Los investigadores aún no han logrado que la fabricación aditiva, o la impresión 3D, de metales se convierta completamente en una ciencia. Las lagunas en nuestra comprensión de lo que sucede dentro del metal durante el proceso han hecho que los resultados sean inconsistentes. Pero un nuevo avance podría garantizar un nivel sin precedentes de dominio sobre la impresión 3D en metal.

Utilizando dos instalaciones diferentes de aceleradores de partículas, investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST), el Real Instituto de Tecnología KTH en Suecia y otras instituciones han observado la estructura interna del acero mientras se fundía y luego solidificaba durante la impresión 3D. Los hallazgos, publicados en  Acta Materiali ,  desbloquean una herramienta computacional para los profesionales de la impresión 3D, ofreciéndoles una mayor capacidad para predecir y controlar las características de las piezas impresas, mejorando potencialmente la consistencia y viabilidad de la tecnología para la fabricación a gran escala.  

Un enfoque común para imprimir piezas de metal implica esencialmente soldar charcos de metal en polvo con láser, capa por capa, hasta darle la forma deseada. Durante los primeros pasos de la impresión con una aleación de metal, en los que el material se calienta y enfría rápidamente, sus átomos, que pueden ser un puñado de elementos diferentes, se agrupan en formaciones cristalinas ordenadas. Los cristales determinan las propiedades, como la tenacidad y la resistencia a la corrosión, de la pieza impresa. Pueden surgir diferentes estructuras cristalinas, cada una con sus pros y sus contras.

"Básicamente, si podemos controlar la microestructura durante los pasos iniciales del proceso de impresión, entonces podemos obtener los cristales deseados y, en última instancia, determinar el rendimiento de las piezas fabricadas aditivamente", dijo el físico del NIST Fan Zhang, coautor del estudio.

Si bien el proceso de impresión desperdicia menos material y puede usarse para producir formas más complicadas que los métodos de fabricación tradicionales, los investigadores han luchado por comprender cómo orientar el metal hacia tipos particulares de cristales en lugar de otros. 

Esta falta de conocimiento ha dado lugar a resultados poco deseables, como piezas con formas complejas que se agrietan prematuramente gracias a su estructura cristalina. 

"Entre las miles de aleaciones que se fabrican comúnmente, sólo unas pocas pueden fabricarse mediante fabricación aditiva", dijo Zhang.

Parte del desafío para los científicos ha sido que la solidificación durante la impresión 3D de metal ocurre en un abrir y cerrar de ojos. 

Para capturar el fenómeno de alta velocidad, los autores del nuevo estudio emplearon potentes rayos X generados por aceleradores de partículas cíclicos, llamados sincrotrones, en la Fuente Avanzada de Fotones del Laboratorio Nacional Argonne   y la  Fuente de Luz Suiza del Instituto Paul Scherrer . 

El equipo buscó aprender cómo las velocidades de enfriamiento del metal, que pueden controlarse mediante la potencia del láser y los ajustes de movimiento, influyen en la estructura cristalina. Luego, los investigadores compararían los datos con las predicciones de un modelo computacional ampliamente utilizado desarrollado en los años 80 que describe la solidificación de aleaciones. 

Si bien se confía en el modelo para los procesos de fabricación tradicionales, no se ha decidido su aplicabilidad en el contexto único de los rápidos cambios de temperatura de la impresión 3D. 

"Los experimentos de sincrotrón consumen mucho tiempo y son costosos, por lo que no puedes ejecutarlos para todas las condiciones que te interesan. Pero son muy útiles para validar modelos que luego puedes usar para simular las condiciones interesantes", dijo la coautora del estudio, Greta. Lindwall, profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales en el KTH Royal Institute of Technology.

Dentro de los sincrotrones, los autores establecieron condiciones de fabricación aditiva para acero para herramientas para trabajo en caliente, un tipo de metal utilizado para fabricar, como su nombre indica, herramientas que pueden soportar altas temperaturas. 

A medida que los láseres licuaban el metal y emergían diferentes cristales, haces de rayos X sondeaban las muestras con suficiente energía y velocidad para producir imágenes del fugaz proceso. Los miembros del equipo necesitaban dos instalaciones separadas para soportar las velocidades de enfriamiento que querían probar, que oscilaban entre temperaturas de decenas de miles a más de un millón de kelvin por segundo. 

Los datos que recopilaron los investigadores describieron el tira y afloja entre dos tipos de estructuras cristalinas, austenita y ferrita delta, esta última asociada con grietas en piezas impresas. A medida que las velocidades de enfriamiento superaron los 1,5 millones de kelvins (2,7 millones de grados Fahrenheit) por segundo, la austenita comenzó a dominar a su rival. Este umbral crítico se alineaba con lo que predijo el modelo. 

“El modelo y los datos experimentales concuerdan muy bien. Cuando vimos los resultados, nos emocionamos mucho”, dijo Zhang. 

El modelo ha sido durante mucho tiempo una herramienta confiable para el diseño de materiales en la fabricación tradicional, y ahora el espacio de la impresión 3D puede recibir el mismo apoyo. 

Los resultados indican que el modelo puede informar a los científicos e ingenieros sobre qué velocidades de enfriamiento seleccionar para los primeros pasos de solidificación del proceso de impresión. De esa manera, la estructura cristalina óptima aparecería dentro del material deseado, haciendo que la impresión 3D de metal sea menos una tirada de dados. 

“Si tenemos datos, podemos utilizarlos para validar los modelos. Así es como se acelera la adopción generalizada de la fabricación aditiva para uso industrial”, afirmó Zhang.