Las lagunas en nuestra comprensión de lo que sucede dentro del metal durante el proceso han hecho que los resultados sean inconsistentes pero, utilizando dos instalaciones diferentes de aceleradores de partículas, investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de EE. UU. Tecnología (NIST), el Real Instituto de Tecnología KTH en Suecia y otras instituciones han observado la estructura interna del acero mientras se fundía y luego solidificaba durante la impresión 3D.
Los resultados, publicados en acta materialia, desbloquee una herramienta computacional para profesionales de la impresión 3D, ofreciéndoles una mayor capacidad para predecir y controlar las características de las piezas impresas, mejorando potencialmente la consistencia y la viabilidad de la tecnología para la fabricación a gran escala.
Un enfoque común para imprimir piezas de metal consiste esencialmente en soldar charcos de metal en polvo con láser, capa por capa, en la forma deseada.
Durante los primeros pasos de la impresión con una aleación de metal, en los que el material se calienta y se enfría rápidamente, sus átomos, que pueden ser una mezcla de diferentes elementos, se empaquetan en formaciones cristalinas ordenadas.
Los cristales determinan las propiedades, como la tenacidad y la resistencia a la corrosión, de la pieza impresa. Pueden surgir diferentes estructuras cristalinas, cada una con sus pros y sus contras.
“Básicamente, si podemos controlar la microestructura durante los pasos iniciales del proceso de impresión, podemos obtener los cristales deseados y, en última instancia, determinar el rendimiento de las piezas fabricadas de forma aditiva”, dijo Fan Zhang, físico del NIST y coautor del estudio.
Si bien el proceso de impresión desperdicia menos material y se puede usar para producir formas más complicadas que los métodos de fabricación tradicionales, los investigadores han tenido dificultades para comprender cómo dirigir el metal hacia tipos particulares de cristales en lugar de otros.
Esta falta de conocimiento ha llevado a resultados menos que deseables, como piezas con formas complejas que se agrietan prematuramente gracias a su estructura cristalina.
“Entre las miles de aleaciones que se fabrican comúnmente, solo unas pocas se pueden fabricar mediante la fabricación aditiva”, dijo Zhang.
Una impresora 3D del tipo de fusión por lecho de polvo láser, en acción. La fusión de lecho de polvo láser agrega capas sucesivas de polvo metálico y luego usa un láser para fundir cada capa en su lugar en la pieza que se está creando.
Parte del desafío para los científicos ha sido que la solidificación durante la impresión 3D de metal ocurre en un abrir y cerrar de ojos.
Para capturar el fenómeno de alta velocidad, los autores del nuevo estudio emplearon potentes rayos X generados por aceleradores de partículas cíclicas, llamados sincrotrones, en la Fuente de fotones avanzada del Laboratorio Nacional de Argonne y la Fuente de luz suiza del Instituto Paul Scherrer.
El equipo buscó aprender cómo las tasas de enfriamiento del metal, que pueden controlarse mediante la potencia del láser y los ajustes de movimiento, influyen en la estructura del cristal. Luego, los investigadores compararían los datos con las predicciones de un modelo computacional ampliamente utilizado desarrollado en los años 80 que describe la solidificación de las aleaciones.
Si bien se confía en el modelo para los procesos de fabricación tradicionales, el jurado se ha pronunciado sobre su aplicabilidad en el contexto único de los rápidos cambios de temperatura de la impresión 3D.
"Los experimentos de sincrotrón consumen mucho tiempo y son costosos, por lo que no puede ejecutarlos para cada condición que le interese. Pero son muy útiles para validar modelos que luego puede usar para simular las condiciones interesantes", dijo Greta, coautora del estudio. Lindwall, profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales en el KTH Royal Institute of Technology.
Dentro de los sincrotrones, los autores establecieron condiciones de fabricación aditiva para el acero para herramientas de trabajo en caliente, un tipo de metal que se utiliza para fabricar, como sugiere el nombre, herramientas que pueden soportar altas temperaturas.
A medida que los láseres licuaban el metal y emergían diferentes cristales, los haces de rayos X examinaban las muestras con suficiente energía y velocidad para producir imágenes del fugaz proceso. Los miembros del equipo requerían dos instalaciones separadas para respaldar las tasas de enfriamiento que querían probar, que iban desde temperaturas de decenas de miles hasta más de un millón de kelvins por segundo.
Los datos que recopilaron los investigadores representaron el tira y afloja entre dos tipos de estructuras cristalinas, la austenita y la ferrita delta, esta última asociada con el agrietamiento de las piezas impresas. A medida que las tasas de enfriamiento superaron los 1.5 millones de Kelvin (2.7 millones de grados Fahrenheit) por segundo, la austenita comenzó a dominar a su rival. Este umbral crítico se alineó con lo que predijo el modelo.
“El modelo y los datos experimentales concuerdan muy bien. Cuando vimos los resultados, nos emocionamos mucho”, dijo Zhang.
El modelo ha sido durante mucho tiempo una herramienta confiable para el diseño de materiales en la fabricación tradicional, y ahora el espacio de impresión 3D puede recibir el mismo apoyo.
Los resultados indican que el modelo puede informar a los científicos e ingenieros sobre qué velocidades de enfriamiento seleccionar para los primeros pasos de solidificación del proceso de impresión. De esa manera, la estructura cristalina óptima aparecería dentro del material deseado, lo que haría que la impresión 3D de metal fuera menos una tirada de dados.
“Si tenemos datos, podemos usarlos para validar los modelos. Así es como se acelera la adopción generalizada de la fabricación aditiva para uso industrial”, dijo Zhang.