Un nuevo método de impresión 3D construye estructuras con dos metales

May 29, 2024

PULLMAN, Washington — Siguiendo el ejemplo de la complejidad estructural de árboles y huesos, los ingenieros de la Universidad Estatal de Washington han creado una forma de imprimir en 3D dos tipos de acero en la misma capa circular utilizando dos máquinas de soldar. El material bimetálico resultante resultó entre un 33% y un 42% más fuerte que cualquiera de los metales por separado, gracias en parte a la presión causada entre los metales cuando se enfrían juntos.

El nuevo método utiliza herramientas comunes y relativamente económicas, por lo que los fabricantes y talleres de reparación podrían utilizarlo en el corto plazo. Con un mayor desarrollo, podría usarse para fabricar implantes médicos de alto rendimiento o incluso piezas para viajes espaciales, dijo Amit Bandyopadhyay, autor principal del estudio publicado en la revista Nature Communications.

"Tiene aplicaciones muy amplias porque cualquier lugar que esté realizando cualquier tipo de soldadura ahora puede ampliar sus conceptos de diseño o encontrar aplicaciones en las que puedan combinar un material muy duro y un material blando casi simultáneamente", dijo Bandyopadhyay, profesor de la Escuela de WSU. Ingeniería Mecánica y de Materiales.

El equipo de investigación tomó prestada la idea de la naturaleza y observó que los árboles y los huesos obtienen su fuerza de la forma en que los anillos en capas de diferentes materiales interactúan entre sí. Para imitar esto con los metales, los investigadores de WSU utilizaron equipos de soldadura que se encuentran comúnmente en talleres de automóviles y maquinaria, integrados dentro de un control numérico por computadora o una máquina CNC. La nueva configuración híbrida crea piezas utilizando programación informática precisa y dos cabezales de soldadura.

En una demostración, los dos cabezales de soldadura trabajaron uno tras otro sobre una capa circular para imprimir dos metales, cada uno con sus ventajas específicas. Se creó un núcleo de acero inoxidable resistente a la corrosión dentro de una carcasa exterior de acero “suave” más barato, como el que se utiliza en puentes o ferrocarriles. Dado que los metales se contraen a diferentes velocidades a medida que se enfrían, se creó una presión interna que esencialmente une los metales. Las pruebas realizadas sobre el resultado mostraron una mayor resistencia que la que tienen el acero inoxidable o el acero dulce por sí solos.

Actualmente, la impresión 3D con múltiples metales en una configuración de soldadura requiere detener y cambiar los cables metálicos. El nuevo método elimina esa pausa y coloca dos o más metales en la misma capa mientras los metales aún están calientes.

“Este método deposita los metales en un círculo en lugar de simplemente en una línea. Al hacerlo, se aleja fundamentalmente de lo que ha sido posible”, dijo Lile Squires, estudiante de doctorado en ingeniería mecánica de WSU y primer autor del estudio. "Ir en círculo esencialmente permite que un material se abrace al otro, lo que no puede suceder cuando se imprime en línea recta o en capas intercaladas".

La capacidad de fortalecer las piezas metálicas impresas en 3D capa por capa podría brindar a los talleres automotrices nuevas opciones pronto con la capacidad de crear rápidamente piezas de acero resistentes y personalizadas. Se podrían desarrollar, por ejemplo, semiejes bimetálicos resistentes al par o rotores de freno económicos y de alto rendimiento.

En el futuro, los investigadores ven potencial para procesos de fabricación médicos que impriman reemplazos de articulaciones con titanio duradero en el exterior y un material interior como acero magnético con propiedades curativas. Del mismo modo, las estructuras en el espacio podrían tener un material resistente a altas temperaturas que rodee el material interior con propiedades de enfriamiento para ayudar a la estructura a mantener una temperatura constante.

"Este concepto hace que ambos soldadores impriman, por lo que podemos usar múltiples materiales en la misma capa, creando ventajas a medida que se combinan", dijo Bandyopadhyay. “Y no tiene por qué limitarse a sólo dos materiales. Se puede ampliar”. Los investigadores y WSU han presentado una solicitud de patente provisional para este desarrollo. Además de Bandyopadhyay y Squires, el equipo de investigación incluye al segundo autor, Ethan Roberts, estudiante universitario de ingeniería mecánica de WSU. Esta investigación recibió el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias.