Una representación de volumen de micro-CT del haz de giroideo multimaterial, fabricado a partir de acero inoxidable bajo en carbono, visto en azul y bronce, visto en naranja, utilizando el sistema de deposición de polvo selectivo de aerost. Crédito: Proporcionado por el Sape Lab, CIMP-3D y el Centro Penn State para imágenes cuantitativas
Un equipo de investigadores de Penn State ha utilizado un nuevo método de impresión en 3D para producir una compleja construcción de metal que alguna vez solo fue posible con la soldadura: fusionar dos metales en una sola estructura.
Utilizando un proceso de fabricación de aditivos avanzado conocido como fusión de lecho de polvo de láser multimaterial, habilitado por un sistema recién adquirido en el Centro de Procesamiento de Materiales Innovadores de Penn State a través de una deposición digital directa (CIMP-3D): los investigadores imprimieron una estructura compleja de una mezcla de acero insegural y bronce bajo en carbono, que consiste en 90% de cobre y 10% de tin.
Los investigadores han publicado su enfoque en NPJ Advanced Manufacturing.
“En un proceso llamado deposición selectiva de polvo, ahora podemos derretir metales en polvo múltiples en una sola capa durante el proceso de fabricación aditiva, y fuimos la primera universidad en los Estados Unidos en hacerlo”, dijo Jacklyn Griffis, candidata doctoral en ingeniería mecánica y primera autor del documento. “Los polvos finos son decenas de micras de diámetro, casi como la harina. Podemos depositar selectivamente el polvo con resolución de nivel de micras, luego derretirlo junto con un láser”.
Los investigadores utilizaron un sistema de deposición de polvo selectivo de aerosint, que CIMP-3D adquirió en agosto de 2023, para imprimir y probar la parte metálica. El sistema se integró en una máquina PROX320 AM de sistemas 3D existentes en los sistemas para el laboratorio de ingeniería de procesos híbrido de ingeniería de procesos (forma) en CIMP-3D. Una parte de metal de un centímetro de altura incluye miles de capas de polvo de metal, dijo Griffis, y tarda unas horas en imprimir.
Una vista de primer plano de una placa de construcción de cuadrados de prueba con la primera capa sinterizada de tres metales: acero inoxidable, inconel y cobre puro. Los cuadrados de prueba demostraron la fabricación de aditivos de metales multimateriales utilizando el nuevo sistema selectivo de deposición de polvo de CIMP-3D. Crédito: proporcionado por los sistemas Shape Lab, CIMP-3D y 3D
“Ahora tenemos la tecnología de procesamiento para imprimir estas piezas metálicas multimateriales, así como una forma de monitorear el grupo de fusión y observar y abordar los posibles problemas en tiempo real”, dijo la autora correspondiente Guha Manogharan, profesora asociada de ingeniería mecánica, jefe de la forma y codirector de CIMP-3D. “Para hacer esto, producimos una representación 3D digital de la pieza a través de tomografías computarizadas, que usamos para buscar poros, grietas en la interfaz o defectos a escala de micron”.
Al imprimir dos metales en un solo polvo simultáneamente, los investigadores tuvieron que trabajar a través de preguntas complejas sobre condiciones de procesamiento y calidad de pieza. En este artículo, se centraron en analizar la orientación de construcción de la pieza para comprender qué cambiaría si la pieza se imprimiera en posición vertical, plana o de su lado.
“En nuestro análisis, conectamos la orientación de construcción de la pieza con una serie de observaciones sobre la estructura, incluidos defectos como el agrietamiento y la porosidad, las microestructuras interfaciales y las formas en que los elementos se difunden o se mezclan en la interfaz”, dijo Griffis. “Luego conectamos esos defectos impresos con el rendimiento de la pieza”.
Su estructura terminada es una forma compleja conocida como giroidea, que se usa en aplicaciones como intercambiadores de calor e implantes biomédicos. Los investigadores eligieron la forma gyroid para demostrar las capacidades del nuevo proceso de fabricación: solo la fusión de lecho de polvo de láser múltiple de materia múltiple puede crear una forma giroidea multimaterial.
“Penn State siempre ha sido un líder en fabricación de aditivos de metales, pero ahora tenemos la capacidad de fabricar piezas multimateriales complejas, donde no solo podemos hacer diseños complejos sino controlar con precisión donde se coloca cada material”, dijo Manogharan. “Para llegar a la producción completa, necesitamos comprender las causas de los defectos basados en materiales y condiciones de fabricación para abordar la pregunta de por qué las piezas fallaron en las interfaces”.
En futuros estudios, los investigadores utilizarán un sistema de monitoreo en proceso para transformar el método de impresión 3D en un método más robusto y listo para la producción. También planean incorporar otras aleaciones de metal en la fusión de lecho de polvo de láser multimaterial, como Inconel y cobre.
Más información: JC Griffis et al, fusión de lecho de polvo de láser multimaterial: efectos de la orientación de construcción en defectos, estructura de material y propiedades mecánicas, NPJ Advanced Manufacturing (2025). Doi: 10.1038/s44334-025-00020-5
Proporcionado por la Universidad Estatal de Pensilvania
Cita: Más allá de la soldadura: Investigadores 3D-Presente Una estructura compleja única que contiene dos metales (2025, 3 de abril) Recuperado el 3 de abril de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-04-welding-3d-complex-metals.html
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