Durante milenios, Los metalúrgicos han estado ajustando meticulosamente los ingredientes del acero para mejorar sus propiedades. Como resultado, hoy en día existen varias variantes de acero; pero un tipo, llamado acero martensítico, se destaca de sus primos de acero como más fuerte y más rentable de producir. Por eso, los aceros martensíticos se prestan naturalmente a aplicaciones en la industria aeroespacial, industrias automotriz y de defensa, entre otros, donde de alta resistencia, las piezas livianas deben fabricarse sin aumentar el costo.

Sin embargo, para estas y otras aplicaciones, los metales deben integrarse en estructuras complejas con una mínima pérdida de resistencia y durabilidad. Investigadores de la Universidad de Texas A&M, en colaboración con científicos del Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea, ahora han desarrollado pautas que permiten la impresión 3D de aceros martensíticos en muy resistentes, objetos sin defectos de casi cualquier forma.

"Los aceros fuertes y duros tienen aplicaciones tremendas, pero los más fuertes suelen ser costosos; la única excepción son los aceros martensíticos que son relativamente económicos, cuesta menos de un dólar la libra, "dijo el Dr. Ibrahim Karaman, Profesor I de Chevron y jefe del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales. "Hemos desarrollado un marco para que la impresión 3D de estos aceros duros sea posible en cualquier geometría deseada y el objeto final estará prácticamente libre de defectos".

Aunque el procedimiento desarrollado fue inicialmente para aceros martensíticos, Los investigadores de Texas A&M dijeron que han hecho sus pautas lo suficientemente generales como para que la misma tubería de impresión 3D pueda usarse para construir objetos intrincados a partir de otros metales y aleaciones también.

Los hallazgos del estudio se publicaron en la edición de diciembre de la revista. Acta Materialia .

Los aceros están hechos de hierro y una pequeña cantidad de otros elementos, incluido el carbono. Los aceros de martensita se forman cuando los aceros se calientan a temperaturas extremadamente altas y luego se enfrían rápidamente. El enfriamiento repentino confina de manera antinatural los átomos de carbono dentro de los cristales de hierro, dando al acero martensítico su fuerza característica.

Tener diversas aplicaciones, aceros martensíticos, particularmente un tipo llamado aceros martensíticos de baja aleación, deben ensamblarse en objetos de diferentes formas y tamaños dependiendo de una aplicación en particular. Ahí es cuando la fabricación aditiva, más comúnmente conocida como impresión 3-D, proporciona una solución práctica. Usando esta tecnología, Los elementos complejos se pueden construir capa por capa calentando y fundiendo una sola capa de polvo metálico a lo largo de un patrón con un rayo láser afilado. Cada una de estas capas unidas y apiladas crea el objeto final impreso en 3D.

Sin embargo, Los aceros martensíticos de impresión 3D que utilizan láseres pueden introducir defectos no deseados en forma de poros dentro del material.

"Las porosidades son pequeños orificios que pueden reducir drásticamente la resistencia del objeto final impreso en 3-D, incluso si la materia prima utilizada para la impresión 3D es muy fuerte, ", dijo Karaman." Para encontrar aplicaciones prácticas para el nuevo acero martensítico, necesitábamos volver a la mesa de dibujo e investigar qué ajustes del láser podrían prevenir estos defectos ".

Por sus experimentos, Karaman y el equipo de Texas A&M primero eligieron un modelo matemático existente inspirado en la soldadura para predecir cómo se derretiría una sola capa de polvo de acero martensítico para diferentes configuraciones de velocidad y potencia del láser. Al comparar el tipo y la cantidad de defectos que observaron en una sola pista de polvo derretido con las predicciones del modelo, pudieron cambiar ligeramente su marco existente para que las predicciones posteriores mejoraran.

Después de algunas de estas iteraciones, su marco podría pronosticar correctamente, sin necesidad de experimentos adicionales, si es nuevo Un conjunto de ajustes de láser no probado conduciría a defectos en el acero martensítico. Los investigadores dijeron que este procedimiento es más eficiente en el tiempo.

"Probar toda la gama de posibilidades de ajuste del láser para evaluar cuáles pueden dar lugar a defectos requiere mucho tiempo, y a veces, incluso poco práctico, "dijo Raiyan Seede, estudiante de posgrado en la Facultad de Ingeniería y autor principal del estudio. "Combinando experimentos y modelado, pudimos desarrollar un sencillo, rápido, procedimiento paso a paso que se puede utilizar para determinar qué configuración funcionaría mejor para la impresión 3D de aceros martensíticos ".

Seede también señaló que, aunque sus directrices se desarrollaron para garantizar que los aceros martensíticos se puedan imprimir sin deformaciones, su marco se puede utilizar para imprimir con cualquier otro metal. Dijo que esta aplicación ampliada se debe a que su marco se puede adaptar para que coincida con las observaciones de los experimentos de una sola pista para cualquier metal dado.

"Aunque empezamos con un enfoque en la impresión 3D de aceros martensíticos, desde entonces, hemos creado una línea de impresión más universal, "dijo Karaman." Además, Nuestras pautas simplifican el arte de imprimir metales en 3D para que el producto final no tenga porosidades, que es un desarrollo importante para todo tipo de industrias de fabricación de aditivos metálicos que fabrican piezas tan simples como tornillos a otras más complejas como trenes de aterrizaje, cajas de cambios o turbinas ".