La impresión en 3D de piezas metálicas promete revolucionar un amplio abanico de industrias. Los portaaviones, por ejemplo, podrían no necesitar llevar a bordo piezas de repuesto para los innumerables aviones, motores y sistemas de armas que portan. En lugar de ello, cada pieza se podría imprimir cuando se necesitara.

Por supuesto, la gran preocupación es que las propiedades mecánicas de las piezas impresas en 3D podrían no corresponderse con las de las fabricadas por otros métodos, especialmente cuando se emplean como componentes críticos, por ejemplo en los motores a reacción de alto rendimiento.

Para esto, los científicos de materiales han dedicado mucho tiempo y esfuerzo a la caracterización de las propiedades mecánicas de estas piezas. Y, en consecuencia, ahora se utilizan como implantes médicos personalizados, cojinetes de motor a reacción y para el prototipado rápido dentro de la industria automovilística (ver La era de las prótesis ortopédicas personalizadas impresas en 3D está cerca).

Pero, mientras que se han investigado mucho las propiedades de las piezas impresas en 3D, se ha prestado menos atención a sus propiedades eléctricas.

Hoy eso cambia gracias al trabajo de Daniel Creedon de la Universidad de Melbourne (Australia) y varios compañeros que han diseñado, impreso y probado con éxito una cavidad de microondas superconductora por primera vez. Afirman que su trabajo allana el camino para una nueva generación de componentes superconductores que podrán diseñarse y fabricarse de forma relativamente rápida y barata.

Las cavidades superconductoras son los burros de carga de un creciente número de experimentos diseñados para estudiar las propiedades del universo. Su propósito es almacenar microondas, permitiendo que resuenen mientras pierden la mínima cantidad de energía posible.

Las microondas interactúan con los electrones del material de la superficie de las cavidades. Por tanto, la resistencia de este material es un factor importante para su rendimiento. De ahí el interés por cavidades superconductoras cuya resistencia esencialmente de cero.

Las microondas resonantes son útiles. Aceleran las partículas cargadas dentro de los aceleradores de partículas, son unos detectores de movimiento ultrasensibles, pueden generar unas frecuencias altamente estables, ayudan a medir la velocidad de la luz y más.

Pero las cavidades que las alojan son unos dispositivos de alta precisión que resultan lentos y caros de fabricar. La impresión en 3D ofrece importantes ventajas de velocidad y coste, siempre que el proceso de impresión no interfiera con las propiedades superconductoras de las cavidades. Algo que nadie había intentado medir hasta ahora.

Para estudiar el efecto de la impresión en 3D sobre estas propiedades de superconducción, el equipo de Creedon simplemente imprimió dos cavidades mediante un proceso que funde selectivamente polvo de aluminio de forma que al solidificarse adquiera la forma deseada. De esta manera, una compleja cavidad en 3D puede hacerse capa a capa.

Este proceso resulta rápido y fácil, pero tiene varias limitaciones potenciales. La primera es que la impresión en 3D genera formas con superficies rugosas.

El segundo es que el polvo de aluminio tiene una composición distinta al aluminio industrial convencional llamado A1-6061. En particular, el polvo contiene un 12% de silicio de su peso, mientras que el aluminio convencional sólo contiene un 0,8%. También contiene pequeñas cantidades de hierro (0,118%) y cobre (0,003%) en comparación con el 0,7% de hierro, el 0,15% de cobre y el 1,2% magnesio de la variedad industrial.

El impacto de estas diferencias podría resultar importante o insignificante, pero hasta llegar a medirlo, nadie sabe cuál será. Eso es lo que el equipo de Creedon se propuso hacer. Y, para su sorpresa, encontraron que ninguno de estos factores tiene un impacto importante sobre la superconductividad de las cavidades.

El equipo de Creedon informa de que las cavidades se volvieron superconductoras a la temperatura esperada de 1,2 kelvin y de que las propiedades eléctricas son similares a las del aluminio industrial A1-6061. "Los resultados son comparables con las cavidades hechas de la aleación común A1-6061, y no se han visto afectados por la rugosidad de la superficie de las paredes de la cavidad fabricada mediante el proceso de impresión en 3D", afirman.

Sin embargo, pudieron mejorar el rendimiento de una cavidad al pulir su superficie interior para reducir su rugosidad. Entonces la calentaron a 770 kelvin durante cuatro horas y permitieron que se enfriara lentamente después hasta una temperatura ambiente. Esto tiene el efecto de expulsar silicio del material. "Se encontró que el recocido a 770 kelvin durante cuatro horas para eliminar impurezas residuales de silicio mejora el factor Q por aproximadamente un factor de dos", escriben.

Es un trabajo interesante que tiene más potencial. Una futura vía podría ser utilizar un polvo de aluminio más puro. El equipo de Creedon dice que esto debería producir unas cavidades de mejor calidad. Otra sería empezar a crear cavidades que resulten imposibles de fabricar con máquinas convencionales.

Es un primer paso de un emocionante camino hacia una nueva era de superconductores impresos en 3D.

Ref: arxiv.org/abs/1604.04301: A 3D Printed Superconducting Aluminium Microwave Cavity