Impresión 3D con materiales resistentes

Fuera de la novedad y la gracia de poder hacer figuras customizadas a partir de la tecnología de impresión 3D, se están desarrollando metodologías para poder aplicar las ventajas intrínsecas de esta impresión en construcción y fabricación. 

El número de locales en los que prometen hacer una recreación 3D perfecta de una persona o, incluso de un gato, ha aumentado considerablemente en los últimos 5 años. Esto haría a uno preguntarse ¿La impresión 3D es otra herramienta de ocio? La respuesta es un gran sí, aunque cuenta con un gran Pero. El Pero es que con la investigación sobre técnicas y materiales, se puede llegar a dar un uso funcional y estructural, es decir, para construir edificios o productos. 

La impresión 3D no deja de ser un robot que cuenta con 3 ejes, lo que consigue llegar a cualquier punto del espacio, y un material que se fusiona al calentarse y se solidifica rápidamente. Gracias a ello, se pueden generar piezas o superficies muy complejas de realizar con los métodos tradicionales sin un gran esfuerzo. De hecho incluso el esfuerzo económico, aún existiendo, se ha conseguido ir mitigando. Aquí es donde radica el potencial de esta metodología, precios asequibles y tiempos de fabricación mucho más bajos. ¿Se imaginan poder construir una vivienda rebajando los costes en un gran porcentaje, ampliando el número de personas que pueden permitírselo en un periodo muy corto de tiempo? Bueno, barato y ¿bueno?. Como ya se ha explicado la concepción de esta tecnología es para hacer la gracia pero, ¿y si supiéramos que se hacen estructuras con acero, aluminio o incluso carbono con impresoras 3D?

Hecha esta breve introducción, un poco de teoría. Actualmente el material “rey” de esta tecnología es el plástico, sobre todo con las siglas ABS y PLA. ABS no es un sistema de antibloqueo de ruedas, que también, si no que es acrilonitrilo butadieno estireno. ¿Claro, verdad? simplemente es un plástico resistente. Por otra parte, el PLA es ácido poliláctico, otro plástico al uso. Para estos materiales sirven las bobinas que tanto se ven, cuya punta se calienta hasta convertirse en líquido, se deposita en el punto deseado y se solidifica, repitiendo este proceso se llega a un sólido previamente diseñado en ordenador. 

Esta metodología no es del todo viable en aceros, aluminio y mucho menos en fibra de carbono. El tema de este escrito se va a centrar en materiales metálicos, por lo que las fibras se van a dejar para futuras entradas. Lo que más se suele utilizar en materiales metálicos para conseguir una impresión 3D es convertir previamente en polvo y posteriormente, normalmente con un láser de alta potencia, se unen las partículas en un método muy similar a la sinterización. La sinterización consiste en apretar muy fuerte a base de presión ese polvo y convertirlo en un sólido. Sin embargo el láser lo que hace es calentar un punto muy concreto y fusionar las partículas de polvo haciendo que se junten y se convierta en un sólido. Aunque parezca mucho más sencilla la sinterización tradicional, el equipo para realizar este proceso es más “enredado” y sobre todo, las geometrías que se pueden conseguir no es que sean demasiado complejas. Sin embargo, con el método de impresión 3D en metales el equipo, aún complejo, se simplifica en cuanto a número y, sobre todo, se pueden conseguir formas muy complejas, siempre dentro de las leyes físicas, aquí no hay nadie exento.

Entendido como funciona el proceso, parece que se ha redescubierto la penicilina, parece que es mejor dejar cualquier tipo de fabricación anterior y utilizar sólo esta. Bueno, aquí entra el terreno de los materiales puro y duro. En el artículo científico titulado A novel method to 3D-print fine-grained AlSi10Mg alloy with isotropic properties via inoculation with LaB6 nanoparticles (Un novedoso método para la impresión 3D basado en un grano fino de AlSi10Mg con propiedades isotrópicas vía inoculación de nanopartículas LaB6) escrito por un grupo de investigadores de la Universidad de Queensland, Australia, dentro de la Escuela de Ingeniería Mecánica y Minera, liderado por Qiyang Tan, se describe muy claramente la problemática y aportan una solución a algo más concreto.

En este artículo se describe uno de los principales problemas de este tipo de tecnología y es que, al añadirse el material puede ocurrir diferentes tipos de defectos. Defectos más superficiales como son la aparición de poros, falta de material o una fusión deficiente entre partículas. O defectos más interiores, como la aparición de microfisuras o que dentro de la fusión puede ocurrir que los granos al solidificarse no tengan una relación homogénea, lo que produce que el material sea del tipo anisótropo. La anisotropía consiste en que las características de un material son diferentes en las diferentes direcciones del mismo. Es decir, aunque hubiese un bloque cúbico, si el material es anisótropo, las propiedades horizontales no van a ser similares a las verticales. Esto no significa que sea un gran problema, existen aplicaciones en las que esto es beneficioso y se usan este tipo de materiales, como pueden ser las fibras de carbono o fibras de vidrio. Pero normalmente para casos estructurales con metales se buscan materiales isótropos, que son lo contrario, mismas características en diferentes direcciones. 

Por lo tanto, la clave está en conseguir que estos granos sean lo más homogéneos posibles. Para ello mientras la aleación de aluminio AlSi10Mg está en forma de polvo se añaden nanopartículas de LaB6 para comenzar con la mezcla. Esta mezcla la realizaron a través de un mezclador por ultrasonidos, es algo similar a una coctelera pero la agitación ultrasónica permite que mejore la mezcla. Esto se consigue gracias a que la adición de LaB6  mejora la unión de partículas al fusionarse, llamado nucleación, y que aparece una mejora en el emparejamiento de cristales sólidos del metal, haciendo que estos sean más homogéneos.

Haciendo un símil más cotidiano, los aceros con grano más homogéneo son más resistentes, mientras que los que tienen un grano más heterogéneo e incluso gordo son más endebles. ¿Y dónde está lo cotidiano? La próxima vez que vea una farola o una señal de tráfico fíjese en cómo en la parte de acero (gris) se diferencian los diferentes granos del acero. Esto se hace para abaratar costes en cuanto a material para fabricar estos elementos y sobre todo, si hay algún accidente, estos elementos son los que van a salir más perjudicados en beneficio del conductor o viandantes, evitando daños mayores.

Volviendo al artículo en cuestión, se fabricaron probetas para realizar ensayos de tracción, estirar la probeta hasta que se rompa, para comprobar el comportamiento mecánico. Lo que se observó es que, sin añadir LaB6, la anisotropía que presentaba era de un 66%, mientras que añadiendolo se llegó a un máximo de anisotropía del 3%, pudiendo considerarse el material isótropo.

En definitiva, este tipo de tecnología puede transportarse a la fabricación de productos cotidianos, haciendo de estos productos más asequibles y mejor fabricados que con métodos tradicionales. Aunque, como cualquier metodología en desarrollo aún cuenta con diferentes obstáculos que, como se ha podido comprobar están siendo salvados paulatinamente gracias a la investigación y desarrollo.

Referencia

Tan, Q., Zhang, J., Mo, N., Fan, Z., Yin, Y., Bermingham, M., … & Zhang, M. X. (2020). A  novel method to 3D-print fine-grained AlSi10Mg alloy with isotropic properties via inoculation  with LaB6 nanoparticles. Additive Manufacturing, 32, 101034

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