Un equipo de investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL), el Laboratorio Nacional Ames, la Universidad Georgia Tech y la Universidad Estatal de Oregón han desarrollado método innovador para 3D imprimir acero inoxidable fuerte y dúctil.
Los investigadores produjeron efectivamente uno de los aceros inoxidables de grado marino más comúnmente utilizados, un tipo de bajo carbono llamado 316L.
La investigación se publica en la revista Nature Materials.
Investigaciones anteriores mostraron que los materiales creados a través de la impresión 3D a menudo tenían un rendimiento mecánico pobre en comparación con los materiales producidos por otros métodos de fabricación, dijo el científico de materiales de LLNL y autor principal Morris Wang.
Esto se debe a "poros intrínsecos y defectos atrapados durante los procesos de fabricación de aditivos", dijo Wang.
La intención del equipo fue garantizar que el rendimiento de los materiales impresos con 3D sea igual o mejor que el mismo material creado por otros métodos de fabricación, dijo Wang.
En este estudio, los investigadores lograron ese objetivo.
"Nuestra investigación demuestra que podemos imprimir aceros inoxidables fuertes y dúctiles, cuyo rendimiento es realmente mejor que el mismo material fabricado por otros métodos de fabricación", dijo Wang.
Esta investigación podría conducir a la impresión 3D generalizada de componentes de acero inoxidable en las industrias aeroespacial, automotriz y de petróleo y gas, donde se necesitan materiales fuertes y resistentes para tolerar la fuerza extrema en entornos hostiles, dijo Wang en un comunicado.
Para garantizar que el acero inoxidable 3L impreso en 316D cumpliera o superara los métodos de rendimiento probados en 316L tradicionalmente producidos, el equipo tuvo que limitar la porosidad causada durante la fusión de los polvos metálicos.
El equipo limitó la fragilidad y optimizó la densidad del acero inoxidable impreso con 3D mediante experimentos y modelado por computadora, así como alterando la microestructura del material.
"Esta microestructura que desarrollamos rompe la barrera tradicional de compensación de ductilidad-resistencia", dijo Wang en un comunicado.
“Para el acero, quieres hacerlo más fuerte, pero esencialmente pierdes ductilidad; no puedes tener ambos Pero con la impresión 3D, podemos mover este límite más allá de la compensación actual ”.
El equipo imprimió láminas delgadas de acero inoxidable 316L utilizando dos máquinas diferentes de fusión de lecho de polvo de láser. Esta técnica creó estructuras parecidas a las células que podrían usarse para alterar y mejorar las propiedades mecánicas, dijeron los investigadores en un comunicado.
"Cuando se fabrica 316L de forma aditiva, se crea una interesante estructura de grano, algo así como una vidriera de colores", científico de LLNL Alex Hamza dijo en un comunicado.
“Los granos no son muy pequeños, pero las estructuras celulares y otros defectos dentro de los granos que se ven comúnmente en la soldadura parecen estar controlando las propiedades. Este fue el descubrimiento ".
Este mismo enfoque para la impresión 3D podría detener el desarrollo de materiales de ingeniería adicionales, como aleaciones de titanio o aleaciones de magnesio, dijo Wang.
El investigador de posdoctorado de LLNL Thomas Voisin, un colaborador clave del trabajo, cree que esta investigación podría proporcionar una nueva comprensión de las relaciones estructura-propiedad en los materiales impresos con 3D.
"La deformación de los metales se controla principalmente por la forma en que los defectos a nanoescala se mueven e interactúan en la microestructura", dijo Voisin en un comunicado.
"Curiosamente, encontramos que esta estructura celular actúa como un filtro, permitiendo que algunos defectos se muevan libremente y, por lo tanto, brinden la ductilidad necesaria al tiempo que bloquean otros para proporcionar la resistencia. "Observar estos mecanismos y comprender su complejidad ahora nos permite pensar en nuevas formas de controlar las propiedades mecánicas de estos materiales impresos 3D".
Tradicionalmente, la impresión 3D no ha producido un rendimiento eficiente en metales en aleaciones. "De hecho, tal vez más del 90 por ciento de las aleaciones en uso actualmente no se pueden imprimir por 3D", dijo Wang.
El objetivo final del equipo es "demostrar que los componentes metálicos impresos con 3D tienen un rendimiento que es sustancialmente mejor que los componentes actuales que ya están en uso", dijo Wang.
"Esto va a llevar la fabricación aditiva a otro nivel".
Durante esta investigación de varios años, Ames Lab contribuyó realizando difracción de rayos X para comprender mejor el rendimiento del material, los investigadores de Georgia Tech construyeron modelos para determinar cómo 316L podría tener alta resistencia y ductilidad, y los investigadores del estado de Oregon realizaron análisis de composición y caracterización.
