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(noticias nanowerk) Los investigadores del MIT han desarrollado una técnica de fabricación aditiva que puede imprimir rápidamente con metal líquido, produciendo piezas de gran formato como patas de mesas y estructuras de sillas en minutos.
Su técnica, llamada impresión de metal líquido (LMP), implica depositar aluminio fundido a lo largo de un camino predefinido en un lecho de pequeñas cuentas de vidrio. El aluminio se endurece rápidamente para formar una estructura 3D.
Los investigadores dicen que LMP es al menos 10 veces más rápido que un proceso de fabricación aditiva de metal comparable y que el proceso de calentar y fundir el metal es más eficiente que otros métodos.
La tecnología sacrifica la resolución por la velocidad y la escala. Aunque se puede utilizar para imprimir componentes más grandes que los que se producen normalmente mediante procesos aditivos más lentos y a un coste menor, no puede alcanzar altas resoluciones.
Por ejemplo, las piezas fabricadas con LMP serían adecuadas para algunas aplicaciones en arquitectura, construcción y diseño industrial, donde los componentes de estructuras más grandes a menudo no requieren detalles extremadamente finos. También podría usarse eficazmente para la creación rápida de prototipos con metal reciclado o chatarra.
En un estudio reciente, los investigadores demostraron el proceso imprimiendo marcos de aluminio y piezas para mesas y sillas que eran lo suficientemente fuertes como para resistir el posprocesamiento. Mostraron cómo los componentes fabricados con LMP se pueden combinar con procesos de alta resolución y materiales adicionales para crear muebles funcionales.
“Esta es una dirección completamente diferente en la forma en que vemos la fabricación de metales y ofrece enormes ventajas. También tiene lados oscuros. Pero la mayor parte de nuestro mundo construido (las cosas que nos rodean, como mesas, sillas y edificios) no requieren una resolución extremadamente alta. La velocidad y la escala, así como la repetibilidad y el consumo de energía, son métricas importantes”, dice Skylar Tibbits, profesor asociado en el Departamento de Arquitectura y codirector del Laboratorio de Autoensamblaje, autor principal de un artículo que presenta LMP (“Impresión de metales líquidos”; PDF).
Tibbits cuenta con la ayuda del autor principal Zain Karsan SM ’23, ahora estudiante de doctorado en ETH Zurich; y Kimball Kaiser SM ’22 y Jared Laucks, científico investigador y codirector de laboratorio. La investigación fue presentada en la conferencia de la Asociación para el Diseño Asistido por Computadora en Arquitectura y recientemente publicada en las actas de la asociación.
![En la impresión de metal líquido, el aluminio fundido se deposita en un lecho de pequeñas cuentas de vidrio a lo largo de un camino predefinido.](https://www.nanowerk.com/news2/gadget/id64521_1.jpg)
Aceleración significativa
Un método de impresión con metales común en la construcción y la arquitectura llamado Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) puede crear estructuras grandes a baja resolución, pero pueden ser propensas a agrietarse y deformarse, ya que algunas piezas deben volver a fundirse durante el proceso de impresión.
LMP, por otro lado, mantiene el material fundido durante todo el proceso, evitando algunos de los problemas estructurales causados por la refundición.
Basándose en el trabajo previo del grupo sobre la impresión rápida de fluidos con caucho, los investigadores construyeron una máquina que funde aluminio, sostiene el metal fundido y lo dispensa a alta velocidad a través de una boquilla. Las piezas de gran formato se pueden imprimir en tan solo unos segundos y el aluminio fundido se enfría en tan solo unos minutos.
“La velocidad de nuestro proceso es realmente alta, pero también muy difícil de controlar. Es más o menos como abrir un grifo. Tienes que derretir una gran cantidad de material, lo que lleva algo de tiempo, pero una vez que lo derrites, es como abrir un grifo. Esto nos permite imprimir estas geometrías muy rápidamente”, explica Karsan.
El equipo eligió el aluminio porque se utiliza habitualmente en la construcción y puede reciclarse de forma económica y eficiente.
Se colocan trozos de aluminio del tamaño de una hogaza de pan en un horno eléctrico, “que es básicamente como una tostadora agrandada”, añade Karsan. Las bobinas de metal en el horno calientan el metal a 700 grados Celsius, ligeramente por encima del punto de fusión del aluminio de 660 grados.
El aluminio se mantiene a alta temperatura en un crisol de grafito y luego el material fundido se alimenta por gravedad a través de una boquilla de cerámica a lo largo de un camino preestablecido hasta una cama de impresión. Descubrieron que cuanto más aluminio pudieran fundir, más rápido podría funcionar la impresora.
“El aluminio fundido destruye casi todo a su paso. Comenzamos con boquillas de acero inoxidable y luego pasamos al titanio antes de decidirnos por la cerámica. Pero las boquillas de cerámica también pueden obstruirse porque el calentamiento en la punta de la boquilla no siempre es completamente uniforme”, afirma Karsan.
Al inyectar el material fundido directamente en una sustancia granular, los investigadores no necesitan imprimir soportes para sujetar la estructura de aluminio a medida que toma forma.
![espiral metálica](https://www.nanowerk.com/news2/gadget/id64521_2.jpg)
Perfecciona el proceso
Experimentaron con una variedad de materiales para llenar la cama de impresión, incluido polvo de grafito y sal, antes de decidirse por perlas de vidrio de 100 micrones. Las diminutas perlas de vidrio, que pueden soportar la temperatura extremadamente alta del aluminio fundido, actúan como una suspensión neutra, permitiendo que el metal se enfríe rápidamente.
“Las cuentas de vidrio son tan finas que se sienten como seda en la mano. El polvo es tan pequeño que realmente no cambia las propiedades de la superficie del objeto impreso”, dice Tibbits.
La cantidad de material fundido contenido en el crisol, la profundidad de la cama de impresión y el tamaño y forma de la boquilla tienen la mayor influencia en la geometría del objeto final.
Por ejemplo, las partes del objeto con diámetros mayores se imprimen primero porque la cantidad de aluminio que emite la boquilla disminuye a medida que se vacía el crisol. Cambiar la profundidad de la boquilla cambia el espesor de la estructura metálica.
Para respaldar el proceso LMP, los investigadores desarrollaron un modelo numérico para estimar la cantidad de material depositado en la plataforma de impresión en un momento dado.
Debido a que la boquilla empuja el polvo de perlas de vidrio, los investigadores no pueden observar cómo se separa el aluminio fundido. Por eso necesitaban una forma de simular lo que debería suceder en ciertos puntos del proceso de impresión, explica Tibbits.
![Pernos de metal impresos en 3D](https://www.nanowerk.com/news2/gadget/id64521_3.jpg)
Utilizando LMP, pudieron producir rápidamente marcos de aluminio de distintos espesores que eran lo suficientemente fuertes como para soportar procesos de mecanizado como el fresado y el taladrado. Demostraron una combinación de LMP y estas técnicas de posprocesamiento para producir sillas y una mesa hechas de piezas de aluminio de menor resolución impresas rápidamente y otros componentes, como piezas de madera.
En el futuro, a los investigadores les gustaría seguir desarrollando la máquina para permitir un calentamiento uniforme de la boquilla para evitar que el material se pegue y también para lograr un mejor control sobre el flujo del material fundido. Sin embargo, los diámetros de boquilla más grandes pueden dar como resultado impresiones irregulares, por lo que todavía quedan desafíos técnicos por superar.
“Si pudiéramos convertir esta máquina en algo que la gente pudiera usar para fundir aluminio reciclado e imprimir piezas, cambiaría las reglas del juego para la fabricación de metales. Por el momento no es lo suficientemente fiable para eso, pero ese es el objetivo”, afirma Tibbits.
«En Emeco, venimos del mundo de la fabricación muy analógica, por lo que fue realmente convincente ver cómo la impresión de metal líquido crea geometrías matizadas con potencial para piezas totalmente estructurales», dice Jaye Buchbinder, quien lidera y fue el desarrollo comercial de la empresa de muebles. Emeco no participa en este trabajo. “La impresión de metal líquido establece nuevos estándares en lo que respecta a la capacidad de producir piezas metálicas en geometrías personalizadas y, al mismo tiempo, garantiza tiempos de entrega rápidos que normalmente no se logran con otras tecnologías de impresión o moldeo. Definitivamente existe potencial para que la tecnología revolucione la forma en que se maneja actualmente la impresión y el conformado de metales”.
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