La fabricación aditiva, o impresión 3D, utiliza procesos de fabricación digital para fabricar componentes ligeros, resistentes y que no requieren herramientas especiales para su producción. Durante la última década, el campo ha experimentado un crecimiento asombroso, a un ritmo de más de20% al año, imprimiendo piezas que van desde componentes de aviones y piezas de automóviles hasta implantes médicos y dentales de metales y polímeros de ingeniería. Uno de los procesos de fabricación más utilizados, la sinterización selectiva por láser SLS, imprime piezas en escala micrométricapolvos de material utilizando un láser: el láser calienta las partículas hasta el punto en que se fusionan para formar una masa sólida.
"La fabricación aditiva es clave para la resiliencia económica", dicen Hod Lipson, profesor de Innovación James y Sally Scapa Ingeniería Mecánica. "A todos nos preocupa esta tecnología, nos va a salvar. Pero hay una trampa".
El problema es que las tecnologías SLS se han limitado a imprimir con un solo material a la vez: toda la pieza debe estar hecha de ese único polvo. "Ahora, permítame preguntarle", continúa Lipson, "cuántos productosestán hechos de un solo material? Las limitaciones de la impresión en un solo material han estado atormentando a la industria y bloqueando su expansión, impidiendo que alcance su máximo potencial ".
Preguntándose cómo resolver este desafío, Lipson y su estudiante de doctorado John Whitehead utilizaron su experiencia en robótica para desarrollar un nuevo enfoque para superar estas limitaciones de SLS. Al invertir el láser para que apunte hacia arriba, inventaron una forma de permitir que SLSusan, al mismo tiempo, múltiples materiales. Su prototipo de trabajo, junto con una muestra de impresión que contenía dos materiales diferentes en la misma capa, fue publicado recientemente en línea por Fabricación aditiva como parte de su edición de diciembre de 2020.
"Nuestros resultados iniciales son emocionantes", dice Whitehead, el autor principal del estudio, "porque apuntan a un futuro en el que cualquier pieza se puede fabricar con solo presionar un botón, donde objetos que van desde herramientas simples hasta sistemas más complejos como robotsse puede quitar de una impresora completamente formada, sin necesidad de montaje. "
La sinterización selectiva por láser tradicionalmente ha implicado la fusión de partículas de material con un láser que apunta hacia abajo en una cama de impresión calentada. Se construye un objeto sólido de abajo hacia arriba, con la impresora colocando una capa uniforme de polvo y usando el láser para fusionar selectivamentealgo de material en la capa. Luego, la impresora deposita una segunda capa de polvo en la primera capa, el láser fusiona material nuevo con el material de la capa anterior y el proceso se repite una y otra vez hasta que se completa la pieza.
Este proceso funciona bien si solo se usa un material en el proceso de impresión. Pero usar varios materiales en una sola impresión ha sido un gran desafío, porque una vez que la capa de polvo se deposita en la cama, no se puede quitar ni reemplazar conun polvo diferente.
"Además", agrega Whitehead, "en una impresora estándar, debido a que cada una de las capas sucesivas colocadas hacia abajo son homogéneas, el material no fusionado oscurece la vista del objeto que se está imprimiendo, hasta que quita la parte terminada al final del ciclo. Piense en la excavación y en cómo no puede estar seguro de que el fósil está intacto hasta que lo elimine por completo de la tierra circundante. Esto significa que no se encontrará necesariamente una falla en la impresión hasta que se complete la impresión, lo que es una pérdida de tiempo y dinero ".
Los investigadores decidieron encontrar una manera de eliminar por completo la necesidad de un lecho de polvo. Instalaron varias placas de vidrio transparente, cada una recubierta con una capa delgada de un polvo plástico diferente. Bajaron una plataforma de impresión sobre la superficie superior de unade los polvos, y dirigió un rayo láser hacia arriba desde debajo de la placa y a través de la parte inferior de la placa. Este proceso sinteriza selectivamente un poco de polvo en la plataforma de impresión en un patrón preprogramado de acuerdo con un plano virtual. A continuación, la plataforma se eleva con elmaterial y se traslada a otra placa, recubierta con un polvo diferente, donde se repite el proceso. Esto permite incorporar múltiples materiales en una sola capa o apilar. Mientras tanto, la placa vieja y gastada se repone.
En el documento, el equipo demostró su prototipo de trabajo al generar una muestra de 50 capas de espesor, 2,18 mm de polvo de poliuretano termoplástico TPU con una altura de capa promedio de 43,6 micrones y una impresión de nailon y TPU de múltiples materiales con un promedioaltura de capa de 71 micrones. Estas piezas demostraron tanto la viabilidad del proceso como la capacidad de fabricar materiales más fuertes y densos presionando la placa con fuerza contra la parte colgante mientras se sinteriza.
"Esta tecnología tiene el potencial de imprimir circuitos integrados, componentes electromecánicos e incluso componentes de robots. Podría fabricar piezas de máquinas con aleaciones graduadas, cuya composición de material cambia gradualmente de un extremo a otro, como una pala de turbina con un material utilizado parael núcleo y el material diferente utilizado para los recubrimientos de superficie ", señala Lipson." Creemos que esto expandirá la sinterización láser hacia una variedad más amplia de industrias al permitir la fabricación de piezas complejas de múltiples materiales sin ensamblaje. En otras palabras, esto podría ser clavepara que la industria de fabricación aditiva pase de imprimir solo piezas uniformes pasivas a imprimir sistemas integrados activos ".
Los investigadores ahora están experimentando con resinas y polvos metálicos para generar directamente piezas con una gama más amplia de propiedades mecánicas, eléctricas y químicas de lo que es posible con los sistemas SLS convencionales en la actualidad.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Columbia . Original escrito por Holly Evarts. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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