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Las piezas de cerámica resistentes al calor ahora se pueden imprimir en 3D
La promesa de la fabricación aditiva o impresión 3D (fabricación más rápida y económica de piezas más personalizables) está limitada por la paleta de materiales imprimibles, que hasta ahora ha incluido principalmente polímeros y algunos metales. Ahora podemos agregar la cerámica, una clase importante de materiales cuya alta resistencia y resistencia al calor, la degradación química y la fricción los hacen atractivos para su uso en las industrias militar y aeroespacial para todo, desde piezas exteriores de aviones hasta pequeños componentes para cohetes.
Un impulsor cerámico de escala milimétrica, un componente mecánico giratorio utilizado para transmitir el movimiento de un fluido en bombas y turbinas.
Gracias a un truco de ciencia de materiales demostrado por investigadores de Laboratorios HRL , los ingenieros ahora pueden usar la fabricación aditiva para construir rápidamente piezas cerámicas complejas y personalizadas que aprovechan todas estas atractivas propiedades a la vez.
Es un desafío convertir la cerámica en piezas duraderas, especialmente las que tienen formas complejas. Los materiales no son compatibles con las técnicas de fabricación convencionales como el mecanizado y la fundición, y el método típico implica el uso de calor para consolidar el polvo y construir formas sólidas. Sin embargo, este enfoque, que también se puede utilizar en la fabricación aditiva, no es muy fiable y suele introducir defectos que pueden provocar grietas y fracturas.
Un sacacorchos de cerámica, de poco más de 20 micrómetros de longitud, ilustra la fina resolución posible a través de la impresión 3D de estereolitografía.
Los investigadores de HRL Labs solucionaron esto desarrollando una nueva resina imprimible hecha de los llamados polímeros precerámicos, que se pueden convertir en cerámica calentándolos a altas temperaturas. Demostraron que la nueva resina es compatible con una popular técnica de fabricación aditiva llamada estereolitografía, en la que se usa 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 construir estructuras tridimensionales complejas como celosías, de 100 a 1000 veces más rápido que la estereolitografía convencional. Después de la impresión, los investigadores calentaron las piezas para convertirlas en cerámica y demostraron sus impresionantes propiedades mecánicas.
Una red de cerámica curva ilustra la capacidad de producir estructuras intrincadas en formas no convencionales.
Dos clases de piezas cerámicas útiles: estructuras reticulares grandes y muy livianas que podrían usarse en paneles resistentes al calor y otras piezas exteriores para aviones y naves espaciales, y piezas pequeñas e intrincadas para usar en sistemas electromecánicos o en componentes de motores a reacción y cohetes. ahora se pueden imprimir gracias al nuevo enfoque, dice el científico senior de HRL Labs, Tobias Schaedler, quien dirigió la investigación.
Un borde de ataque impreso en 3-D, o la parte del ala de un avión o nave espacial que hace contacto primero con el aire. Las caras de la pieza intercalan una estructura de celosía.
Schaedler dice que el grupo ahora cuenta con fondos de DARPA, que también apoyó esta investigación, para utilizar la nueva técnica para desarrollar una capa aerodinámica de cerámica, esencialmente un escudo que protege a las naves espaciales o aeronaves hipersónicas del calor, la presión y los desechos. Las espumas cerámicas son atractivas para esta aplicación debido a sus propiedades térmicas, pero sus propiedades mecánicas deficientes las hacen en gran medida inadecuadas para su uso en estructuras de carga, dice Stefanie Tompkins, directora de la Oficina de Ciencias de la Defensa de DARPA. Las estructuras de celosía de cerámica creadas por HRL Labs son 10 veces más fuertes que las espumas disponibles comercialmente.