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La impresión 3D en aluminio de alta resistencia resuelve viejos problemas de soldadura
La impresión 3D de alta resistencia en aleaciones de aluminio abre la puerta a la fabricación aditiva de aleaciones relevantes para la ingeniería, las cuales resultan muy útiles para las piezas de aeronaves de automóviles.
HRL Laboratories, LLC, ha logrado un gran avance en la metalurgia con el anuncio de que sus investigadores han desarrollado una técnica para imprimir aleaciones de aluminio de alta resistencia con éxito en 3D, incluidos los tipos Al7075 y Al6061. Esto abre la puerta a la fabricación aditiva de aleaciones relevantes para la ingeniería. Estas aleaciones son muy deseables para piezas de aviones y automóviles que se cuentan entre las miles que no fueron susceptibles de fabricación aditiva, una dificultad que ha sido resuelta por los investigadores de HRL. Un beneficio adicional es que su método se puede aplicar a familias de aleaciones adicionales tales como aceros de alta resistencia y superaleaciones -a base de níquel- difíciles de procesar actualmente en la fabricación aditiva.
"Estamos utilizando una teoría de nucleación de hace 70 años para resolver un problema de hace 100 años con una máquina del siglo XXI", dijo Hunter Martin, quien codirigió el equipo con Brennan Yahata. Ambos son ingenieros en el Laboratorio de sensores y materiales de HRL y estudiantes de doctorado de la Universidad de California, Santa Bárbara, que estudian con la profesora Tresa Pollock, coautora del estudio. Su impresión tridimensional en papel de aleaciones de aluminio de alta resistencia se publicó en la edición del 21 de septiembre de 2017 de Nature.
La fabricación aditiva de metales generalmente comienza con polvos de aleación que se aplican en capas delgadas y se calientan con un láser u otra fuente de calor directa para derretir y solidificar las capas. Normalmente, si se utilizan aleaciones de aluminio no soldables de alta resistencia, las piezas resultantes sufren grietas severas, una condición que hace que una parte metálica se pueda separar como una galleta escamosa.
La técnica de funcionalización de nanopartículas de HRL resuelve este problema mediante el uso de polvos de aleación no soldables de alta resistencia con nanopartículas especialmente seleccionadas. El polvo con funciones de nanopartículas alimenta a una impresora 3D, que aplica capas de polvo y fusibles láser a cada capa para construir un objeto tridimensional. Durante la fusión y la solidificación, las nanopartículas actúan como sitios de nucleación para la microestructura de aleación deseada, evitando el agrietamiento en caliente y permitiendo la retención de la fuerza de aleación completa en la pieza fabricada.
Debido a que la fusión y la solidificación en la fabricación aditiva son análogas a la soldadura, la funcionalización de nanopartículas de HRL también se puede usar para hacer que las aleaciones no soldables se puedan soldar. Esta técnica también es escalable y emplea materiales de bajo costo. Los polvos y nanopartículas de aleación convencionales producen materia prima para impresoras con nanopartículas distribuidas uniformemente en la superficie de los granos de polvo.
"Nuestro primer objetivo fue descubrir cómo eliminar completamente el agrietamiento en caliente. Buscamos controlar la microestructura y la solución debería ser algo que sucede naturalmente con la forma en que se solidifica este material", dijo Martin.
Para encontrar las nanopartículas correctas, en este caso nanopartículas a base de zirconio, el equipo de HRL reclutó a la compañía Citrine Informatics para ayudarlos a clasificar las innumerables partículas posibles para encontrar la que tuviera las propiedades que necesitaban.
“Usar la informática fue clave -dijo Yahata-. La manera en que se solía hacer la metalurgia era cultivando la tabla periódica para alear elementos y probando principalmente con prueba y error. El punto de usar el software informático era hacer un acercamiento selectivo a la teoría de nucleación que sabíamos para encontrar los materiales con las propiedades exactas que necesitábamos. Una vez que les dijimos qué buscar, el análisis de big data redujo el campo de materiales disponibles de cientos de miles a unos pocos. Pasamos de un pajar a un puñado de posibles agujas”. Con esta nueva y emocionante técnica, HRL se encuentra a la vanguardia de un nuevo capítulo en la fabricación aditiva de metales para investigación, industria y defensa. |
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