Ingenieros especializados en impresion 3D logran imprimir aluminio de alta resistencia

Los Laboratorios HRL han hecho un gran avance en la metalurgia al anunciar que los investigadores de esta famosa planta han desarrollado una técnica para la impresión en 3D de aleaciones de aluminio de alta resistencia, incluyendo Al7075 y Al6061. Estas aleaciones son muy deseables para las piezas de aviones y automóviles y se encuentran entre las miles que no eran adecuadas para la fabricación de aditivos – la impresión en 3D – un desafío resuelto por los investigadores de HRL. Una ventaja añadida es que su método puede aplicarse a otras familias de aleaciones, como los aceros de alta resistencia y las superaleaciones a base de níquel, que actualmente son difíciles de procesar en la fabricación de aditivos.

«Estamos usando una teoría de nucleación de 70 años de antigüedad para resolver un problema de 100 años con una máquina del siglo XXI», dijo Hunter Martin, quien codirigió el equipo con Brennan Yahata. Ambos son ingenieros del Laboratorio de Sensores y Materiales de HRL y estudiantes de doctorado en la Universidad de California, Santa Bárbara, donde estudian con el coautor, el Profesor Tresa Pollock. Su impresión 3D en papel de aleaciones de aluminio de alta resistencia se publicó en el número del 21 de septiembre de 2017 de Nature.

La fabricación de metales aditivos suele comenzar con polvos de aleación aplicados en capas finas y calentados con un láser u otra fuente de calor directo para fundir y solidificar las capas. Normalmente, si se utilizan aleaciones de aluminio no soldables de alta resistencia como el Al7075 o el AL6061, las piezas resultantes se someten a un severo agrietamiento en caliente, condición que permite que una pieza metálica como una galleta laminada se separe.

La técnica de funcionalización de nanopartículas de HRL resuelve este problema decorando polvos de aleación no soldables de alta resistencia con nanopartículas especialmente seleccionadas. El polvo funcionalizado de nanopartículas se introduce en una impresora 3D, que recubre el polvo y fusiona cada capa con un láser para construir un objeto tridimensional. Durante la fusión y la solidificación, las nanopartículas actúan como sitios de nucleación para la microestructura de la aleación deseada, previniendo el agrietamiento en caliente y permitiendo la retención de la fuerza total de la aleación en la pieza fabricada.

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Dado que la fusión y la solidificación en la fabricación de aditivos es similar a la soldadura, la funcionalización de las nanopartículas de HRL también puede utilizarse para hacer soldables las aleaciones no soldables. Esta técnica también es escalable y utiliza materiales de bajo costo. Los polvos y nanopartículas de aleación convencionales producen materias primas para impresoras con nanopartículas uniformemente distribuidas en la superficie de los granos de polvo.

«Nuestro primer objetivo era averiguar cómo eliminar completamente el craqueo en caliente. Buscamos controlar la microestructura y la solución debe ser algo que ocurra naturalmente con la fuerza de este material», dijo Martin.

Para encontrar las nanopartículas correctas, en este caso nanopartículas basadas en circonio, el equipo de HRL se dirigió a Citrine Informatics para ayudarles a clasificar entre la miríada de posibles partículas para encontrar la que tiene las propiedades necesarias.

«Usar las computadoras fue la clave», dijo Yahata. «Anteriormente, la metalurgia consistía en cultivar la tabla periódica de elementos de aleación y probarlos principalmente a través de ensayo y error. El propósito de usar software de computación fue tomar un enfoque selectivo de la teoría de la nucleación. Una vez que les dijimos qué buscar, su análisis de datos voluminosos redujo el campo de materiales disponibles de cientos de miles a un pequeño número. Pasamos de un pajar a un puñado de posibles agujas.

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Amelia Santos

Investigador asociado: temas biocombustibles, nanomateriales, Olimpiadas Nacionales de Química.