereza y la resistencia son críticas, la eliminación de la porosidad en la impresión 3D podría traducirse en componentes más seguros y eficientes. Del mismo modo, en aplicaciones biomédicas, como la fabricación de implantes personalizados, una mayor densidad y homogeneidad del material impreso podría mejorar significativamente la biocompatibilidad y la longevidad de los dispositivos.
Esfuerzos Continuos para Mejorar la Durabilidad en los Materiales
Paralelamente a esta prometedora investigación, los avances en la ciencia de los materiales continúan desempeñando un papel fundamental en la mejora del rendimiento y la vida útil de los sistemas en la fabricación aeroespacial y otras industrias. Por ejemplo, el reciente desarrollo por parte de la NASA de la aleación GRX-810, una aleación ODS (de dispersión de óxido fortalecida), representa un avance significativo en materiales para aplicaciones aeroespaciales de alto rendimiento. Este metal combina una resistencia y durabilidad excepcionales, capaz de soportar temperaturas superiores a 1090 °C, al tiempo que ofrece una mayor maleabilidad en comparación con las aleaciones aeroespaciales convencionales.
En 2024, investigadores del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) introdujeron un nuevo método de tratamiento térmico diseñado específicamente para mejorar la resistencia de los metales impresos en 3D. Esta innovadora técnica modifica las microestructuras de los componentes fabricados mediante fabricación aditiva en metal, lo que resulta en una mayor durabilidad y una resistencia superior al choque térmico, impulsando aún más las capacidades de la impresión 3D en aplicaciones de alto rendimiento. Estos avances en materiales y técnicas de procesamiento, combinados con la prometedora aplicación de campos magnéticos para controlar la porosidad, auguran un futuro brillante para la impresión 3D de metal en industrias donde la calidad y la fiabilidad son innegociables.
Conclusión: Un Futuro Magnético Impulsa la Excelencia en la Impresión 3D de Metal
La investigación que desvela el poder de los imanes para combatir los defectos y la porosidad en la impresión 3D de metal marca un hito significativo en la fabricación aditiva industrial. Al ofrecer una vía prometedora para mejorar sustancialmente la resistencia y la durabilidad de componentes críticos en industrias de alta exigencia como la aeroespacial y la Fórmula 1, este descubrimiento allana el camino hacia una producción más eficiente y fiable. La aplicación de técnicas avanzadas como la rayos X impresión 3D metal no solo permite una comprensión profunda de los intrincados procesos subyacentes, sino que también abre nuevas fronteras para la optimización de la calidad impresión 3D de metal.
Este avance se suma a la constante evolución en la ciencia de los materiales, donde el desarrollo de nuevas aleaciones de metal de alto rendimiento y métodos innovadores de tratamiento térmico buscan expandir las capacidades de la impresión 3D. Para aquellos que se inician en este fascinante campo, nuestra GUÍA COMPLETA PARA PRINCIPIANTES EN IMPRESIÓN 3D ofrece una base sólida para comprender las diversas tecnologías y materiales disponibles.
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El futuro de la fabricación aditiva de alto rendimiento se vislumbra prometedor, impulsado por la convergencia de descubrimientos científicos como este y la creciente accesibilidad de tecnologías de impresión 3D avanzadas. La capacidad de controlar la microestructura y eliminar defectos como la porosidad es un paso crucial hacia la plena realización del potencial de la impresión 3D en las industrias más exigentes.
La imagen destacada muestra componentes de aleación de metal impreso en 3D. Foto a través de: UCL.
