Las aplicaciones AM explotan con la impresión multimaterial

Mar 30, 2023

La fabricación aditiva (FA) crea una multitud de oportunidades en todas las industrias gracias a las mejoras continuas en máquinas, métodos y materiales. Y, al igual que con los diseños de múltiples materiales construidos a través de procesos de fabricación convencionales, el pequeño pero creciente campo de la impresión 3D de múltiples materiales está desatando aún más el poder de AM.

Los sistemas multimateriales permiten variaciones tales como construcciones de gradientes funcionales, compuestos, aleaciones novedosas y nuevas formas de fabricar componentes eléctricos y electrónicos. El método se utiliza para fabricar dispositivos tan diversos como implantes articulares, pinzas robóticas de extremo de brazo y placas de circuito.

También puede sacar al científico de los practicantes. "Con la impresión 3D multimaterial, ¿qué pasa si deposito selectivamente un poco de material A aquí y un poco de material B allá?" postuló Greg Paulsen, director de ingeniería de aplicaciones en el mercado de fabricación digital Xometry Inc., North Bethesda, Maryland.

"Puedes crear lo que llamamos materiales digitales, que consisten en dopar un material rígido con un poco de material similar al caucho para que ese material actúe de manera más suave y flexible", dijo Paulsen. "O puede ir al revés, tener una goma realmente suave y hacerla un poco más firme agregando un poco de material rígido. Y de repente, en una sola impresión o tirada, puede crear un objeto que puede tener un sobremoldeado simulado o puede tener diferentes propiedades integradas en la misma impresión".

Sin embargo, hay una advertencia. Debido a su novedad, la mayoría de las aplicaciones multimateriales hasta la fecha han sido relegadas a la investigación y la academia, señaló Paulsen, caracterizando la práctica como un "campo relativamente nuevo".

Él no está solo. Aconity3D GmbH, Herzogenrath, Alemania, que fabrica impresoras láser de fusión en lecho de polvo (LPBF) para metales, describió a sus clientes multimateriales como "adoptadores tempranos" que en su mayoría pertenecen a la academia. De hecho, la transferencia de tecnología de la idea a la realidad hasta ahora ha sido más un goteo que un torrente a medida que la impresión multimaterial se establece como un proceso industrial.

La impresión y el procesamiento posterior de dos materiales diferentes en FA requieren una evaluación cuidadosa de sus propiedades. "Ciertamente no es ilimitado", dijo Shawn Allan, vicepresidente de Lithoz America LLC, Troy, NY, que fabrica impresoras 3D de cerámica basadas en litografía.

Cuando se le preguntó si dos materiales son compatibles a lo largo del proceso de sinterización a alta temperatura y el posterior enfriamiento, Allan pensó un poco en la pregunta. "Las cosas que debemos tener en cuenta son: ¿Estos materiales se unen entre sí? Porque algunos materiales, cuando los quemas, no quieren permanecer conectados entre sí muy bien", dijo. "Uno de los factores más importantes que tenemos que analizar son los desajustes de expansión térmica".

Si la falta de coincidencia entre los dos materiales es aguda, la tensión residual interna puede acumularse en la pieza a medida que se procesa. Según Allan, esto hará que los materiales se deslaminen o "exploten enérgicamente", ¡es decir, exploten!

La dilatometría mide tanto la expansión como la contracción térmica en la sinterización. Como resultado, dijo Allan, los usuarios pueden evaluar cómo se comportan dos materiales por sí solos e identificar cómo se superponen entre sí para tener "una idea de si esta es potencialmente una buena combinación para unir".

Además de combinar dos cerámicas, Lithoz está jugando con la adición de metales a la cerámica. "Entonces tienes la capacidad de poner caminos de conductividad a través de los materiales, donde normalmente eso tendría que hacerse como dos cosas que se hacen por separado o serigrafía", dijo Allan. "Pero podemos imprimir rastros conductivos a través de un aislante. De esa manera abre el diseño para los componentes eléctricos".

Las aplicaciones prácticas para imprimir metal dentro de una cerámica podrían incluir reactores industriales para procesos químicos y dispositivos para cauterización durante la cirugía. Sin embargo, las cerámicas requieren temperaturas mucho más altas durante la cocción que las que algunos metales pueden soportar sin fundirse.

"Si alguien quiere juntar una cerámica con aluminio, no va a funcionar... porque el aluminio se derretirá a 600 °, quizás 660 ° C, pero estamos descubriendo que la temperatura más baja en la que se disparará la cerámica es de alrededor de 1000 ° C", dijo Alan. "Y esos suelen ser algunos vidrios cerámicos especiales que están diseñados para funcionar bien con metales".

Para metales como el cobre, la plata y el oro, Lithoz utiliza cerámica co-combustible (LTCC) de baja temperatura. Al igual que la vitrocerámica, los LTCC están diseñados para sinterizarse a 800-1000 °C, que es una temperatura muy baja para la cerámica y está por debajo de la temperatura a la que se funden el cobre, la plata y el oro.

"Si desea usar alúmina y cobre, no funcionará porque la alúmina debe alcanzar los 1600 °C para sinterizarse", dijo Allan. "Pero podríamos, digamos, (imprimir) alúmina y platino juntos o alúmina y molibdeno. Realmente se gustan, funcionan bien juntos".

La impresión con polvo de metal, como se hace con las impresoras de Aconity3D, crea la posibilidad de hacer "cuasi aleaciones", algo que no es posible con los metales formados en lingotes.

"Puede tomar polvo A, digamos cromo, y polvo B, cobre", explicó el director general de Aconity3D, Yves Hagedorn. "Si se mezclan al 50/50, estos materiales no forman una aleación utilizada para crear lingotes. Como resultado, con la fundición convencional es imposible tener en sus manos una pieza hecha mitad de cromo y mitad de cobre. "

Sin embargo, las posibilidades se abren con una combinación de mezcla seca de 50% de cada polvo de cromo y cobre. "Le disparas con un láser y luego obtienes lo que se llama una cuasi aleación", dijo Hagedorn. "Entonces, no es una aleación real, pero obtienes las ventajas y, lamentablemente, las desventajas de ambos materiales".

El enfoque multimaterial de Meltio, con sede en Linares, España, se centra en el uso de alambre de soldadura básico hecho de varios metales (acero inoxidable, titanio, acero al carbono e Inconel) para explotar sus propiedades ventajosas.

"Esto podría ser, por ejemplo, tener un material más resistente al desgaste en áreas que están sujetas a desgaste debido a la fricción u otros factores durante la operación mientras se tiene un material menos costoso y quizás más dúctil para la parte principal", dijo Giorgio Olivieri, Gerente de ingeniería de aplicaciones de Meltio.

La técnica también puede incluir un material resistente a la corrosión en la superficie, mientras que en el interior se utiliza un material común como el acero inoxidable. La estrategia de Meltio maximiza los beneficios económicos mediante el uso de materiales costosos (p. ej., Inconel), superaleaciones y aleaciones a base de níquel solo donde se necesitan. Al mismo tiempo, los materiales difíciles de mecanizar se depositan donde es necesario para reducir el posprocesamiento.

"Hay casos en los que tienes que usar un material mucho más valioso solo por las condiciones en las superficies externas, mientras que este material no ofrece propiedades mecánicas o ventajas en el núcleo", señaló Olivieri. "Así que poder depositar el material justo donde se necesita es un gran ahorro en términos del costo real de la pieza".

Por ejemplo, si Meltio está fabricando un impulsor para una bomba, una capa externa de Inconel le daría resistencia a la corrosión sin tener que fabricar toda la pieza con este costoso material. O, como alternativa al acero inoxidable e Inconel, se puede fabricar una pieza de acero para herramientas con la adición de Stellite, una aleación de cobalto resistente a la corrosión, en áreas sujetas a desgaste.

Igus GmbH, un fabricante y distribuidor de productos técnicos fabricados con plásticos de alto rendimiento con sede en Colonia, ve potencial para los denominados rodamientos inteligentes fabricados con impresión 3D multimaterial.

Los rodamientos redondos están impresos en dos capas. La capa exterior es un plástico autolubricante delgado (0,25-0,3 mm) hecho de una mezcla de polímeros tribológicamente optimizada. Debajo de la cubierta superior hay una capa de plástico conductor de electricidad, mientras que un controlador mide continuamente la resistencia eléctrica de la pieza.

"A lo largo de la vida útil del rodamiento, la resistencia cambia", dijo Tom Krause, jefe del departamento de impresión 3D de igus. "Tan pronto como la superficie (de plástico autolubricante) se desgasta, fluye electricidad de un circuito a través del eje al otro circuito. Y eso es información para nosotros de que el cojinete está roto".

Hay varios tipos de interfaces de usuario disponibles, siendo la más simple una luz LED con lámparas verdes y rojas. "En realidad solo está encendido o apagado", señaló Krause. "Solo hay electricidad que fluye o no. No hay nada en el medio".

Otra opción es usar el controlador i.Sense de igus, que puede mostrar una alerta en el tablero, activar un controlador para apagar la máquina o ambas cosas. Aunque los ingenieros están interesados ​​en esto, "Krause no cree que sepan por dónde empezar" porque es necesario diseñar la pieza y tener una idea de dónde usarla.

Por el contrario, dijo, los ingenieros de igus saben exactamente cómo usar un rodamiento inteligente. La empresa fabrica portacables inteligentes para sus cadenas portacables utilizando el mismo concepto aplicado a sus rodamientos: una capa autolubricante sobre una capa conductora de plástico. A medida que la capa autolubricante se desgasta, la conductividad eléctrica cambia.

La mayor diferencia está en la forma de la pieza. En este caso, es más un bloque rectangular, en lugar de redondeado, con cuatro capas, según Krause.

"Cuando cada capa se quema, obtenemos información sobre si está desgastada o no".

Esto permite el mantenimiento predictivo. Cuando un operador sabe cuánto tiempo se tardó en desgastar la primera capa, puede calcular cuánto tiempo tardará en desgastarse la segunda, tercera y cuarta capa. Debido a que las cadenas portacables están construidas en secciones, cada parte puede equiparse con un portacables inteligente que puede detectar e identificar la ubicación de una falla.

"Si hay una rotura en una sola área, es muy fácil para nosotros repararla o reemplazar esos componentes individuales", dijo Mike Rielly, quien dirige la unidad de negocios AM de igus en Rumford, Rhode Island. "Entonces, si hay alguna rotura debido al estrés o lo que sea, cuando recibimos esa notificación, en lugar de que todo el sistema se caiga, podemos evitar el tiempo de inactividad simplemente reparando rápidamente esa área, esa sección".

Los ingenieros de Igus están jugando con la adición de la capacidad de detección de fuerza a su cojinete inteligente. En este caso, el material interior no solo es conductor, también es elástico. "Y este material conductor elástico se desvía más si hay fuerzas externas", dijo Krause. "Y a través de esta desviación, podemos medir las diferencias en la resistencia nuevamente, de modo que también podamos brindar información antes de que algo se rompa".

Una vez que el sensor alcanza un cierto umbral que indica que surge un problema, los operadores pueden apagar una máquina antes de que se averíe. "Pero esto todavía es realmente muy experimental", dijo Krause. "Aún no tenemos aplicaciones de clientes".

Aconity3D también ve un gran potencial para los sensores, pero sus ideas son sobre detectores integrados o integrales. "Básicamente, juegas con la diferencia en la resistividad eléctrica", dijo Hagedorn.

Describió una pieza hecha de aluminio con una línea de cobre impresa en su interior. La línea de cobre está conectada a dos cables. "Al final, simplemente conecta los cables y ya tendría su sensor implementado en su parte", dijo Hagedorn. "Bajo una carga mecánica, la resistividad de la línea de cobre aumentaría. Y ahora, si experimenta una carga, podría medirla".

Más allá de los sensores, existe el potencial para la impresión 3D de múltiples materiales de la electrónica. Al menos una empresa, Nano Dimension Ltd., Waltham, Mass., está promoviendo la producción industrial de productos electrónicos fabricados aditivamente con su impresora DragonFly.

Una vez que se ha definido la compatibilidad del material, existe un gran potencial para usar cerámica con impresión multimaterial, según Allan. En particular, Lithoz ha trabajado con cerámica graduada funcionalmente.

"Tal vez tengamos dos lechadas diferentes del mismo material, pero una tiene un aditivo de sacrificio que le dará una mayor porosidad", dijo. "Eso te permite adaptar cosas como las propiedades térmicas e incluso acústicas del material de un extremo a otro. Otra cosa común, nuevamente, podría ser más o menos el mismo material, pero con diferentes dopantes agregados para el color".

Los colorantes pueden controlar la opacidad, lo que puede ser necesario en los envases electrónicos. Para restauraciones dentales, como carillas y coronas, los gradientes de color pueden proporcionar una apariencia natural. También se pueden incorporar colores para el diseño o la marca.

La porosidad graduada funcionalmente puede actuar como un guardián de la conducción de calor. De manera similar, puede permitir o impedir que los gases o fluidos fluyan a través de una pieza. "Podríamos querer una sección que sea impermeable y tal vez otra sección de la pieza que actúe como un filtro o una vía para que el fluido o el gas viajen de un lugar a otro", dijo Allan.

La impresión 3D multimaterial también podría actuar como ayuda o sustituto de la soldadura fuerte de componentes cerámicos, o para crear un sello hermético a los gases. "Ahora tal vez sea posible diseñar esa unión de manera diferente, incluso más tridimensional, de modo que tal vez podamos lograr un mejor enclavamiento de la soldadura fuerte en el material porque, por lo general, esas cosas simplemente se colocan en capas y se disparan juntas o se presionan juntas como componentes separados". dijo Allan. "Pero tal vez podamos integrar un poco mejor la soldadura fuerte en la cerámica".

César Terrazas-Najera, presidente de AconityUS Inc., El Paso, Texas, ve potencial para las medidas de seguridad industrial con la impresión 3D multimaterial. "Entonces, una de las ideas es encapsular los códigos QR dentro de la pieza misma, para que no se pueda falsificar", dijo. "Eso es muy poderoso para la industria, porque ahora puedo garantizar que nadie falsificará una pieza enviada a un cliente. El cliente puede escanearla y asegurarse de que esa es la pieza que se pretendía".

Terrazas-Nájera explicó que el código QR se puede imprimir en un metal que contrasta con el material de una pieza como se muestra en una tomografía computarizada. Incluso existe un mayor potencial para imprimir otra información, como instrucciones para fabricar la pieza o detalles para rastrear la pieza, dijo.

Meltio ve la impresión 3D multimaterial como una alternativa al láser o al revestimiento soldado. "Cuando hablamos de revestimiento, generalmente se trata de superficies externas de piezas relativamente simples", dijo Olivieri. "Al construir una pieza capa por capa con materiales duales, nuestro sistema puede depositar el material de 'revestimiento' en áreas a las que nunca podría llegar el revestimiento (tradicional)".

La impresión 3D de múltiples materiales no solo inspira nuevas ideas, sino que también requiere una forma diferente de pensar para los diseñadores e ingenieros, según Paulsen. La forma tradicional de pensar es agregar características a una parte que tiene las mismas propiedades en todo momento, pero ese ya no es necesariamente el caso.

"Lo voltea de cabeza", dijo Paulsen. "Y creo que eso es algo que requerirá una forma diferente de pensar, pero también un software intuitivo. Es posible que tengamos diseñadores e ingenieros de CAD (diseño asistido por computadora) que tengan interés en él, pero es posible que no tengan la capacidad real o fácilmente cree un archivo que pueda beneficiarse mucho de eso".

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