Cerámica impresa en 3D

Jan 14, 2024

A medida que las tecnologías de fabricación aditiva se adoptan cada vez más para una variedad de aplicaciones en muchas industrias, gran parte del enfoque se dirige a la impresión 3D de materiales metálicos o poliméricos. Sin embargo, la impresión 3D de cerámica está madurando y alcanzando un punto de inflexión a medida que los ingenieros recurren cada vez más a las propiedades de rendimiento superior de los materiales cerámicos técnicos.

Los procesos tradicionales de moldeo de cerámica requieren herramientas costosas con largos plazos de entrega. El proceso también es ineficiente ya que el desmoldeo se vuelve cada vez más complicado debido a las formas complejas de los componentes modernos. La libertad de diseño de la fabricación aditiva crea nuevas formas optimizadas en estos materiales tradicionalmente difíciles de procesar que están optimizados para peso o moldeados para fines de rendimiento especiales, como desviar o absorber energía.

A medida que la impresión 3D permite a los diseñadores aumentar la complejidad de la geometría de las piezas, las nuevas posibilidades de materiales están dando lugar a verdaderos avances en las aplicaciones.

Utilizada en la construcción durante siglos, la cerámica se ha convertido en materiales de fabricación de última generación. La arena de sílice, por ejemplo, es una cerámica utilizada en la fundición de metales. Las fundiciones construyen regularmente herramientas a partir del material y han adoptado la impresión 3D en arena en las últimas décadas para producir en masa diseños cada vez más complejos con plazos de entrega más rápidos, todo sin apartarse de su flujo de trabajo de fundición para producir piezas metálicas de uso final.

Hoy en día, una gama de materiales cerámicos técnicos con óxidos, carburos o nitruros unidos a ellos se utilizan para aplicaciones con exigencias medioambientales y de rendimiento superiores a las que pueden satisfacer otros materiales. Las cerámicas técnicas como el carburo de silicio (SiC), la alúmina y la zirconia son codiciadas para su uso en las aplicaciones más extremas y en los entornos más hostiles por sus propiedades como biocompatibilidad, alta dureza, estabilidad a temperaturas ultra altas o resistencia a las reacciones químicas.

El chorro de aglomerante tiene ventajas inherentes en la conformación de estas cerámicas en geometrías complejas de alta resolución imposibles de construir con tecnologías tradicionales. La velocidad de impresión, el tamaño de impresión y la flexibilidad del material permiten procesar la más amplia gama de materiales a las velocidades más rápidas. Es una tecnología altamente investigada y ampliamente identificada como el mejor proceso para fabricar SiC, incluso entre otras tecnologías aditivas, porque el polvo oscuro no cura con UV y el alto punto de fusión elimina los procesos basados ​​en láser. La producción de piezas con una forma casi neta también reduce los difíciles y costosos pasos de mecanizado y pulido posteriores al procesamiento. Las piezas verdes porosas se pueden sinterizar, impregnar o infiltrar para lograr propiedades de materiales versátiles específicas para la aplicación.

El nuevo paradigma de diseño de la fabricación aditiva, combinado con los materiales cerámicos técnicos más avanzados, sitúa la inyección de aglutinante a la vanguardia del desarrollo de aplicaciones.

Los colimadores son componentes utilizados en la generación de imágenes de neutrones que permiten a los investigadores mapear las propiedades de un material mediante la absorción de neutrones perdidos. Mejoran la resolución y reducen las señales de fondo en los experimentos para capturar datos hasta un nivel atómico.

El carburo de boro (B4C) es una cerámica técnica con propiedades fuertes pero livianas, así como características de absorción de energía que son particularmente útiles en instrumentos de dispersión de neutrones. Las limitaciones de fabricación del pasado producían colimadores a partir de cuchillas recubiertas con material altamente absorbente, como carburo de boro enriquecido (10B4C), en arreglos que inherentemente colimaban en una sola dimensión. Las formas restringidas de estos diseños tradicionales limitaron el tipo de investigación que se podía hacer con ellos.

Los investigadores de JJ X-Ray, un fabricante danés de soluciones para experimentos de rayos X, radiación de sincrotrón y dispersión de neutrones, utilizaron la libertad de diseño de la impresión 3D para desarrollar componentes más complejos para la colimación 2D. Los sistemas de inyección de aglomerante Desktop Metal X-Series imprimieron cubos en 3D a partir de polvo 10B4C. Los prototipos de colimador de 20 mm3 cuentan con canales de paredes rectas de 5 × 5 mm que no podrían producirse con ninguna otra tecnología.

El equipo de JJ X-Ray espera que los diseños avanzados que se pueden lograr con los colimadores impresos en 3D abran nuevas oportunidades de investigación a medida que cambia el paradigma de los experimentos futuros. El equipo continúa superando las limitaciones de diseño con estructuras curvas, piezas de paredes delgadas y canales estrechos y cónicos.

Las fuentes de energía renovable, como la solar y la eólica, seguirán creciendo, pero la sabiduría convencional en los círculos energéticos identifica la energía nuclear como una de las fuentes de energía de base más confiables, portátiles y ecológicas para respaldar una red de energía moderna integral. La percepción negativa de accidentes de alto perfil como Three Mile Island y Fukushima resalta la tecnología nuclear obsoleta cuando los materiales avanzados y sus métodos de fabricación no estaban disponibles.

Organizaciones como Ultra Safe Nuclear Corporation (USNC) utilizan la fabricación avanzada para hacer realidad la energía nuclear segura, controlada y confiable. La impresión 3D por inyección de aglomerante juega un papel fundamental en el diseño innovador del combustible de USNC. Este diseño permite a la empresa controlar la fisión nuclear y prevenir accidentes por completo.

USNC combina diseños de sistemas de reactores micromodulares (MMR) seguros con un sistema de combustible avanzado. La clave de su enfoque es el combustible completamente microencapsulado de cerámica (FCM) fabricado con tecnología de inyección de aglomerante Desktop Metal que puede imprimir en 3D carburo de silicio (SiC).

SiC es un material cerámico técnico con una estabilidad ambiental extrema. Las condiciones dentro de un reactor nuclear son algunas de las más duras de toda la industria, pero el SiC no se contrae ni se hincha excesivamente como una matriz grafítica tradicional. También es resistente a la oxidación y la corrosión, ofreciendo estabilidad en las exigentes condiciones del núcleo de un reactor nuclear.

Sin embargo, el SiC es engorroso de fabricar en piezas complejas. Durante décadas, a pesar del deseo de la industria de trabajar con el material, no había ningún proceso de fabricación viable para transformar el SiC de grado nuclear, cristalino y altamente puro en las formas necesarias para las aplicaciones nucleares. Hoy en día, las máquinas Desktop Metal X-Series imprimen en 3D polvo de SiC en geometrías únicas que pueden rodear de manera segura el combustible nuclear moderno.

La tecnología de chorro de aglutinante inyecta un aglutinante en un lecho de partículas de polvo como metal, arena o cerámica para crear una pieza sólida, una capa delgada a la vez. Es importante destacar que para la impresión 3D de SiC, todo el proceso se lleva a cabo a bajas temperaturas.

"Había una gran cantidad de métodos de fabricación aditiva, pero una gran parte de ellos se basan en un proceso de alta temperatura durante la deposición", dijo el Dr. Kurt A. Terrani, vicepresidente ejecutivo de la División Principal de USNC. El líder en tecnología reconocido internacionalmente explicó: "Con los metales, están derritiendo las partículas para conectarlas, pero no se puede hacer eso con el alto punto de fusión del carburo de silicio. La tecnología Binder Jet es única porque realmente se basa en las características físicas del polvo, y es esencialmente agnóstico a la estructura química y de fase del material. Entonces, podemos seleccionar polvo de materia prima de carburo altamente cristalino y altamente puro, polvo de grado nuclear, y luego formar estas geometrías realmente complejas, y eso simplemente no era anteriormente posible".

Al combinar el chorro de aglutinante con la infiltración de vapor químico para llenar la estructura porosa de SiC con carburo de silicio cristalino de mayor pureza, USNC crea formas complejas casi netas sin necesidad de sinterizar, aplicar presión o introducir fases secundarias. En comparación con la forma tradicional de procesar la cerámica técnica, incluidos los mezcladores para crear lechadas, los moldeadores por inyección y los hornos, Terrani dijo que la impresión 3D por chorro de aglomerante es una solución elegante y un "proceso rentable y confiable".

La capacidad de crear diseños únicos en masa con la impresión 3D también permite que USNC agregue una capa adicional de garantía de calidad a su misión de energía nuclear segura y responsable. "Imprimimos una identificación en estas partes, por lo que desde el momento del nacimiento rastreamos el ADN de fabricación de los reactores a lo largo de la producción, la vida útil operativa y hasta su descarga", dijo Terrani. "La inyección de aglutinante nos permite crear un nuevo paradigma de energía nuclear segura, confiable y libre de carbono para uso de la industria y las comunidades remotas".

Este enfoque que aprovecha los avances en la fabricación avanzada crea un diseño para un reactor pasivamente seguro que transforma una tecnología de hace décadas para ofrecer reactores nucleares más seguros y eficientes en el siglo XXI.

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