HRL Laboratories desarrolla un nuevo método de fractura por impresión 3D

Jul 03, 2023

Investigadores de HRL Laboratories, un centro de investigación propiedad de General Motors y Boeing, han desarrollado un método novedoso para imprimir piezas en 3D utilizando compuestos de matriz cerámica (CMC) resistentes a las fracturas.

El equipo de HRL desarrolló una nueva resina precerámica a base de siloxano, la reforzó con partículas inertes y luego utilizó un proceso de calentamiento extremo llamado pirólisis para convertirla en oxicarburo de silicio (SiOC). El material vítreo resultante presentaba una mayor durabilidad y, según el equipo de investigación, podría usarse en nuevas áreas sensibles a la energía, como la propulsión, la generación de energía y el procesamiento químico.

"El desafío que abordamos en este proyecto fue integrar esta solución de endurecimiento con nuestro proceso de impresión 3D", dijo Mark O'Masta, investigador principal de HRL en el proyecto. "Ahora podemos agregar estos refuerzos en fracciones de gran volumen para endurecer significativamente nuestras piezas de cerámica impresas en 3D".

"Básicamente, hemos convertido un material monolítico frágil en un compuesto duradero. Como beneficio adicional, agregar refuerzos relajó algunas de las restricciones de procesamiento".

Ampliando las aplicaciones de la cerámica impresa en 3D

Los componentes cerámicos suelen poseer una excelente resistencia a la corrosión y al desgaste, y sus propiedades únicas les otorgan aplicaciones potenciales en áreas de alta temperatura, pero darles forma ha resultado problemático. El uso de cerámicas frágiles para fabricar piezas complejas con geometrías estrechas también puede generar presiones sobre sus grietas y huecos internos, lo que a veces conduce a fallas desastrosas.

"Todas las piezas de cerámica, ya sean procesadas tradicionalmente o impresas en 3D, tienen pequeños defectos, como pequeños huecos, que surgen durante el procesamiento, la manipulación y el servicio", explicó O'Masta. "El problema es que cuando se aplica tensión a esa región, el defecto puede convertirse en una grieta descontrolada, lo que resulta en una falla catastrófica de toda la pieza".

Las tecnologías de impresión 3D de cerámica aún pueden estar en su infancia relativa, pero las técnicas de uso común ya están comenzando a surgir para solucionar este problema. Se ha intentado una mezcla de enfoques de escritura directa con tinta (DIW) y modelado por deposición fundida (FDM), pero más comúnmente, la fotopolimerización (SLA) se utiliza para curar la materia prima infundida con polímero.

En cada uno de estos procesos existentes, la parte 'verde' impresa se somete a un tratamiento térmico de dos pasos que elimina el polímero (desaglomerado), antes de que se sintericen las partículas de cerámica. Ahora, una investigación reciente ha producido un enfoque alternativo, que implica la impresión 3D utilizando resinas a base de siloxano, antes de convertirlas en SiOC mediante pirólisis.

Esta técnica emergente de fabricación de cerámica elimina los largos pasos de desaglomerado y sinterización, lo que la convierte potencialmente en una alternativa más rápida a los procesos de impresión de cerámica convencionales. Sin embargo, para que este nuevo enfoque basado en la temperatura funcione de manera efectiva, se debe desarrollar un material cerámico que aborde la baja tenacidad intrínseca del material y evite la fusión de partículas deficiente.

El enfoque novedoso de HRL Labs para la impresión de cerámica en 3D

Para sortear la fragilidad inherente de la cerámica, el equipo de HRL desarrolló un proceso novedoso que requería el desarrollo de una CMC reforzada con fibra cerámica. Los investigadores formularon su nueva resina utilizando una mezcla de fotoiniciadores y un material de oxicarburo de silicio (SiOC), que contenía partículas cerámicas inertes dispersas.

Aprovechando una impresora industrial ProMaker L5000 de Prodways, los investigadores fabricaron una serie de muestras de 1,25 (t) × 2,5 (h) × 15 (l) mm3 con el objetivo de evaluar y optimizar su fórmula. Tras una serie de pruebas de caracterización, el equipo identificó un alto nivel de dispersión de partículas, pero también un comportamiento curioso en la resistencia a la tracción de las partes reforzadas.

Resultó que las muestras más gruesas eran más propensas a agrietarse que sus contrapartes más delgadas y, a través de este descubrimiento, el equipo de HRL identificó un "punto óptimo" en el nivel de refuerzo que podían lograr. Agregar demasiado del elemento de refuerzo superaría su "límite de empaquetamiento" y debilitaría la pieza, aunque no incluiría lo suficiente, podría dejar la cerámica vulnerable a la fractura.

Después de haber trabajado en su técnica desde 2016, el equipo de investigación cree que finalmente pueden haber creado una cerámica reforzada bien dispersa con una contracción reducida después del calentamiento. Los productos impresos con el material mejorado presentaban un grosor de pared tres veces mayor y una dureza de más de 3 MPa, lo que llevó al equipo de HRL a concluir que ahora podrían ser posibles piezas cerámicas nuevas y más complejas.

"A través de un estudio detallado y una inspección cuidadosa de los defectos usando microscopía de luz y electrónica, pudimos identificar las condiciones de procesamiento correctas", concluyó Ekaterina "Katya" Stonkevitch, coautora del estudio de HRL. "Con esa información, descubrimos que podíamos imprimir piezas más gruesas que antes".

Innovaciones cerámicas dentro de la impresión 3D

Aunque la fabricación aditiva de cerámica todavía se está optimizando por completo para aplicaciones de uso final de alto estrés, varias empresas ya han comercializado la tecnología.

Científicos del Instituto Fraunhofer de Tecnologías y Sistemas Cerámicos (IKTS) han desarrollado un sistema Multi Material Jetting (MMJ) que es capaz de producir piezas de cerámica reforzada. La nueva máquina fusiona materiales como metales y cerámica para aprovechar sus propiedades combinadas.

El fabricante de impresoras 3D con sede en los Países Bajos, Admatec, ha lanzado una nueva impresora 3D DLP modular que también es compatible con cerámica: la Admaflex 300. El sistema ha sido diseñado para satisfacer las necesidades de aquellos en la industria de fundición de inversión para producir piezas de sílice y alúmina a gran escala. núcleos o corazas.

Por otra parte, el especialista en inyección de material XJet se ha asociado con Straumann para mejorar las capacidades de su tecnología de impresión 3D de cerámica para aplicaciones de odontología. Al adoptar los sistemas de fabricación aditiva de XJet, Straumann ha podido diseñar y fabricar piezas dentales con geometrías complejas utilizando el material típicamente frágil.

Los hallazgos de los investigadores se detallan en su artículo titulado "Fabricación aditiva de compuestos de matriz cerámica derivados de polímeros", escrito por Mark R. O'Masta, Ekaterina Stonkevitch, Kayleigh A. Porter, Phuong P. Bui, Zak C. Eckel y Tobias A. Schaedler.

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La imagen destacada muestra una de las estructuras reforzadas con compuestos de cerámica impresas en 3D del equipo de HRL. Imagen vía HRL Laboratories.

Paul se graduó en historia y periodismo y le apasiona encontrar las últimas noticias sobre tecnología.