“Tinta inteligente” para impresión 3D de metales

November 15, 2017

María Teresa Pérez-Prado, Investigadora, IMDEA Materiales

 

La impresión 3D de metales, o fabricación aditiva, está revolucionando la producción industrial, ampliando la libertad de diseño hasta límites hasta ahora inalcanzables y reduciendo significativamente la cantidad de materia prima necesaria. En un futuro no muy lejano un paciente con una cadera rota podrá recibir un implante con las mismas dimensiones que su articulación original, y un componente estructural no necesitará más material que el estrictamente necesario para incluir sus ejes de carga. Además, la impresión de piezas se llevará a cabo allí donde éstas sean necesarias, lo que reduciría enormemente los gastos de logística y transporte. Algunos, los más visionarios, se atreven a vaticinar que será posible fabricar en la luna utilizando el propio polvo lunar.

Efectivamente, la fabricación aditiva, que hasta la fecha despertaba recelos entre los más escépticos, se está consolidando como una tecnología con gran potencial para la fabricación de componentes de elevado valor añadido en el sector aeronáutico y el sector de la energía. Recientemente Siemens anunció la fabricación exitosa de componentes de centrales nucleares (Marzo 2017, https://www.siemens.com/press/en/pressrelease/?press=/en/pressrelease/2017/powergenerationservices/pr2017030221psen.htm), mientras que otras grandes empresas como GE afirmaban ser capaces de imprimir motores de helicópteros, reduciendo el número de componentes de 900 a 16 (Marzo, 2017, https://www.additivemanufacturing.media/blog/post/ge-team-secretly-printed-a-helicopter-engine-replacing-900-parts-with-16). Esta tecnología presenta, además, claras ventajas en biomedicina, donde ya se están fabricando comercialmente implantes dentales personalizados y donde se planea ampliar pronto el espectro de aplicaciones para incluir implantes óseos.

Una de las técnicas de impresión 3D de metales con mayor potencial es la fusión selectiva con láser (selective laser melting, SLM), mediante la cual un haz láser funde localmente y a gran velocidad un polvo metálico, capa a capa, siguiendo un diseño previamente establecido. El proceso involucra velocidades muy elevadas de calentamiento y enfriamiento de los polvos metálicos, lo que da lugar en el componente final a microestructuras y propiedades que en su mayoría son todavía desconocidas. En general, las aleaciones que convencionalmente se utilizan en procesos industriales ya establecidos no son adecuadas para esta nueva tecnología, ya que dan lugar a la aparición de grietas y altas tensiones residuales. Es, por tanto, esencial, invertir esfuerzos en desarrollar una “nueva metalurgia” asociada a la fabricación aditiva.

Las características de las piezas fabricadas dependen en gran medida del material base o “tinta de impresión” utilizados. La materia prima utilizada en la fusión por láser son polvos metálicos muy finos, idealmente con geometría esférica, baja rugosidad y bajo contenido de impurezas. Estos polvos se fabrican mediante atomización por gas, un proceso que consiste en fundir una pieza del metal que se quiera pulverizar, y a continuación hacer incidir sobre el fundido un gas a elevada presión, lo que hace que éste se divida en gotas muy finas, que finalmente solidifican dando lugar a partículas sólidas.

Investigadores del Grupo de Metalurgia Física del Instituto IMDEA Materiales, liderados por las Dras. Pérez-Prado y Cepeda-Jiménez, han optimizado un atomizador de laboratorio para fabricar polvos metálicos para impresión 3D. El objetivo de esta línea de investigación es diseñar nuevas aleaciones metálicas con composiciones óptimas para dar lugar a componentes con excelentes propiedades multifuncionales. Las posibilidades de diseño son infinitas, y aún sólo se conocen los rudimentos de lo que podrá ser una nueva familia de aleaciones metálicas a la carta. En la actualidad se está trabajando, en el marco de varios proyectos europeos, en el desarrollo de nuevas aleaciones de aluminio, superaleaciones de base níquel para altas temperaturas, y eutécticos con elevada resistencia y ductilidad.

Los grandes avances experimentados recientemente en fabricación aditiva, junto con las considerables inversiones por parte de empresas y administraciones, hacen esperar que el sueño de fabricar componentes multifuncionales, que integren distintos materiales con propiedades mejoradas, allí donde sea estrictamente necesario, sea pronto posible.