Cuatro Materiales Personalizados Optimizados para el Éxito en Fabricación Aditiva

Con el crecimiento continuo de la fabricación aditiva, empresas e investigadores han ideado diversas sub-tecnologías, complementos y medios para optimizar impresiones. Sin embargo, otro medio para lograr un objeto optimizado es optimizar el material utilizado. Esto ha dado lugar a diversos materiales hechos para impresión 3D, todos los cuales exhiben propiedades ideales logradas mediante control preciso.

Algunos de estos materiales han sido diseñados muy específicamente para o con impresión 3D y así presentan a la tecnología nuevas características y funcionalidades novedosas. Aquí están algunos de los materiales más prometedores:

Scalmalloy

Crédito foto: Beamler

Promovido como el primer material original desarrollado específicamente para impresión 3D, esta mezcla de escandio (Sc), aluminio (Al) y magnesio (Mg) amalgamados en una sola aleación. El material fue originalmente desarrollado y patentado por APWorks, una subsidiaria del grupo Airbus. Como material de impresión metálica, presenta características únicas como resistencia mejorada (mayormente debido a la presencia de Escandio).

En términos de resistencia, puede superar al aluminio tradicional y a muchas de sus aleaciones derivadas. Es incluso más fuerte que el titanio junto con ser ligero y resistente a la corrosión. Por supuesto, el material puede ser costoso de crear porque contiene Escandio, un metal raro que también es caro de extraer de sus minerales. Los precios del Escandio pueden fluctuar entre 4.000 y 20.000 USD por kilogramo, con las principales ubicaciones mineras en China y Rusia.

Scalmalloy es más útil para piezas de alta resistencia y larga duración. Por eso se está volviendo popular en la industria automotriz y robótica, a menudo como parte de intercambiadores de calor. Como se podría sospechar, Scalmalloy también juega un papel fundamental en su industria de origen: la aeroespacial.

Materiales NewGen SLM

Crédito foto: TU Graz

Este metal vino cortesía de la TU Graz de Austria, aplicando una mezcla de nitruro de silicio al desarrollo de acero inoxidable dedicado para AM por fusión láser selectiva (SLM). Referidos como materiales NewGen SLM, presentan reacciones más controladas durante el proceso de formación, resultando en mejor acabado superficial y minimizando la necesidad de soportes. El acero inoxidable 316L es uno de los materiales más comunes con usos en múltiples industrias y la versión NewGen presenta características mejoradas específicamente para impresión con Fusión Láser Selectiva.

Los investigadores probaron varias versiones del acero inoxidable modificado con múltiples mezclas. Al probar otros materiales para propiedades mecánicas y porosidad, llegaron a la conclusión de que las distorsiones en el sinterizado eran reducibles mediante control estricto del nitruro de silicio y boruros dentro de él. Publicaron estos hallazgos en el artículo académico «Mejora de la Estabilidad Dimensional y Propiedades Mecánicas de Sinterizados AISI 316L + B por Adición de Si3N4».

Como los boruros aumentan la densidad del sinterizado, no se fusionan bien en materiales basados en hierro. Como resultado, capas no deseadas pueden formarse alrededor de la partícula. El nitruro de silicio mitiga este factor y conduce a mejor acabado superficial. Los investigadores han modificado el polvo metálico no solo para mejores propiedades mecánicas y de uso final, sino también para que los materiales NewGen SLM requieran menos estructuras de soporte. Al hacerlo, el acero inoxidable modificado puede ser incluso más ligero que las impresiones metálicas convencionales.

Actualmente, los investigadores aún están comercializando este material en particular. También están mejorando esta línea de investigación para probar otros materiales que puedan beneficiarse de manera similar. Su trabajo ha recibido atención y están trabajando con un programa de becas spin-off para establecer una startup adecuada.

Aleación de Aluminio de Alta Resistencia Impresa en 3D

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Inventada por HRL Laboratories, esta cepa particular de aluminio fue recientemente comercializada y registrada por la Asociación del Aluminio. El aluminio de alta resistencia fabricado aditivamente también marcó el primer registro de tal aleación por la Asociación, recibiendo el número de registro 7A77.50 para el polvo de aluminio, y 7A77.60L para la aleación impresa.

Este material también fue especial en que marcó el nuevo sistema de registro de aleaciones aditivas de la asociación en febrero de 2019. Esto fue resultado directo de los varios materiales nuevos que surgieron debido a las capacidades de fabricación aditiva. Fue la primera aleación de su tipo en ser imprimible.

Químicamente, la aleación fue desarrollada usando la técnica de funcionalización de nanopartículas de HRL. Este material particular usa nanopartículas basadas en circonio; sin embargo, la verdadera ventaja de este modo de producción de materiales es que podría aplicarse a una amplia variedad de otros metales y aleaciones a menudo considerados no imprimibles. Como resultado, HRL también está investigando varias otras formas en que nuevos materiales pueden incorporarse al mundo de la impresión 3D.

Cristalografía, Metamateriales y la Estructura Plástica Más Rígida del Mundo

Crédito foto: ETH Zurich/MIT

Los nuevos arreglos de materiales no siempre tratan de descubrir un nuevo material o alterar la composición química para hacerlo imprimible como ilustran los ejemplos anteriores. A veces, una nueva forma de usar materiales existentes puede proporcionar algo extraordinario. Este fue el caso con varias estructuras de materiales que contenían materiales estructurados de tal manera que producen resultados emocionantes.

Un proyecto combinado entre MIT y ETH Zurich sirve como ejemplo. Los investigadores crearon un material con la mayor relación rigidez-peso posible reorganizando la construcción de plásticos a nanoescala. Esto resultó en un material muy rígido, mientras equilibraba esta rigidez con un peso relativamente bajo. En esencia, habían desarrollado el material más rígido posible, bastante cerca de los límites teóricos que la física permite, simplemente ajustando las formas en que su microestructura está organizada.

Este tipo de relación rigidez-peso es crucial para implantes médicos de alta resistencia, aviones y coches de carreras. Como se mencionó, la idea principal no está tanto en el material en uso como en la construcción a microescala. Con el uso de patrones intrincados de cerchas, fajas y arcos, los investigadores maximizaron la resistencia y la durabilidad.

De manera similar, investigadores de la Universidad de Sheffield e Imperial College investigaban el uso de microestructuras novedosas en impresiones para mejorar la durabilidad, esperando crear nuevas formas de imprimir aleaciones. Su trabajo en el uso de metamateriales cristalográficos hizo uso de modelado atómico computacional para crear estas estructuras nunca antes vistas. Estas estructuras cristalinas, como las describieron, resultan en impresiones que salen sin fronteras de grano, siendo continuas e ininterrumpidas. Esto da a la impresión final mejor tolerancia a daños, resistencia y tenacidad.

Tales materiales tienen arreglos periódicos de nodos y puntales, haciéndolos ligeros mientras exhiben una combinación de propiedades que no ocurren en sólidos convencionales. Al emplear los mecanismos de endurecimiento encontrados en materiales cristalinos para desarrollar materiales robustos y tolerantes a daños, crearon materiales imprimibles que la fabricación sustractiva no podría posiblemente manejar.

Una idea similar permea el campo de la impresión 4D, donde las microestructuras están tan delicadamente equilibradas que convierten materiales promedio en robots o elementos funcionales con varios arreglos. La impresión 3D a menudo proporciona estas habilidades para manipular los detalles más mínimos hasta que sirven a un propósito diseñado y fomenta la creación de nuevas formas dentro del mundo de la fabricación e investigación.