Un equipo de ingenieros de la Northwestern University ha creado una nueva forma de imprimir objetos metálicos tridimensionales utilizando óxido y polvos metálicos.
Si bien los métodos actuales dependen de vastos lechos de polvo de metal y costosos láseres o haces de electrones, la nueva técnica de Northwestern utiliza tintas líquidas y hornos comunes, lo que resulta en un proceso más barato, más rápido y más uniforme. El equipo de Northwestern también demostró que el nuevo método funcionapara una amplia variedad de metales, mezclas de metales, aleaciones y óxidos y compuestos metálicos.
"Esto es emocionante porque los métodos de fabricación más avanzados que se utilizan para la impresión metálica son limitados en cuanto a qué metales y aleaciones se pueden imprimir y qué tipos de arquitectura se pueden crear", dijo Ramille Shah, profesora asistente de ciencia e ingeniería de materiales enLa Escuela de Ingeniería McCormick de Northwestern y de cirugía en la Facultad de Medicina Feinberg, que dirigió el estudio: "Nuestro método expande enormemente las arquitecturas y los metales que podemos imprimir, lo que realmente abre la puerta para muchas aplicaciones diferentes".
Los métodos convencionales para la impresión en 3D de estructuras metálicas requieren mucho tiempo y dinero. El proceso requiere una fuente de energía muy intensa, como un láser enfocado o un haz de electrones, que se mueve a través de un lecho de polvo metálico, definiendo la arquitectura de un objeto enuna sola capa fusionando las partículas de polvo juntas. Se coloca un nuevo polvo en la parte superior de la capa anterior, y estos pasos se repiten para crear un objeto 3-D. Cualquier polvo no fusionado se elimina posteriormente, lo que impide ciertas arquitecturas, como las que estánhueco y cerrado, desde su creación. Este método también está significativamente limitado por los tipos de metales y aleaciones compatibles que se pueden usar.
El nuevo método de Northwestern Engineering omitió por completo el enfoque del lecho de polvo y el haz de energía, además de desacoplar el proceso de dos pasos de imprimir la estructura y fusionar sus capas. Al crear una tinta líquida hecha de metal o polvos metálicos mixtos, solventes y unaglutinante de elastómero, Shah pudo imprimir rápidamente estructuras de polvo densamente empaquetadas utilizando un simple proceso de extrusión de jeringa, en el que la tinta se dispensa a través de una boquilla, a temperatura ambiente.
A pesar de comenzar con una tinta líquida, el material extruido se solidifica instantáneamente y se fusiona con material previamente extruido, lo que permite crear rápidamente objetos muy grandes y manipularlos inmediatamente. Luego, con el colaborador David Dunand, el profesor James N. y Margie M. KrebsEn Ciencia e Ingeniería de Materiales, el equipo fusionó los polvos calentando las estructuras en un horno simple en un proceso llamado sinterización, donde los polvos se fusionan sin derretirse.
"Al desacoplar la impresión y la sinterización, parece que hemos complicado el proceso", dijo Dunand. "Pero, de hecho, nos ha liberado ya que cada paso es mucho más fácil por separado que el enfoque combinado".
La investigación se describe en un artículo publicado el mes pasado en la revista Materiales funcionales avanzados . Adam Jakus, un becario postdoctoral en el laboratorio de Shah que recibió el apoyo de una beca del Departamento de Defensa, y Shannon L. Taylor, un estudiante graduado co-asesorado por Shah y Dunand que recibe el apoyo de una beca de posgrado de la National Science Foundation, sirvieroncomo primeros autores. El estudiante universitario Nicholas R. Geisendorfer también fue coautor del artículo.
El equipo imagina que muchas disciplinas podrían beneficiarse de metales personalizados e impresos rápidamente. El nuevo método podría usarse para imprimir baterías, pilas de combustible de óxido sólido, implantes médicos y piezas mecánicas para estructuras más grandes, como cohetes y aviones.también podría usarse para la fabricación en el sitio que evita la cadena de suministro a veces lenta.
Las tintas tridimensionales únicas de los investigadores y el proceso abren puertas para arquitecturas más sofisticadas y uniformes que son más rápidas de crear y más fáciles de escalar. Después de que el objeto se imprime pero antes de que se densifique por calentamiento, la estructura, llamada "cuerpo verde ", es flexible debido al aglutinante de polímero elástico que contiene polvos metálicos no unidos.
"Usamos un polímero biomédico que se usa comúnmente en productos clínicos, como suturas", explicó Shah. "Cuando lo usamos como aglutinante, crea cuerpos verdes que son muy robustos a pesar de que todavía comprenden una mayoríade polvo con muy poco aglutinante. Son plegables, flexibles y pueden tener cientos de capas de espesor sin desmoronarse. Otros aglutinantes no otorgan esas propiedades a los objetos impresos en 3D resultantes. Los nuestros pueden manipularse antes de ser disparados. Permitenosotros para crear muchas arquitecturas diferentes que realmente no se han visto en la impresión 3-D de metal ".
Calentar los cuerpos verdes completados en un horno donde todas las partes de la estructura se densifican simultáneamente también conduce a estructuras más uniformes. En los métodos tradicionales que escanean lechos de polvo con un láser, el calor se localiza. A medida que el polvo se agrega capa por capa,Se aplica más calor, lo que puede crear tensiones de calentamiento y enfriamiento localizadas, lo que conduce a microestructuras indeseables y, en última instancia, a propiedades subóptimas. Sin embargo, el uso de un horno garantiza una temperatura uniforme, lo que da como resultado estructuras que se sinterizan uniformemente sin deformarse ni agrietarse.
"Para mí, como metalúrgico, estoy sorprendido de que la estructura no se deforme ni se rompa, a pesar de encogerse mucho durante la densificación", dijo Dunand. "Eso no es algo que veo a menudo".
En lugar de que un láser trabaje lentamente a través de un lecho de polvo grande, el método de Shah y Dunand puede usar muchas boquillas de extrusión al mismo tiempo. Su método puede imprimir rápidamente en 3-D hojas completas que tienen metros de ancho y se pueden plegar en grandesestructuras. La única limitación es el tamaño del horno.
Otro componente innovador de su proceso es que puede usarse para imprimir óxidos metálicos, como el óxido de hierro óxido, que luego puede reducirse a metal. El polvo de óxido es más liviano, más estable, más barato y más seguro de manejar quepolvos de hierro puro. El equipo de Shah y Dunand descubrió que primero podían imprimir estructuras tridimensionales con óxido y otros óxidos metálicos y luego usar hidrógeno para convertir los cuerpos verdes en el metal respectivo antes de sinterizar en el horno.
"Podría parecer que estamos complicando innecesariamente las cosas al agregar un tercer paso de reducción donde convertimos el óxido en hierro", dijo Dunand. "Pero esto abre posibilidades para usar polvos de óxido muy baratos en lugar de los correspondientes polvos metálicos caros. Es difícilpara encontrar algo más barato que el óxido "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad del Noroeste . Original escrito por Amanda Morris. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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