Cómo la ciencia de los materiales está avanzando en el futuro de la fabricación

Una disciplina intersectorial indispensable para avanzar en el diseño y la fabricación de productos, la ciencia de los materiales es un campo definido por la innovación y el pensamiento creativo.

Se centra en cómo se comportan los materiales en todos los niveles, incluido cómo las microestructuras y la disposición de los átomos y moléculas individuales pueden influir significativamente en el comportamiento de un material, y cómo se puede manipular una estructura para influir en el rendimiento deseado.

Situada en la intersección entre la ingeniería, la física y la química, la ciencia de los materiales es una consideración primordial en el desarrollo de nuevos productos, lo que a menudo da como resultado propiedades únicas y sofisticadas.

La ciencia de los materiales profundiza en las relaciones entre el conocimiento físico y químico y cómo se pueden diseñar diferentes materiales, desde metales y polímeros hasta compuestos y nanomateriales, para lograr un mejor rendimiento.

Esto puede incluir ventajas comercialmente beneficiosas, como procesos de producción más eficientes, extensión de la vida útil de una pieza y mantenimiento reducido, hasta beneficios sociales más fundamentales, como mejores resultados de atención médica y mayor sostenibilidad energética y ambiental para permitir la excelencia deportiva y la tecnología aeroespacial.

Influir en la microestructura de un material puede conducir a algunos comportamientos notables, incluida la flexibilidad de un material, hasta qué punto se puede estirar o doblar el material.

También puede afectar la dureza de un material, haciéndolo más resistente a la corrosión o en su capacidad para conducir electricidad o calor.

Un ejemplo perfecto, del que hablaremos más adelante, son las aleaciones con memoria de forma, o metales que se pueden doblar y devolver a su forma original mediante la aplicación de calor.

Aunque antes se pensaba que estaba destinada principalmente a la creación de prototipos, la fabricación aditiva se emplea cada vez más en el desarrollo de piezas de repuesto, la producción en serie pequeña y las herramientas en industrias de fabricación con visión de futuro, como la aeroespacial, la electrónica, la automoción y los dispositivos médicos.

Entre las industrias a la vanguardia de la fabricación innovadora, el sector médico se ha convertido en un segmento importante que impulsa el crecimiento de la fabricación aditiva.

Al fusionar polvos metálicos capa por capa, utilizando varias técnicas diferentes de sinterización o basadas en láser, la fabricación aditiva puede crear componentes complejos que normalmente serían muy desafiantes, si no imposibles, con métodos de fabricación sustractivos más tradicionales.

Las ventajas de la fabricación aditiva incluyen una mayor libertad de diseño y personalización, mayor resistencia y funcionalidad del producto, menor tiempo de ensamblaje para componentes complejos, producción localizada, rápido tiempo de comercialización, mitigación del desperdicio, menor obsolescencia, menor dependencia de los proveedores tradicionales e incluso la creación de nuevos materiales con propiedades mecánicas y de comportamiento únicas.

La mayoría de las piezas fabricadas con aditivos están hechas de aleaciones, tanto convencionales como novedosas. Sin embargo, muy pocas piezas de aleación se producen de esta manera que tengan la misma calidad o conserven las mismas propiedades mecánicas que ofrecen aleaciones similares cuando se fabrican mediante un proceso convencional como la forja.

Su comportamiento no responde de manera similar, en gran parte debido a la rápida fusión y solidificación que experimentan en el proceso de fabricación aditiva.

Dado que la industria de fabricación aditiva se ha enfrentado al desafío de conservar o incluso mejorar las características de las aleaciones metálicas, ha recurrido a la ciencia e ingeniería de materiales para permitir el desarrollo de piezas de aleación con propiedades mecánicas superiores.

Descubierto hace más de 50 años, el nitinol (NiTi) es una aleación metálica especialmente valiosa que ha revolucionado numerosas industrias.

Fabricado con un 50 % de níquel atómico y un 50 % de titanio atómico, tiene propiedades únicas que permiten su superelasticidad y el "efecto de memoria de forma", lo que significa que puede cambiar de forma dependiendo de la temperatura. Este comportamiento especial ahora hace que el nitinol se use cada vez más en las industrias médica, dental y aeroespacial.

El nitinol es un material excelente para crear componentes para dispositivos médicos mínimamente invasivos, como guías, catéteres y stents. Cuando los profesionales médicos necesitan navegar en áreas particularmente estrechas, el nitinol tiene la flexibilidad para cambiar de forma según sea necesario y la durabilidad para soportar grandes cantidades de tensión.

Los stents utilizados para mantener las arterias abiertas son quizás el ejemplo más claro de por qué la superelasticidad y el efecto de memoria de forma del nitinol son tan beneficiosos. Cuando los stents se insertan en el cuerpo, pueden comprimirse hasta un tamaño diminuto para usarse en procedimientos mínimamente invasivos.

Sin embargo, cuando se colocan en el punto correcto de la arteria, se expanden para llenar el espacio necesario y reforzar la pared arterial interior, un procedimiento que no se podría realizar con acero inoxidable.

En los procedimientos ortopédicos, los cirujanos necesitan componentes que ayuden a los pacientes a recuperar la flexibilidad y el rango de movimiento y se adapten fácilmente al tejido de un paciente individual. El nitinol es el material preferido para estos componentes, ya que imita el comportamiento mecánico del hueso.

Los ortodoncistas también necesitan alambres y brackets que mantengan unidos los brackets y realicen la función de mover los dientes, por lo que la memoria de forma del nitinol es particularmente útil en la impresión de aplicaciones de nitinol.

A pesar de todas sus ventajas, el desarrollo de componentes hechos de nitinol puede tener sus desafíos. La aleación puede ser difícil de mecanizar, por lo que el diseño del producto generalmente se ha limitado a estructuras simples.

Tales dificultades incluyen alta tenacidad, alta ductilidad y endurecimiento por trabajo en los procesos de corte. Por lo tanto, el mecanizado tradicional da como resultado un desgaste excesivo de la herramienta, altas fuerzas de corte y degradación de la superficie, lo que a menudo termina en una pieza de trabajo de baja calidad con una rotura de viruta y una formación de rebabas inferiores.

Y aunque la fabricación aditiva puede ofrecer una mayor eficiencia de producción y una mayor libertad de diseño, aún quedan problemas por superar al imprimir con nitinol.

La vaporización del níquel durante el proceso de fabricación aditiva puede disminuir la relación níquel/titanio, aumentando así la temperatura de transformación. Además, la captación de oxígeno dentro del material también puede afectar la temperatura de transformación, lo que impacta negativamente en la memoria de forma y afecta el rendimiento general de la aplicación prevista.

Es aquí donde un profundo conocimiento de la ciencia de los materiales ha llevado a los ingenieros a comprender el impacto de la atmósfera de la cámara de impresión en la pieza impresa y por qué las condiciones atmosféricas deben ser óptimas.

Aunque la atmósfera de la cámara se purga con argón de alta pureza para eliminar el oxígeno, las impurezas siguen presentes debido a la purga incompleta y a las pequeñas fugas.

Incluso las variaciones extremadamente pequeñas en el contenido de oxígeno pueden afectar las propiedades mecánicas o químicas de los metales y las aleaciones sensibles al oxígeno, incluido el nitinol, y pueden afectar la composición del producto final, lo que da como resultado características físicas negativas, como la decoloración e incluso una mala resistencia a la fatiga. Por lo general, después de la purga, el nivel de oxígeno residual es de alrededor de 1000 ppm, muy lejos del ideal de menos de 10 ppm.

Los científicos e ingenieros de materiales de Linde han dedicado los últimos años a desarrollar tecnología pionera para superar estas impurezas atmosféricas y brindar a los fabricantes condiciones de impresión óptimas.

El resultado, precisión ADDvance® O2, proporciona un análisis continuo de la atmósfera de gas, detectando los niveles de oxígeno con alta precisión sin sensibilidad cruzada. Al reconocer concentraciones de O2 tan bajas como diez partes por millón (ppm), la unidad inicia automáticamente un proceso de purga para mantener la atmósfera tan pura como sea necesario.

Para la impresión de componentes de nitinol, es fundamental mantener un nivel de O2 bajo y constante. Si esto no se logra, el material puede oxidarse, ya sea por un nivel demasiado alto de O2 o por las propiedades mecánicas que varían de una parte a otra.

La experiencia en ciencia de materiales también ha llevado al desarrollo de mezclas de gases únicas y personalizadas, como ADDvance Laser230, desarrollada específicamente para optimizar los resultados de impresión. Probado con éxito en una variedad de aleaciones, que incluyen aluminio de alta resistencia AISi10MG, superaleaciones a base de níquel, titanio, nitinol y acero inoxidable, combina argón con helio para reducir la redeposición de partículas hasta en un 30 % y la pérdida de polvo hasta en un 20 %.

También ahorra tiempo de mantenimiento, ya que requiere menos cambios de filtros. Además, mitiga la formación de humos y acelera los tiempos de impresión, haciendo más seguro el proceso de impresión y abaratando el coste por pieza. Es agnóstico de aleación e ideal para la fabricación aditiva de estructuras de celosía.

Con tales avances en las tecnologías de fabricación aditiva, el nitinol no solo permitirá que el futuro de los procedimientos médicos sea menos invasivo, sino que también abrirá posibilidades para fabricar productos y componentes de vanguardia que antes estaban fuera de nuestro alcance.

Si bien la ciencia de los materiales ha existido en diferentes niveles de sofisticación durante generaciones, ahora puede ser la disciplina más importante para nuestro futuro. Para la mayoría de los principales desafíos a los que nos enfrentamos, es probable que los materiales, de una forma u otra, estén en el centro de la solución.

Desde construir un futuro de energía limpia hasta permitir cirugías para prolongar la vida antes inconcebibles, la ciencia de los materiales está impulsando la innovación en la fabricación.

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