Impresión 3D con metal, una revolución en desarrollo

Un equipo de la facultad de Ciencias Aplicadas e Ingeniería de la Universidad de Toronto, liderado por el profesor investigador Yu Zou, trabaja en lo que por al menos cuatro años se ha considerado el próximo peldaño en los avances de la impresión 3D: la manufactura con metal.

Se trata de un gran hito, porque en el Laboratorio de Impresión 3D de la Universidad de Toronto utilizaron CAD, o diseño con ayuda computacional, para construir materiales basados en metal palmo a palmo. Esto puede causar una revolución en industrias tan diversas como los viajes aeroespaciales, la medicina, la fabricación de vehículos (incluso eléctricos) y las centrales energéticas vitales para descarbonizar la economía global.

«Estamos trabajando para descubrir la física fundamental detrás del proceso manufacturero con aditivos, al tiempo de mejorar su robustez, en adición a nuevas estructuras y nuevos materiales, a través de aplicaciones de impresión 3D”, dijo el profesor investigador Zou, de la manera más escueta, puesto que debe proteger los avances del laboratorio antes de someter una patente.

De hecho, el anuncio de la Universidad de Toronto es inusual. La competencia de los científicos por llegar primero a los avances es encarnizada, no sólo por el prestigio que supone haber descubierto algo nuevo y útil, sino por lo lucrativas que pueden llegar a ser las patentes.

Impresión 3D tradicional vs. 3D de metal

A diferencia de la impresión 3D tradicional, en la cual las partes de un producto deben estar hechas del mismo material, la impresión 3D de metal facilita el proceso de fabricar productos con distintos materiales, es decir, en forma de microestructuras, de manera que se pueda customizar las piezas que hacen falta.

Esto no es un avance menor. Por ejemplo, para la navegación aeroespacial puede ser un antes y un después, en especial por la aspiración de algunos gobiernos y empresas privadas de ser los primeros en colocar a una delegación en Marte.

Imagine que en algún punto de ese viaje de 194 millones de kilómetros se averíe una pieza de la nave. Sería útil que en la expedición fuese un ingeniero con capacidad para producir la pieza dañada en una impresora 3D en metal, con el propósito de continuar con la travesía.

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Adicionalmente, «en los tratamientos biomédicos los implantes combinan huesos y tejidos de músculos, entre otros materiales biológicos, por lo que se requiere de un proceso que permita conjugar esos distintos materiales, que sea duro por fuera, pero poroso por dentro”, explicó Xiao Shang, un candidato a obtener un doctorado en el Laboratorio de Impresión 3D de la Universidad de Toronto.

El proceso del equipo de Zou «reduce de manera significativa el tiempo de producción, el gasto de material y la inversión de energía, en especial al producir una pieza destinada a alguna estructura aeroespacial o de una planta eléctrica termonuclear”, sostuvo la Universidad de Toronto en el comunicado de anuncio.

En ese sentido, los printers 3D que funcionan en el laboratorio de Zou pueden funcionar con láser fundidor o con concentración de energía, dos técnicas esenciales para la manufactura populares en la industria y la academia. En especial la técnica de concentración de energía facilita que el printer pueda ser utilizado en condiciones incómodas, como un lugar cerrado o un vehículo en movimiento.

Cuatro pasos

El proceso, de acuerdo con lo que cuenta la Universidad de Toronto, tiene las siguientes fases:

• El software CAD es utilizado para crear modelos 3D de cada una de las piezas, palmo a palmo, que se pretenden adicionar al producto final y cada una de sus capas.
• Por cada capa, la máquina deposita una capa muy fina de polvo metálico. Esta se funde de forma consecutiva por un poderoso láser, de acuerdo con la geometría correspondiente a la creación esperada, definida en el software de diseño 3D.
• Una vez el metal fundido se solidifica, se adhiere a las capas anteriores del sustrato.
• Cuando las capas se completan, la máquina repetirá el agregado de polvo metálico y la función a láser, hasta que todas las capas quedan impresas y las piezas completas.

«Si bien las técnicas tradicionales de manufactura aún son adecuadas para la industria a gran escala, la manufactura aditiva tiene el potencial de llevar a los sectores productivos más allá», expresó Tianyi Lyu, doctorando de la Universidad de Toronto. «Esto incluye la fabricación de productos con una geometría complicada, la elaboración rápida de prototipos y la customización de los diseños, en adición a un total control de las propiedades de los materiales con los que se trabaja”.

Aparte de los sectores económicos y científicos ya mencionados, Lyu consideró que la impresión 3D en metal tiene el potencial de cambiar para siempre la práctica de la odontología, con el uso selectivo de fundición por láser para crear implantes que encajen 100 % en la cavidad bucal del paciente.

Experimentos y aplicaciones

El equipo de la Universidad de Toronto está aplicando novedosos experimentos para entender mejor cómo la fundición por láser y compresión energética pueden mejorar, y fortalecer, la impresión 3D. Por el momento verifican cuáles son los efectos de estas técnicas en el níquel, para luego avanzar hacia el titanio.

Una de las mejores aplicaciones que pudiera tener esta nueva tecnología, ya aterrizados algo en la tierra, tiene que ver con la maleabilidad de los metales raros, los cuales sirven de base para la industria del hardware y la producción de baterías de litio.

Una revolución de la que, por supuesto, no se puede quedar fuera la inteligencia artificial. En especial el aprendizaje automático se ha incorporado a algunos de los procesos con los que experimenta el equipo de Toronto, lo que agiliza aún más fabricaciones que se convierten en habituales.

Está demostrado que en la manufactura también se impone el Principio de Pareto, el 20% de los modelos se producen el 80% de las jornadas. “Un algoritmo bien entrenado con data de calidad tiene el potencial de sustituir a los seres humanos en tareas sencillas alusivas a la impresión 3D”, dijo Jiahui Zhang, doctorando de la Universidad de Toronto.

La revolución de la manufactura customizada se profundiza.

Reportaje publicado en la edición marzo-abril de la revista especializada Technology

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