La promesa de la fabricación aditiva o impresión 3D – la más rápida y barata para piezas más personalizables – está limitada por la paleta de materiales de impresión, que hasta ahora ha incluido muchos polímeros y algunos metales. Ahora podemos añadir la cerámica, una importante clase de materiales cuya alta fuerza y resistencia al calor, a la degradación de productos químicos y a la fricción hace atractivo su uso dentro de las industrias militares y aeroespaciales para todo tipo de cosas, desde piezas exteriores de avión hasta pequeños componentes para cohetes.
Gracias a un truco de la ciencia de materiales demostrado por unos investigadores de HRL Laboratories, los ingenieros ahora pueden emplear la fabricación aditiva para hacer rápidamente unas complejas piezas personalizadas que aprovechan todas estas propiedades de golpe.
Fabricar piezas resistentes con cerámica representa un reto, especialmente las que tienen formas complejas. Los materiales no son compatibles con las convencionales técnicas de fabricación como el mecanizado y la fundición, y el típico método incluye el uso del calor para consolidar el polvo y construir formas sólidas. Este enfoque, que también puede formar parte de la fabricación aditiva, no es muy fiable, sin embargo, y a menudo introduce defectos que pueden dar paso a grietas y fracturas.
Foto: Un sacacorchos de cerámica, de poco más de 20 micrómetros de largo, ilustra la fina resolución posible mediante la impresión en 3D de estereolitografía.
Los investigadores de HRL Laboratories solucionaron este problema con el desarrollo de una nueva resina imprimible hecha de los llamados polímeros precerámicos, que pueden ser convertidos en cerámica a altas temperaturas. Han demostrado que la nueva resina es compatible con una popular técnica de fabricación aditiva llamada estereolitografía, en la que se utiliza un rayo láser para construir estructuras capa por capa a partir de un polímero líquido. Los investigadores también demostraron que funciona con una técnica especializada que emplea luz ultravioleta y máscaras estampadas para crear complejas estructuras en 3D como celosías con una rapidez entre 100 y 1.000 veces mayor que la estereolitografía convencional. Después de la impresión, los investigadores calentaron las piezas para convertirlas en cerámica y demostraron sus impresionantes propiedades mecánicas.
Foto: Una celosía ondulada de cerámica ilustra la capacidad de producir estructuras complejas con formas poco convencionales.
Dos clases de piezas cerámicas muy útiles pasan al abanico de los materiales imprimibles gracias al nuevo enfoque, afirma el científico Tobias Schaedler de HRL Laboratories, que lideró el trabajo de investigación. Se trata de grandes y muy ligeras estructuras de celosía que podrían ser empleadas en paneles resistentes al calor y otras piezas exteriores para aviones y astronaves, y pequeñas piezas complejas para sistemas electromagnéticos o componentes de motores a reacción y cohetes.
Foto: Un borde de ataque, la parte de un avión o una aeronave que entra primero en contacto con el aire, impreso en 3D. Entre las dos superficies principales de la pieza hay una estructura de celosía.
Schaedler dice que el grupo dispone de financiación de DARPA, que también proporcionó su apoyo en esta investigación, para emplear la nueva técnica para desarrollar un aeroescudo, en esencia un escudo que protege a las naves espaciales o hipersónicas del calor, la presión y los desechos. Las espumas de cerámica son atractivas para esta aplicación por sus propiedades térmicas, pero sus pobres propiedades mecánicas hacen que su uso en estructuras portantes sea poco adecuado, según afirma Stefanie Tompkins, la directora de la Oficina de Ciencias de Defensa de DARPA. Las estructuras de celosía cerámicas creadas por HRL Laboratories son 10 veces más fuertes que las espumas comercialmente disponibles.