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Compuestos metálicos en impresión 3D sin necesidad de forja

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Compuestos metálicos en impresión 3D sin necesidad de forja

El acero de Damasco es un material de fama casi mítica, utilizado para forjar espadas legendarias como la Excalibur y la Mimung. El Instituto Fraunhofer de Tecnología Láser ILT en Aquisgrán y el Instituto Max-Planck para la Investigación del Hierro (MPIE) en Düsseldorf han estado investigando un método de impresión 3D que podría utilizarse para producir un material compuesto ferroso de dureza y resistencia equilibradas, todo ello sin necesidad de habilidades de forja u hornos.

Los expertos pueden identificar instantáneamente el acero de Damasco, uno de los más codiciados del mundo, por sus capas claras y oscuras, que lo hacen a la vez duro y resistente. Para ello, desde la Antigüedad se han empleado métodos tradicionales basados en el plegado y la forja de acero por capas para igualar sus cualidades. Pero ¿podría un láser ser igualmente hábil en la construcción de un material compuesto comparable capa por capa sin requerir habilidades de forja u hornos?

Ésta ha sido la pregunta planteada por los ingenieros de proceso del Fraunhofer ILT y los desarrolladores de materiales del MPIE, que llevan años trabajando juntos en proyectos estratégicos, tanto en investigación fundamental como aplicada. “Optamos por una aleación de hierro de endurecimiento por precipitación que, con una composición diferente, también se conoce como acero martensítico”, declara el Dr. Andreas Weisheit, gerente del grupo de Desarrollo de Materiales para la Fabricación Aditiva de Fraunhofer ILT. “Reacciona a picos de temperatura relativamente cortos formando precipitados que aumentan la resistencia y la dureza. Podemos hacer uso de este efecto cuando construimos un producto capa por capa”.

Deposición de materiales por láser para compuestos metálicos

Estos materiales compuestos generalmente consisten en capas delgadas. La microestructura de cada capa puede ser modificada controlando la temperatura de proceso de una manera específica, una técnica conocida como tratamiento térmico intrínseco. Para ello, los investigadores de Aquisgrán y Düsseldorf aplicaron el método de deposición de materiales por láser (LMD) desarrollado en el ILT de Fraunhofer. Al igual que todos los procesos de fabricación aditiva, LMD construye piezas en capas, convirtiéndose en una buena opción para la fabricación de materiales compuestos.

El proceso LMD puede ser controlado con mucha precisión. Esto permite a los científicos ajustar la temperatura con una gran precisión, permitiéndoles realizar un tratamiento térmico durante el propio proceso de impresión 3D. En la fabricación convencional, los materiales de este tipo terminan en un horno para el proceso de tratamiento térmico final (con el fin de ajustar sus propiedades mecánicas). El material normalmente permanece en el horno durante varias horas a alta temperatura para permitir que se endurezca gradualmente. Markus Benjamin Wilms, investigador del Fraunhofer ILT añade que “con nuestro método, el endurecimiento se produce realmente durante la impresión en 3D. En principio, eso elimina la necesidad de un tratamiento térmico posterior. Esto es posible aprovechando el calentamiento cíclico, con capas depositadas calentadas por la deposición de capas posteriores. El tratamiento térmico en un horno sigue siendo necesario en los casos en los que la formación de precipitados en las aleaciones procede demasiado lentamente”.

Por ahora, los límites del método LMD residen en el material seleccionado. “Obviamente, hay que utilizar un material que reaccione a estos cortos ciclos de tiempo y temperatura; no es algo que se pueda aplicar simplemente a cualquier material endurecido”, dice Weisheit. “Pero LMD no se limita sólo a los compuestos basados en hierro. Los experimentos han demostrado que también funciona con aleaciones de aluminio”. En otras palabras, el principio del tratamiento térmico intrínseco mediante la deposición de material por láser también puede aplicarse a otros sistemas de aleación.

Entonces, ¿qué condiciones debe cumplir un material compuesto para que sea apto para la deposición de material por láser? Hay dos requisitos clave: que sea una aleación imprimible y la precipitación tiene que ocurrir en un período relativamente rápido. Según afirman los investigadores de este proyecto, en otros métodos de impresión 3D basados en láser, el usuario tiene que ajustar la composición de la aleación porque el proceso de control de temperatura funciona de forma diferente.

Revolución en la industria del mecanizado

Este proyecto en particular utilizó una aleación de hierro, níquel y titanio desarrollada en el Instituto Max-Planck. Durante la impresión en 3D de las estructuras, los investigadores detuvieron brevemente el proceso después de la deposición de cada nueva capa para permitir que el metal se enfriara por debajo de los 195 grados centígrados. Y, por ahora, sólo garantiza la fabricación de piezas geométricas simples como los cubos, aunque se prevé que evolucione hacia formas más complejas.

No es la primera vez que se publica un estudio donde se remarca la evolución de la impresión 3D de materiales metálicos, y parece que las líneas de investigación están muy avanzadas, tanto en compuestos como en tecnologías. Sin duda, esto puede marcar una revolución en la industria del mecanizado por las ventajas que aporta este método de fabricación, mucho más rápido y efectivo, que además entrega un gran rendimiento en términos de reducción de tiempo de producción y de costes, sin perjudicar su calidad y vida útil de las piezas finales.

Nota: El artículo ‘Acero de Damasco de alta resistencia por fabricación aditiva’ ha sido coescrito por Weisheit y Wilms y publicado en la revista Nature el pasado 24 de junio de 2020.

Fuente: Interempresas