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(noticias nanowerk) Los científicos han desarrollado un nuevo método que puede crear piezas metálicas impresas en 3D personalizadas con diferentes propiedades, como que algunas áreas del metal sean más resistentes que otras.
Las tesis centrales
![Acero inoxidable impreso en 3D con partes débiles en blanco y partes fuertes en verde azulado](https://www.nanowerk.com/news2/gadget/id63967_1.jpg)
Investigación
La nueva técnica de los investigadores, dirigida por la Universidad Tecnológica de Nanyang, Singapur (NTU Singapur) y la Universidad de Cambridge, utiliza pasos de impresión 3D. A diferencia de los métodos tradicionales de fabricación de metales, no se requieren materias primas adicionales, tratamientos mecánicos ni procesos de mecanizado drásticos para lograr un efecto similar, como recubrir el metal con otro material, lo que potencialmente ayuda a reducir los costos de fabricación.
Además de diseñar una pieza metálica impresa en 3D con diferentes niveles de resistencia, en teoría el nuevo proceso también debería permitir a los fabricantes diseñar una pieza con otras características, como diferente conductividad eléctrica o resistencia a la corrosión, en el mismo metal.
Los investigadores, codirigidos por el profesor Gao Huajian, profesor universitario distinguido de NTU Singapur, y el profesor asistente Matteo Seita de la Universidad de Cambridge, que era profesor de NTU en el momento del estudio, se inspiraron en «calentar y golpear». “Métodos similares a los pasos milenarios de la herrería para desarrollar el nuevo proceso.
Esto los llevó a combinar principios de ciencia de materiales e ingeniería mecánica y aplicar técnicas de impresión 3D, comúnmente utilizadas para eliminar y prevenir defectos en metales impresos, para alterar estructuras microscópicas en los metales, alterando así sus propiedades.
Con el novedoso método, los fabricantes también pueden decidir qué tipo de microestructura interna quieren y, por tanto, el tipo de propiedad, y en qué lugar exacto del metal se puede formar. Esta es una mejora con respecto a los medios tradicionales que no tienen un control tan fino.
El profesor Gao, de la Escuela de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial (MAE) de NTU, dijo: «Nuestro método allana el camino para el diseño de piezas metálicas de alto rendimiento con microestructuras que pueden ajustarse para mejorar las propiedades mecánicas y funcionales de las piezas». incluso en puntos específicos y permite darles forma de formas complejas mediante la impresión 3D”.
El nuevo proceso se describe en un artículo publicado en comunicación de la naturaleza (“Fabricación aditiva de aleaciones con microestructura y propiedades programables”). Ilustra un enfoque del plan estratégico NTU 2025 para crear una investigación interdisciplinaria impactante.
Los otros científicos del equipo de investigación son del Instituto de Tecnología de Fabricación de la Agencia de Ciencia, Tecnología e Investigación de Singapur (A*STAR); Instituto A*STARs de Computación de Alto Rendimiento; el Instituto Suizo Paul Scherrer; el Centro de Investigación Técnica VTT de Finlandia; y la Organización Australiana de Ciencia y Tecnología Nucleares.
La ciencia de los materiales se une a la impresión 3D
El nuevo método de impresión 3D surgió de una solución interdisciplinaria desarrollada por el investigador asociado Dr. Gao Shubo en el MAE de NTU durante sus estudios de doctorado en la universidad.
Dr. Gao Shubo, autor principal del artículo de investigación que detalla el nuevo método, había estado tratando de encontrar una manera de manipular microestructuras en metales impresos en 3D y cambiar sus propiedades sin «golpear» el metal.
Para los metales fabricados tradicionalmente, el proceso de «golpe», como en la herrería, se utiliza comúnmente para cambiar la forma externa del metal. Pero también se puede utilizar para cambiar las microestructuras internas del metal, por ejemplo para cambiar su resistencia.
Sin embargo, el proceso de “golpe” puede destruir inadvertidamente ciertas características de los metales impresos en 3D, como sus formas complejas y estructuras internas, que son difíciles de producir con métodos tradicionales.
Dr. Gao Shubo intentó solucionar este problema. Aplicando su formación previa en ciencia de materiales, se dio cuenta de que las microestructuras metálicas podían reconfigurarse, de forma similar a la herrería, haciendo que el metal se expandiera y contrajera rápidamente a medida que se calentaba y enfriaba durante el proceso de impresión 3D.
Teorizó que esto podría lograrse ajustando la fuente de energía de una impresora 3D, como un rayo láser, para fundir capas de polvo metálico para imprimir en 3D una pieza metálica.
Si bien esto controla si se forman espacios en el metal, los investigadores demostraron que ajustar el láser también cambia el tipo de microestructuras que se forman en el metal después del calentamiento: una estructura que fortalece el metal y otra que lo debilita mecánicamente. También volvieron a fundir las capas de metal impresas para promover cambios en la microestructura del metal.
Los experimentos con acero inoxidable impreso en 3D que los investigadores realizaron posteriormente confirmaron al Dr. Gao Shubo.
Y debido a que la impresión 3D permite que cada capa de metal impreso se imprima de manera exacta, las propiedades de cada metal impreso en 3D se pueden ajustar a un nivel diferente en diferentes ubicaciones específicas del metal, lo que no es posible con los procesos de fabricación tradicionales.
De este modo, los científicos pudieron utilizar técnicas de impresión 3D y optimizar los parámetros de impresión para crear un metal impreso en 3D con diferentes microestructuras que crean regiones más fuertes y más débiles exactamente en las ubicaciones deseadas del metal.
“Nuestra estrategia puede apuntar a ubicaciones específicas del metal, permitiendo a los fabricantes diseñar y crear microestructuras complejas que permitan la personalización de las propiedades del metal en un grado nunca antes visto. Por ejemplo, el mismo metal en la misma pieza puede tener diferentes propiedades”, dijo el Dr. Gao Shubo.
En teoría, la resistencia de una pieza metálica impresa de este tipo debería estar entre la de los materiales que sólo tienen zonas fuertes y aquellos que sólo tienen zonas débiles. Sin embargo, el equipo de investigación descubrió que los metales impresos en 3D con regiones fuertes y débiles eran ligeramente más fuertes que los metales con solo regiones fuertes.
Esta interacción sinérgica entre áreas fuertes y débiles en el metal impreso indica el potencial de la nueva técnica para producir materiales más fuertes y resistentes que los descritos en la teoría clásica de control de mezclas para compuestos de diferentes materiales.
Los investigadores suponen que su método también se puede utilizar para producir metal impreso con diferentes propiedades funcionales. Por ejemplo, se podría imprimir una pieza metálica de modo que la sección sumergida en agua de mar sea más resistente a la corrosión, mientras que otras secciones sobre el agua sean menos resistentes a la corrosión.
El trabajo futuro que podría realizarse incluye probar si el método se puede utilizar para producir metales impresos en 3D con otros tipos de nuevos diseños de microestructuras que puedan dar como resultado metales con propiedades mecánicas y funcionales aún mejores.
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