Investigadores del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía han presentado un nuevo sistema de extrusión que podría transformar la impresión 3D a gran escala.
La tecnología combina varias extrusoras más pequeñas en un único flujo de material de alto rendimiento utilizando boquillas especialmente diseñadas.
Este enfoque proporciona la velocidad de las extrusoras grandes manteniendo la precisión, la flexibilidad y el manejo de múltiples materiales.
El sistema resuelve un problema de larga data en la fabricación aditiva basada en extrusión. Las extrusoras grandes empujan grandes cantidades de material, pero aumentan el peso y disminuyen la precisión.
Las extrusoras más pequeñas brindan control pero son difíciles de escalar. La solución de ORNL está diseñada para cerrar esta brecha sin obligar a los fabricantes a hacer concesiones.
Resolviendo compromisos de tamaño
Los grandes cabezales de extrusión imponen grandes exigencias a los pórticos y brazos robóticos. Los fabricantes suelen necesitar sistemas móviles más resistentes y caros para transportarlos.
A medida que aumenta la producción, la consistencia del flujo disminuye cuando se imprimen volúmenes pequeños. Esta inconsistencia limita la calidad de los componentes y la flexibilidad del diseño.
El problema se vuelve más grave para piezas cónicas o de escala mixta. Los operadores deben reducir la velocidad de impresión para evitar la acumulación de calor, deformaciones o errores de impresión.
Estas restricciones reducen el rendimiento y aumentan los costos.
El sistema modular de ORNL adopta un enfoque diferente. En lugar de una extrusora de gran tamaño, combina varias unidades más pequeñas. Los usuarios pueden activar o desactivar extrusores según sea necesario.
El rendimiento aumenta sin sacrificar el control ni añadir exceso de peso.
«Al permitir que extrusoras más pequeñas igualen el rendimiento de sistemas más grandes sin el peso adicional, y al permitir una extrusión de múltiples materiales sin precedentes dentro de la perla, este sistema está preparado para redefinir la fabricación aditiva basada en extrusión», dijo el investigador de ORNL Halil Tekinalp, quien dirigió el proyecto.
Añadió que la tecnología podría ayudar a fortalecer la competitividad de la industria manufacturera estadounidense.
La característica más definitoria del sistema radica en su capacidad de imprimir varios materiales al mismo tiempo. Los sistemas tradicionales requieren un cambio de herramienta o una tirada de impresión separada. El diseño de ORNL combina los materiales dentro de un único cordón de extrusión.
La innovación fundamental reside en las boquillas pendientes de patente. Los ingenieros los construyeron con bronce de aluminio para mejorar la resistencia y la conductividad térmica.
Dentro de la boquilla, las corrientes de polímero fundido de las extrusoras paralelas se combinan antes de la separación.
El canal interno en forma de Y reduce la porosidad central y mejora la calidad del cordón.
Las pruebas muestran que el diseño duplica constantemente el flujo de material. Los investigadores creen que las configuraciones futuras podrían triplicar o cuadriplicar el rendimiento.
El equipo también desarrolló una boquilla patentada que produce perlas de núcleo y caparazón. Una sustancia forma el núcleo, mientras que otra lo envuelve.
Esta estructura permite un control preciso de las propiedades mecánicas y funcionales.
Los fabricantes pueden combinar polímeros rígidos y flexibles en una sola ejecución.
El diseño también mejora la adhesión entre capas. Esto aborda directamente la delaminación, un problema constante en la fabricación de aditivos de polímeros.
«Esta innovación abre nuevos horizontes de fabricación, permitiendo diseños complejos, eficientes y creativos con intercambio dinámico de materiales, al tiempo que previene la contaminación cruzada, lo que significa que diferentes materiales permanecen puros y no se mezclan accidentalmente», dijo Vipin Kumar, otro líder técnico del proyecto.
Potencial de impacto industrial
La tecnología abre puertas en muchas industrias. Los equipos aeroespaciales pueden imprimir paneles resistentes a impactos o componentes que absorban radares.
Los promotores energéticos pueden producir revestimientos resistentes al fuego o elementos de viviendas modulares.
Las aplicaciones de defensa incluyen refugios livianos y estructuras protectoras que se imprimen en un ensamblaje continuo.
La infraestructura civil puede beneficiarse de plataformas de puentes, parachoques de vehículos o cascos de barcos reforzados.
Al combinar velocidad, precisión y versatilidad de materiales, el sistema de ORNL posiciona la impresión por extrusión para aplicaciones industriales más amplias.
El laboratorio ve este enfoque como un paso hacia sistemas de fabricación flexibles y escalables construidos en torno a las necesidades de producción modernas.
