Investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) han desarrollado un método para controlar la estructura a escala atómica de los metales durante la fabricación aditiva variando la velocidad del escaneo láser.
El equipo de LLNL trabajó con colegas científicos para superar las antiguas limitaciones de la impresión 3D de metal, que da como resultado microestructuras alejadas del equilibrio que provocan propiedades mecánicas impredecibles.
La fabricación aditiva ya ha logrado avances significativos en aplicaciones aeroespaciales, de defensa y energéticas, pero se ha basado en un número limitado de aleaciones metálicas existentes que no fueron diseñadas originalmente para los rápidos ciclos de calentamiento y enfriamiento de la impresión 3D basada en láser.
El equipo se centró en materiales de composición compleja, las llamadas aleaciones de alta entropía, una clase prometedora de materiales metálicos, y combinó modelado termodinámico y dinámica molecular para simular la impresión 3D. Esto les permitió estudiar cómo las diferentes velocidades de escaneo láser afectan la solidificación durante el proceso de impresión y, al modelar el proceso de enfriamiento rápido, el equipo evaluó cómo se organizan los átomos en diferentes condiciones térmicas.
«A medida que aumenta la velocidad del láser, aumenta la velocidad de enfriamiento y, a medida que el material se enfría más rápido, tiene menos tiempo para reorganizarse a una configuración de baja energía», dijo Thomas Voisin, líder adjunto del equipo en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore. «Esto congela el material en un estado de desequilibrio, que puede usarse para ajustar las estructuras atómicas y las propiedades mecánicas resultantes».
Según sus resultados, un enfriamiento rápido dio como resultado aleaciones más fuertes pero más frágiles, mientras que un enfriamiento más lento dio como resultado estructuras menos fuertes pero más flexibles y equilibradas.
«Ahora estamos en un punto en el que podemos diseñar eficientemente nuevos materiales que aprovechen al máximo las características de la fabricación aditiva, como velocidades de enfriamiento muy rápidas», añadió Voisin.
El trabajo sugirió que la fabricación aditiva podría evolucionar desde una técnica de fabricación hasta una plataforma de descubrimiento de materiales. Al vincular los parámetros del proceso con los resultados a escala atómica, los investigadores pudieron diseñar metales que se ajustan a los requisitos operativos específicos de los sistemas industriales comerciales, de seguridad nacional y aeroespaciales.
