INVESTIGACIÓN Y DISEÑO


Impresión 3D de múltiples materiales gracias al láser

27/08/2020

CATEGORíA: Nuevos avances MARCA: Universidad de Columbia



Investigadores de la Universidad de Columbia inventan una nueva técnica que podría transformar los procesos de fabricación aditiva, permitiendo potencialmente la impresión de placas de circuitos, componentes electromecánicos y quizás incluso robots.


La fabricación aditiva, o la impresión 3D, utiliza procesos de fabricación digital para fabricar componentes que sean ligeros, resistentes y que no requieran herramientas especiales para producir. Durante la última década, el campo ha experimentado un crecimiento asombroso, a una tasa de más del 20% por 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 partes de polvos de material a escala de micras utilizando un láser: el láser calienta las partículas hasta el punto donde se fusionan para formar una masa sólida.

 

"La fabricación aditiva es clave para la capacidad de recuperación económica", dicen Hod Lipson, James y Sally Scapa, Profesor de Innovación. “A todos nos importa 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 parte debe estar hecha de ese único polvo. “Ahora, déjame preguntarte”, continúa Lipson, “¿cuántos productos están hechos de un solo material? Las limitaciones de imprimir en un solo material han estado atormentando a la industria y bloqueando su expansión, evitando que alcance su máximo potencial ”.

 

Al preguntarse 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 SLS use, al mismo tiempo, múltiples materiales. Su prototipo funcional, junto con una muestra impresa que contenía dos materiales diferentes en la misma capa, fue publicado recientemente en línea por Additive Manufacturing en diciembre de 2020.

 

"Nuestros resultados iniciales son emocionantes", dice Whitehead, autor principal del estudio, "porque insinúan un futuro en el que cualquier parte se puede fabricar con solo presionar un botón, donde se pueden encontrar objetos que van desde herramientas simples hasta sistemas más complejos como robots". retirado de una impresora completamente formada, sin necesidad de ensamblaje".

 

La sinterización selectiva por láser tradicionalmente ha implicado la fusión de partículas de material utilizando 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 selectivamente algún material en la capa. Luego, la impresora deposita una segunda capa de polvo sobre 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 utiliza un material en el proceso de impresión. Pero el uso de múltiples materiales en una sola impresión ha sido muy desafiante, porque una vez que la capa de polvo se deposita en la cama, no se puede quitar ni reemplazar por un 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 su vista del objeto que se está imprimiendo, hasta que retire la parte terminada al final del ciclo. Piensa en la excavación y en cómo no puedes estar seguro de que el fósil esté intacto hasta que lo elimines por completo de la tierra circundante. Esto significa que una falla de impresión no se encontrará necesariamente hasta que se complete la impresión, lo que desperdicia tiempo y dinero".

 

Los investigadores decidieron encontrar una manera de eliminar por completo la necesidad de un lecho de polvo. Instalaron múltiples 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 uno de los polvos y dirigieron un rayo láser desde debajo de la placa y a través del fondo de la placa. Este proceso sinteriza selectivamente algo de polvo en la plataforma de impresión en un patrón preprogramado de acuerdo con un plan virtual. La plataforma se eleva con el material fundido y se mueve a otra placa, recubierta con un polvo diferente, donde se repite el proceso. Esto permite que múltiples materiales se incorporen en una sola capa o se apilen. Mientras tanto, la placa vieja y usada 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 micras y una impresión de nylon y TPU multimaterial con una altura de capa promedio de 71 micras. Estas partes 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 extremo a extremo, como una pala de turbina con un material utilizado para el núcleo y diferentes materiales utilizados 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 clave para que la industria de fabricación aditiva pase de imprimir solo piezas uniformes pasivas a imprimir sistemas integrados activos ".

 

Los investigadores ahora están experimentando con polvos metálicos y resinas 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: www.engineering.columbia.edu

 

 

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