Por Adam Zewe Investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT, por sus siglas en inglés) han desarrollado una técnica de fabricación aditiva que puede imprimir rápidamente con metal líquido, produciendo piezas a gran escala como patas de mesa y marcos de sillas en cuestión de minutos. Su técnica, llamada impresión de metal líquido (LMP, por sus siglas en inglés), consiste en depositar aluminio fundido a lo largo de un camino predefinido en un lecho de diminutas perlas de vidrio. El aluminio se endurece rápidamente en una estructura 3D. Los investigadores dicen que LMP es al menos 10 veces más rápido que un proceso de fabricación aditiva de metal comparable, y el procedimiento para calentar y fundir el metal es más eficiente que otros métodos. La técnica sacrifica la resolución por la velocidad y la escala. Si bien puede imprimir componentes que son más grandes que los que normalmente se fabrican con técnicas aditivas más lentas y a un costo menor, no puede lograr altas resoluciones. Por ejemplo, las piezas producidas con LMP serían adecuadas para algunas aplicaciones en arquitectura, construcción y diseño industrial, donde los componentes de estructuras más grandes a menudo no requieren detalles extremadamente finos. También podría utilizarse eficazmente para la creación rápida de prototipos con metal reciclado o chatarra. En un estudio reciente, los investigadores demostraron el procedimiento imprimiendo marcos y piezas de aluminio para mesas y sillas que eran lo suficientemente fuertes como para soportar el mecanizado posterior a la impresión. Mostraron cómo los componentes fabricados con LMP podían combinarse con procesos de alta resolución y materiales adicionales para crear muebles funcionales. "Esta es una dirección completamente diferente en la forma en que pensamos sobre la fabricación de metales que tiene algunas ventajas enormes. También tiene desventajas. Pero la mayor parte de nuestro mundo construido, las cosas que nos rodean, como mesas, sillas y edificios, no necesita una resolución extremadamente alta. La velocidad y la escala, así como la repetibilidad y el consumo de energía, son métricas importantes", dice Skylar Tibbits, profesor asociado del Departamento de Arquitectura y codirector del Laboratorio de Autoensamblaje, autor principal de un artículo que presenta LMP. A Tibbits se le unen en el artículo el autor principal Zain Karsan SM '23, que ahora es estudiante de doctorado en la ETH de Zúrich; así como Kimball Kaiser SM '22 y Jared Laucks, científico investigador y codirector del laboratorio. La investigación fue presentada en la Conferencia de la Asociación para el Diseño Asistido por Computadora en Arquitectura y publicada recientemente en las actas de la asociación. Aceleración significativa Un método para imprimir con metales que es común en la construcción y la arquitectura, llamado fabricación aditiva por arco de alambre (WAAM), es capaz de producir estructuras grandes y de baja resolución, pero estas pueden ser susceptibles de agrietarse y deformarse porque algunas partes deben volver a fundirse durante el proceso de impresión. LMP, por otro lado, mantiene el material fundido durante todo el proceso, evitando algunos de los problemas estructurales causados por la refundición. Basándose en el trabajo anterior del grupo sobre la impresión rápida de líquidos con caucho, los investigadores construyeron una máquina que funde aluminio, retiene el metal fundido y lo deposita a través de una boquilla a altas velocidades. Las piezas a gran escala se pueden imprimir en solo unos segundos, y luego el aluminio fundido se enfría en varios minutos. "Nuestra tasa de proceso es muy alta, pero también es muy difícil de controlar. Es más o menos como abrir un grifo. Tienes un gran volumen de material para derretir, lo que lleva algún tiempo, pero una vez que consigues que se derrita, es como abrir un grifo. Eso nos permite imprimir estas geometrías muy rápidamente", explica Karsan. El equipo eligió el aluminio porque se usa comúnmente en la construcción y se puede reciclar de manera económica y eficiente. Las piezas de aluminio del tamaño de una barra de pan se depositan en un horno eléctrico, "que es básicamente como una tostadora a escala", agrega Karsan. Las bobinas de metal dentro del horno calientan el metal a 700 grados Celsius, ligeramente por encima del punto de fusión de 660 grados del aluminio. El aluminio se mantiene a alta temperatura en un crisol de grafito y, a continuación, el material fundido se alimenta por gravedad a través de una boquilla de cerámica en un lecho de impresión a lo largo de una ruta preestablecida. Descubrieron que cuanto mayor era la cantidad de aluminio que podían fundir, más rápido podía ir la impresora. "El aluminio fundido destruirá casi todo a su paso. Comenzamos con boquillas de acero inoxidable y luego pasamos al titanio antes de terminar con la cerámica. Pero incluso las boquillas de cerámica pueden obstruirse porque el calentamiento no siempre es completamente uniforme en la punta de la boquilla", dice Karsan. Al inyectar el material fundido directamente en una sustancia granular, los investigadores no necesitan imprimir soportes para sostener la estructura de aluminio a medida que toma forma. Perfeccionando el proceso Experimentaron con una serie de materiales para llenar la cama de impresión, incluidos polvos de grafito y sal, antes de seleccionar perlas de vidrio de 100 micras. Las diminutas perlas de vidrio, que pueden soportar la temperatura extremadamente alta del aluminio fundido, actúan como una suspensión neutra para que el metal se enfríe rápidamente. "Las cuentas de vidrio son tan finas que se sienten como seda en la mano. El polvo es tan pequeño que realmente no cambia las características de la superficie del objeto impreso", dice Tibbits. La cantidad de material fundido que se encuentra en el crisol, la profundidad de la cama de impresión y el tamaño y la forma de la boquilla tienen el mayor impacto en la geometría del objeto final. Por ejemplo, las partes del objeto con diámetros más grandes se imprimen primero, ya que la cantidad de aluminio que dispensa la boquilla se reduce a medida que se vacía el crisol. Cambiar la profundidad de la boquilla altera el grosor de la estructura metálica. Para ayudar en el proceso LMP, los investigadores desarrollaron un modelo numérico para estimar la cantidad de material que se depositará en la cama de impresión en un momento dado. Debido a que la boquilla empuja el polvo de perlas de vidrio, los investigadores no pueden observar el aluminio fundido a medida que se deposita, por lo que necesitaban una forma de simular lo que debería estar sucediendo en ciertos puntos del proceso de impresión, explica Tibbits. Utilizaron LMP para producir rápidamente marcos de aluminio con espesores variables, que eran lo suficientemente duraderos como para soportar procesos de mecanizado como fresado y mandrinado. Demostraron una combinación de LMP y estas técnicas de posprocesamiento para fabricar sillas y una mesa compuestas por piezas de aluminio de menor resolución e impresión rápida y otros componentes, como piezas de madera. En el futuro, los investigadores quieren seguir iterando en la máquina para poder permitir un calentamiento constante en la boquilla para evitar que el material se pegue y también lograr un mejor control sobre el flujo de material fundido. Pero los diámetros de boquilla más grandes pueden dar lugar a impresiones irregulares, por lo que todavía hay desafíos técnicos que superar. "Si pudiéramos hacer de esta máquina algo que la gente pudiera usar para fundir aluminio reciclado e imprimir piezas, eso cambiaría las reglas del juego en la fabricación de metales. En este momento, no es lo suficientemente confiable para hacer eso, pero ese es el objetivo", dice Tibbits. "En Emeco, venimos del mundo de la fabricación muy analógica, por lo que ver la impresión de metal líquido creando geometrías matizadas con el potencial de piezas totalmente estructurales fue realmente convincente", dice Jaye Buchbinder, quien lidera el desarrollo comercial de la empresa de muebles Emeco y no participó en este trabajo. "La impresión de metal líquido realmente va por la línea en términos de capacidad para producir piezas metálicas en geometrías personalizadas, al tiempo que mantiene una respuesta rápida que normalmente no se obtiene en otras tecnologías de impresión o conformado. Definitivamente, existe el potencial de que la tecnología revolucione la forma en que se maneja actualmente la impresión y el conformado de metales". Otros investigadores que trabajaron en este proyecto son Kimball Kaiser, Jeremy Bilotti, Bjorn Sparrman, Schendy Kernizan y María Esteban Casanas. Esta investigación fue financiada, en parte, por Aisin Group, Amada Global y Emeco.