Con el continuo crecimiento de la fabricación aditiva, empresas e investigadores han desarrollado diversas subtecnologías, complementos y métodos para optimizar las impresiones. Sin embargo, otra forma de lograr un objeto optimizado es optimizar el material utilizado. Esto ha dado lugar a una variedad de materiales para impresión 3D, todos los cuales presentan propiedades ideales gracias a un control preciso.
Algunos de estos materiales han sido diseñados específicamente para la impresión 3D o en colaboración con ella, lo que confiere a la tecnología características y funcionalidades novedosas. A continuación, presentamos algunos de los materiales más prometedores:
escalofrío
Crédito de la foto: Beamler
Presentado como el primer material original desarrollado específicamente para la impresión 3D, esta mezcla de escandio (SC), aluminio (AL) y magnesio (M) se fusionan en una sola aleación. El material fue desarrollado y patentado originalmente por APWorks , una filial del grupo Airbus. Como material de impresión metálica, presenta características únicas, como una mayor resistencia (debido principalmente a la presencia de escandio).
En términos de resistencia, supera al aluminio tradicional y a muchas de sus aleaciones derivadas. Incluso es más resistente que el titanio, además de ser ligero y resistente a la corrosión. Por supuesto, su producción puede ser costosa debido a que contiene escandio, un metal raro cuya extracción de sus minerales también es costosa. El precio del escandio puede fluctuar entre 4000 y 20 000 dólares estadounidenses por kilogramo, y las principales zonas de extracción se encuentran en China y Rusia.
La aleación Scalmalloy es especialmente útil para componentes de alta resistencia y larga duración. Por ello, se está popularizando en la industria automotriz y la robótica, donde suele formar parte de intercambiadores de calor. Como cabría esperar, Scalmalloy también desempeña un papel fundamental en su industria de origen: la aeroespacial.
Materiales SLM de nueva generación
Crédito de la foto: TU Graz
Este metal fue desarrollado por la Universidad Técnica de Graz (TU Graz) de Austria , mediante la aplicación de una mezcla de nitruro de silicio para crear un acero inoxidable específico para la fabricación aditiva de metales. Conocidos como materiales NewGen SLM, presentan reacciones más controladas durante el proceso de formación, lo que se traduce en un mejor acabado superficial y una menor necesidad de soportes. El acero inoxidable 316L es uno de los materiales más comunes en diversas industrias a nivel mundial, y la versión NewGen presenta características mejoradas, especialmente para la impresión mediante fusión selectiva por láser (SLM).
Los investigadores probaron diversas versiones de la mezcla modificada de acero inoxidable con múltiples composiciones. Al analizar las propiedades mecánicas y la porosidad de otros materiales, concluyeron que las distorsiones durante la sinterización podían reducirse mediante un control estricto del nitruro de silicio y el boro presentes en ella. Publicaron estos hallazgos en el artículo académico titulado « Mejora de la estabilidad dimensional y las propiedades mecánicas de los sinterizados AISI 316L + B mediante la adición de Si3N4 ».
Dado que los boruros aumentan la densidad del sinterizado, no se integran bien en los materiales a base de hierro. Como resultado, pueden formarse capas indeseadas alrededor de la partícula. El nitruro de silicio mitiga este problema y mejora el acabado superficial. Los investigadores han modificado el polvo metálico no solo para obtener mejores propiedades mecánicas y de uso final, sino también para que los materiales NewGen SLM requieran menos estructuras de soporte. De esta forma, el acero inoxidable modificado puede ser incluso más ligero que las impresiones metálicas convencionales.
Actualmente, los investigadores siguen comercializando este material en particular. Además, están ampliando esta línea de investigación para probar otros materiales similares que puedan ofrecer beneficios parecidos. Su trabajo ha recibido reconocimiento y están colaborando con un programa de becas para empresas derivadas con el fin de establecer una empresa emergente.
Aleación de aluminio de alta resistencia impresa en 3D
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Inventada por HRL Laboratories, esta variante de aluminio fue recientemente comercializada y registrada por la Asociación del Aluminio. Este aluminio de alta resistencia, fabricado mediante manufactura aditiva, también marcó el primer registro de este tipo por parte de la Asociación del Aluminio, recibiendo el número de registro 7A77.50 para el polvo de aluminio y el número 7A77.60L para la aleación impresa.
Este material también fue especial porque marcó el inicio del nuevo sistema de registro de aleaciones aditivas de la asociación en febrero de 2019. Esto fue resultado directo de la aparición de diversos materiales nuevos gracias a las capacidades de la fabricación aditiva. Esta fue la primera aleación de su tipo que se podía imprimir.
Químicamente, la aleación se desarrolló utilizando la técnica de funcionalización de nanopartículas de HRL. Este material en particular utiliza nanopartículas a base de circonio; sin embargo, la verdadera ventaja de este método de producción radica en su aplicabilidad a una amplia variedad de metales y aleaciones que suelen considerarse imposibles de imprimir. Por ello, HRL también está explorando otras formas de incorporar nuevos materiales al mundo de la impresión 3D.
Cristalografía, metamateriales y la estructura plástica más rígida del mundo.
Crédito de la foto: ETH Zurich/MIT
Las nuevas disposiciones de materiales no siempre implican descubrir un material nuevo o alterar su composición química para hacerlo imprimible, como ilustran ejemplos anteriores. A veces, una nueva forma de utilizar materiales existentes puede dar lugar a algo extraordinario. Este fue el caso de diversas estructuras de materiales que contenían materiales dispuestos de tal manera que producían resultados fascinantes.
Un ejemplo de ello es un proyecto conjunto entre el MIT y la ETH Zúrich . Los investigadores crearon un material con la mayor relación rigidez-peso posible mediante la reorganización de la estructura de los plásticos a nanoescala. El resultado fue un material muy rígido, que a la vez mantenía un equilibrio entre rigidez y un peso relativamente bajo. En esencia, desarrollaron el material más rígido posible, acercándose bastante a los límites teóricos que permite la física, simplemente modificando la disposición de su microestructura.
Esta relación rigidez-peso es crucial para implantes médicos de alta resistencia, aviones y coches de carreras. Como se mencionó anteriormente, la clave no reside tanto en el material utilizado como en la construcción a microescala. Mediante el uso de intrincados patrones de cerchas, correas y arcos, los investigadores maximizaron la resistencia y la durabilidad.
De manera similar, investigadores de la Universidad de Sheffield y del Imperial College estudiaban el uso de microestructuras novedosas en impresiones para mejorar la durabilidad, con la esperanza de crear nuevas formas de imprimir aleaciones. Su trabajo con metamateriales cristalográficos empleó modelado atómico computacional para crear estas estructuras nunca antes vistas. Estas estructuras cristalinas, como las describieron, dan como resultado impresiones sin límites de grano, continuas e ininterrumpidas. Esto confiere a la impresión final una mayor tolerancia al daño, resistencia y tenacidad.
Estos materiales presentan una disposición periódica de nodos y puntales, lo que los hace ligeros a la vez que exhiben una combinación de propiedades que no se encuentran en los sólidos convencionales. Al emplear los mecanismos de endurecimiento propios de los materiales cristalinos para desarrollar materiales robustos y resistentes a los daños, crearon materiales imprimibles que la fabricación sustractiva sería imposible de lograr.
Una idea similar impregna el campo de la impresión 4D, donde las microestructuras se equilibran con tal precisión que transforman materiales comunes en robots u objetos funcionales con diversas configuraciones. La impresión 3D suele ofrecer estas capacidades para manipular hasta el más mínimo detalle hasta que cumplen una función específica, e impulsa la creación de nuevas formas en el mundo de la fabricación y la investigación.
