Desarrollan sistema de manufactura aditiva que combina cerámicos y metales

Deposición de material de alta precisión a una velocidad de hasta 1000 gotas por segundo. Crédito: Fraunhofer IKTS.

Un equipo del Instituto Fraunhofer de Tecnologías y Sistemas Cerámicos, IKTS, desarrolló un sistema de inyección de materiales múltiples que permite crear productos con propiedades o funciones combinadas en materiales como cerámica y metal.

Las tecnologías de manufactura aditiva, como la impresión 3D, implican la creación de un producto deseado capa por capa en lugar de producirlo a partir de una sola pieza. Aunque los primeros años de la manufactura aditiva estuvieron dominados por los polímeros, esto se expandió hace algún tiempo para incluir metales y materiales a base de cerámica.

Fraunhofer IKTS ha dado otro paso adelante. Los investigadores han desarrollado un sistema que permite la manufactura aditiva de piezas de múltiples materiales basados en sistemas de aglutinantes termoplásticos. Conocido como Multi Material Jetting, o MMJ, este proceso combina diferentes materiales y sus diferentes propiedades en un solo producto.

“En este momento, podemos procesar hasta cuatro materiales diferentes a la vez”, dice Uwe Scheithauer, investigador de Fraunhofer IKTS. Esto abre la puerta a una amplia gama de aplicaciones, lo que permite a las empresas producir componentes multifuncionales altamente integrados con propiedades definidas individualmente.

Los productos de manufactura aditiva gota a gota

El nuevo sistema fabrica piezas en un proceso continuo. En el primer paso, el polvo cerámico o metálico del que se fabricará la pieza se distribuye de forma homogénea en una sustancia aglutinante termoplástica.

Sistema de inyección multimaterial de componentes de alto rendimiento con propiedades o funciones combinadas. Crédito: Fraunhofer IKTS.

Las lechadas así producidas se cargan en sistemas de microdosificación (MDS) para dar comienzo al proceso de fabricación propiamente dicho. Estas lechadas se funden en el MDS a una temperatura de alrededor de 100 grados Celsius, creando una sustancia que puede liberarse en gotitas muy pequeñas. Los investigadores de IKTS también desarrollaron un programa de software correspondiente para garantizar el posicionamiento preciso de las gotas durante la fabricación.

Los sistemas de microdosificación operan en un proceso de alta precisión controlado por computadora, depositando las gotas una a una en el lugar exacto. Esto aumenta gradualmente la pieza gota a gota a velocidades de hasta 60 mm y 1000 gotas por segundo.

El sistema trabaja con tamaños de gota de entre 300 y 1000 μm, creando capas depositadas con alturas de entre 100 y 200 μm. El tamaño máximo de piezas que se pueden fabricar actualmente es de 20 × 20 × 18 centímetros.

“El factor crítico aquí es la dosificación personalizada de las lechadas de metal o cerámica. Obtener la dosificación correcta es clave para asegurar que el producto final fabricado aditivamente adquiere las propiedades y funciones requeridas durante la sinterización posterior en el horno, incluidas propiedades como resistencia, conductividad térmica y conductividad eléctrica”, dice Scheithauer.

Motor satélite de cerámica con encendido incorporado

El nuevo sistema IKTS se puede utilizar para fabricar piezas de alta complejidad como el sistema de encendido de un motor de propulsión satelital de cerámica.

Las cámaras de combustión del motor satélite alcanzan temperaturas extremadamente altas, por lo que la capacidad de la cerámica para resistir el calor los convierte en una elección ideal de material. MMJ se puede utilizar para producir un sistema de encendido que se integra directamente en el motor. Este sistema de encendido combina áreas eléctricamente conductoras y aislantes en un solo componente extremadamente robusto.

En este caso, el proceso MMJ requiere tres sistemas de dosificación: uno para un material de soporte que se desintegra durante el tratamiento térmico en el horno, un segundo para el componente eléctricamente conductor y un tercero para el componente eléctricamente aislante. MMJ también tiene muchas aplicaciones concebibles en el mercado de productos de consumo, por ejemplo, un bisel de reloj de cerámica de dos tonos hecho para un cliente individual como un artículo único.

Gracias a su alta precisión y flexibilidad, el sistema MMJ es adecuado para algo más que fabricar componentes multifuncionales.

“También podríamos utilizarlo para fabricar blancos para piezas de carburo, por ejemplo. Gracias a la tremenda precisión de los sistemas de dosificación, los contornos de los espacios en blanco ya estarían muy cerca de los del producto final. Por lo tanto, requerirían muy poco rectificado posterior en comparación con los métodos convencionales. Eso es una gran ventaja cuando se trabaja con carburo”, dice Scheithauer.

El proyecto de Fraunhofer IKTS ha demostrado que la tecnología también funciona en la práctica y es escalable. El siguiente paso es validar la tecnología para uso industrial.