Tres avances científicos de primer nivel que prometen revolucionar el mundo de la fabricación aditiva de metal
Mantenerse al tanto de las iniciativas y los proyectos de investigación que surgen en el ámbito de la fabricación aditiva es fundamental para conocer el rumbo de la tecnología y de la industria e identificar cuáles pueden ser las próximas novedades que marquen el futuro del sector. Por este motivo, en VoxelMatters queremos poner el foco en tres proyectos del ámbito de la investigación que se centran en los procesos y los materiales de fabricación aditiva de metal. A continuación, os detallamos en qué consiste cada uno de ellos:
El equipo del ORNL avanza en el desarrollo de la aleación DuAlumin-3D para la LPBF
Recientemente, un equipo de científicos del Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL) reveló que habían realizado un importante avance en el uso del material DuAlumin-3D para componentes automovilísticos. Este compuesto, que ha sido específicamente desarrollado para la fabricación aditiva, es una aleación de aluminio reforzada que se caracteriza por su elevada resistencia a la deformación y a la fatiga, incluso a temperaturas extremadamente altas (entre 300 °C y 400 °C).
La última vez que el equipo del ORNL informó de los progresos que había realizado con esta innovadora aleación, aseguró que ofrecía un rendimiento superior en comparación con las aleaciones tradicionales. En concreto, y a diferencia de las aleaciones de aluminio estándares con características térmicas similares —que tienden a agrietarse durante los procesos LPBF—, las piezas fabricadas con DuAlumin-3D no presentan este tipo de defectos, en parte debido a que son sometidas a un breve ciclo de tratamiento térmico. Esta característica hace de este consumible para la fabricación aditiva de metal un material ideal para las aplicaciones automovilísticas que están expuestas a altas temperaturas, como los motores de alta eficiencia, así como para piezas aeroespaciales, incluidos componentes optimizados para intercambiadores de calor.
Este proyecto se enmarca dentro del programa Powertrain Materials Core de VTO y ha contado con la colaboración con la Oficina de Materiales y Tecnologías de Fabricación Avanzados del Departamento de Energía de Estados Unidos. El objetivo general del desarrollo de este nuevo material es introducir en el mercado una aleación de aluminio que sea resistente y ligera y, lo que es más importante, que pueda utilizarse en los procesos LPBF.
«Las aleaciones de aluminio eran un campo de investigación muy interesante para nosotros», afirma Plotkowski, miembro sénior del equipo de I+D e investigador principal del proyecto. «El principal problema es que las aleaciones de aluminio forjado convencionales, las que más usamos en todo el mundo y las que tienen las propiedades más atractivas, son difíciles de procesar mediante la fabricación aditiva». El material DuAlumin-3D es capaz de solventar este problema, ya que ofrece una resistencia a la fluencia a 300 °C superior a la de cualquier otra aleación.
Los investigadores de la SCUT estudian el uso del aprendizaje automático para predecir el rendimiento de material Ti6Al4V
Este verano, un grupo de investigadores de la Universidad Tecnológica del Sur de China publicó un estudio en el que proponían un sistema basado en datos para predecir las propiedades de las piezas impresas en 3D con la aleación de titanio Ti6Al4V. El trabajo, basado en la tecnología LPBF a gran escala, utiliza el aprendizaje conjunto por apilamiento para predecir los resultados en función de las características de las diferentes impresoras y materiales.
Durante los procesos LPBF, la enorme variedad de ajustes y parámetros puede provocar que resulte difícil seleccionar la combinación óptima. Y aunque es posible aplicar tecnologías basadas en el aprendizaje automático con un único modelo, este se ve limitado por la complejidad de los ajustes de los procesos que interactúan entre sí. En cambio, los modelos de aprendizaje apilados son capaces de gestionar mejor esta complejidad.
Para demostrar este punto, el equipo de la SCUT estableció una serie de rangos de parámetros para una impresión de prueba con titanio en un sistema LPBF a gran escala y, a continuación, utilizó diferentes algoritmos (entre ellos algoritmos ANN, ENet, KRR, GBR y Lasso) para elaborar un modelo apilado que permitiera predecir la resistencia a la tracción de la pieza. Posteriormente utilizaron la optimización bayesiana y la validación cruzada para mejorar el modelo y aplicaron múltiples métricas para evaluar su rendimiento.
El análisis reveló qué parámetros influían más en la resistencia a la tracción; en este caso, la velocidad de escaneado, seguida de la potencial del láser. Tras la optimización, el equipo determinó cuál era la combinación óptima de modelos base para el metamodelo. Los resultados del entrenamiento y las pruebas muestran que el metamodelo ofrece una mayor precisión de predicción y una mayor estabilidad que el modelo ANN, ya que es capaz de captar mejor las complejas relaciones entre los parámetros del proceso y la resistencia a la tracción.
En última instancia, este proyecto demuestra que los modelos de aprendizaje conjunto por apilamiento pueden contribuir a predecir mejor la resistencia a la tracción de las aleaciones de titanio impresas.
Un equipo del RMIT logra desarrollar una variedad de titanio un 29% más barata
Volviendo al segmento del titanio, un equipo de ingenieros del Real Instituto de Tecnología de Melbourne (RMIT) ha desarrollado recientemente una nueva variedad de titanio impresa en 3D que, según ha informado la institución en un comunicado, es un tercio más barato que las aleaciones que se utilizan habitualmente en la fabricación aditiva de metal. El material también ofrece una resistencia y un rendimiento superiores en comparación con las aleaciones de titanio estándares impresas en 3D (Ti-6Al-4V).
El equipo del RMIT, que trabaja en el Center for Additive Manufacturing de la universidad, ha presentado una patente provisional para el sistema de procesamiento del material y está estudiando los próximos pasos para comercializar su tecnología, lo que incluye buscar socios «que puedan asesorarles durante las siguientes etapas de desarrollo».
«La impresión 3D permite agilizar la producción, reduce el desperdicio de metal y aumenta las opciones de personalización, pero seguimos dependiendo de aleaciones tradicionales como el Ti-6Al-4V, que no permiten aprovechar al máximo este potencial», asegura Ryan Brooke, doctorando y autor principal del estudio. «Es como si hubiéramos fabricado un avión y nos limitáramos a conducirlo por la calle. Los nuevos tipos de titanio y otras aleaciones van a suponer un verdadero salto cualitativo a la hora de definir los límites de lo posible en el ámbito de la impresión 3D, y el marco para diseñar nuevas aleaciones que esboza nuestro estudio es un paso significativo en esa dirección».
En este trabajo, la aleación de titanio especializada resultó un 29% más barata de producir que el titanio estándar, además de imprimirse de forma más uniforme (es decir, sin las microestructuras en forma de columna que pueden provocar diferencias en las propiedades mecánicas de ciertas aleaciones). «Al desarrollar una fórmula más rentable que evita estas microestructuras, hemos resuelto dos problemas básicos que obstaculizaban la adopción generalizada de la impresión 3D», añade Brooke.
