Impresión 3D: Nueva técnica para unir metales “no soldables”

“Cuando intentamos ensamblar diferentes materiales dentro de formas complejas utilizando la impresión 3D láser, se desarrollan altos niveles de estrés en las regiones de la interfaz, junto con nuevas fases que pueden ser quebradizas”, explica el profesor Roland Logé, director técnico del proyecto. “Cuando los niveles de estrés son demasiado altos, o las nuevas fases son demasiado quebradizas, los materiales se consideran ‘no soldables’. El proceso de impresión entonces conduce a grietas y falla.”

La Fusión por Lecho de Polvo Láser (LPBF) – un método de vanguardia para fabricar piezas metálicas complejas – funciona utilizando un láser para fundir selectivamente capas delgadas de polvo metálico. Los intentos de extender esto a la impresión multi-material han implicado típicamente la actualización de sistemas para depositar múltiples polvos o la instalación de sistemas multi-láser para fundir diferentes materiales en una sola capa. Sin embargo, mezclar diferentes polvos a menudo resulta en malas propiedades de la interfaz, con grandes zonas de intermezcla que crean poros y grietas.

Una solución híbrida

El proyecto ‘Impresión 3D de multi-materiales combinando polvos metálicos con láminas, y utilizando el modelado del haz‘ investigó un enfoque diferente: combinar polvos metálicos con láminas metálicas en lugar de mezclar polvos. El equipo se centró en combinaciones de tres aleaciones – acero inoxidable 316L, Ti-6Al-4V y Al-12Si – depositando, cortando y soldando láminas metálicas delgadas sobre sustratos hechos de polvos consolidados por LPBF u otras láminas soldadas.

“La financiación de la ESA nos ayudó a demostrar una nueva forma de ensamblar materiales metálicos ‘no soldables’, combinando polvos con láminas”, dice Logé. “Al hacerlo, restringimos el volumen sobre el cual se forman fases quebradizas y reducimos la magnitud de los esfuerzos. Esto reduce significativamente el riesgo de agrietamiento.”

El proyecto se basó en trabajos previos apoyados por la ESA sobre el modelado del haz láser del programa Fabricación y Construcción Fuera de la Tierra. Esta capacidad de modelado del haz permite un control preciso del calentamiento durante el proceso de impresión. Al combinar láminas con polvos, el enfoque híbrido crea interfaces más limpias entre los materiales, con la capacidad de producir límites nítidos o transiciones graduales en la composición.

Logrando interfaces libres de grietas

Los resultados demostraron mejoras significativas en comparación con los métodos tradicionales de mezcla de polvos. El enfoque híbrido de fabricación aditiva multi-material redujo con éxito la formación de compuestos intermetálicos y logró interfaces libres de grietas entre Ti-6Al-4V y Al-12Si. Las diferencias significativas en las propiedades de estos dos materiales los convierten en una combinación particularmente desafiante con una tendencia a formar compuestos quebradizos.

Sin embargo, los estudios de escalabilidad revelaron desafíos importantes. A medida que aumenta el área impresa, asegurar un buen contacto entre la lámina y el sustrato se vuelve cada vez más difícil, mientras que los esfuerzos residuales se acumulan a medida que aumenta la altura de la construcción, promoviendo la formación de ampollas y la delaminación.

“Esta tecnología aborda el importante campo de la fabricación aditiva multi-material y trata de resolver algunos de los desafíos inherentes”, dice Martina Meisnar, ingeniera de materiales y procesos y líder de la ESA para el proyecto. “El nuevo método de impresión con láminas tiene el potencial de mejorar las microestructuras locales, lo que lleva a mejores propiedades mecánicas en las interfaces. Se espera que las mejoras en las rutas de enfriamiento y las tecnologías de modelado del haz conduzcan a ventajas significativas.”

Del concepto a la aplicación

El trabajo establece la viabilidad del método de fabricación híbrido al tiempo que destaca la necesidad de un mejor control térmico y modelado de procesos para permitir una fabricación multi-material a gran escala confiable.

El trabajo futuro se centrará en expandir la base de datos experimental necesaria para desarrollar un gemelo digital confiable del proceso híbrido de polvo-lámina, combinando investigaciones experimentales con análisis de cámara térmica. Dado que las condiciones de procesamiento dependen en gran medida de la geometría y las vías de disipación de calor, se llevará a cabo un conjunto completo de experimentos para permitir predicciones numéricas precisas.

Las aplicaciones potenciales son amplias. “Las aplicaciones comerciales podrían incluir la fabricación de componentes multifuncionales, en los que un material se utiliza típicamente por su resistencia, mientras que otros materiales se añaden por su conductividad térmica/eléctrica o resistencia a la corrosión”, señala Logé. “Estas combinaciones de propiedades son muy frecuentes en los sectores aeroespacial, biomédico y energético.”

“Esta actividad se llevó a cabo bajo el programa Discovery de la ESA, que está diseñado para facilitar los estudios de prueba de concepto para tecnologías nuevas e innovadoras”, explica Meisnar. “El equipo liderado por EPFL implementó un nuevo enfoque para la impresión 3D, donde se utilizaron láminas metálicas para evitar algunas de las desventajas de los métodos más tradicionales. La fabricación avanzada es una tecnología habilitadora clave para la ESA y la industria espacial, ya que permite la optimización de la fabricación de piezas de naves espaciales.”

El proyecto se originó como una idea presentada a través de la Plataforma de Innovación Espacial Abierta de la ESA, que busca conceptos nuevos y prometedores para la investigación espacial, y fue financiado como un proyecto de investigación co-patrocinado por el elemento Discovery de las Actividades Básicas de la ESA.