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En esta publicación veremos el método AM de Cold Metal Fusion (CMF) y responderemos esa pregunta exacta. ¿Qué es?

Cold Metal Fusion es un proceso de impresión de metal indirecto en polvo desarrollado por la empresa alemana Headmade Materials . Esta empresa fue noticia recientemente porque completó una ronda de financiación de 1,9 millones de euros.

La tecnología promete permitir que aquellos con máquinas de sinterización láser de polímeros pasen al lado del metal. Para ser claros, están desarrollando materiales y no impresoras (al menos no todavía).

Pero espere … ¿cómo puede ser «sinterizado» y «frío» al mismo tiempo? Necesitas calor para sinterizar, ¿verdad? Si.

Al observar el diagrama de proceso a continuación, la materia prima de Headmade Materials es de metal en el interior y está recubierta con un aglutinante de polímero.

La pieza comienza como un archivo CAD y pasa por una cortadora para cortar el modelo en capas que se imprimirán en la máquina de sinterización. Puedes ver una capa en la imagen de abajo.

La impresión se produce por debajo de los 80 grados centígrados, lo que se logra con el rango de potencia de los sistemas de sinterización de plástico de baja potencia. Por eso se le llama «frío».

Al igual que con un sistema SLS normal, el limpiador deposita una nueva capa de polvo sin sinterizar sobre la capa construida anteriormente, el láser la sinteriza y todo se repite hasta que la pieza está completa.

Debido a que las partículas de metal no están expuestas al aire (estando protegidas en un polímero), no hay oxidación del metal. Además, debido al proceso de “frío”, no hay impacto del calor en los polvos no utilizados, por lo que aparentemente es muy fácil simplemente reutilizar el exceso de polvo viejo.

Y al ser un SLS, también requiere una estructura de soporte cero (según el sitio web), lo cual es bueno. Con todo, parece un proceso bastante eficiente.

Pero espere … el proceso no está completo.

Postprocesamiento

Una vez que se retira la parte «verde» de la impresora, se quita el polvo y se envía para cualquier procesamiento posterior, como fresado o taladrado, ya que la parte verde con aglutinante todavía es lo suficientemente fuerte para trabajar.

Tras el posprocesamiento, la parte verde se envía para desaglomerado, en el que el plástico sinterizado (y soluble) se disuelve de la estructura metálica, dejando la denominada “parte marrón” lista para el paso final: la sinterización real del metal.

Y para este paso necesita un horno capaz de alcanzar temperaturas de sinterización de metales.

Los metales que ofrece la empresa en este momento son acero inoxidable 316L, cobalto-cromo, titanio Ti6Al4V y tungsteno. Varios otros están en desarrollo, incluido el cobre, el acero para herramientas y una superaleación sin nombre.

El horno calienta las partes marrones y quema cualquier ligante restante de la parte. Finalmente, las partículas metálicas restantes se sinterizan y la parte metálica completa emerge del horno, como puede ver a continuación.

El sitio web de la compañía afirma que este sistema es el «costo de inversión más bajo de todos los procesos de impresión 3D de metal para la producción en serie», y por «serie» afirman que el sistema es bueno para producciones de hasta 100.000 piezas.

Lo que sucede después de 100.000 piezas no se menciona en el sitio, pero es más probable que sea una cuestión de economía. Es posible que los clientes deseen cambiar a otro método de fabricación con números superiores.

Pero aún así, producir 100k unidades de algo y ser más económico que MIM / fundición a alta presión a ese nivel no está mal, económicamente hablando.

Observaremos su desarrollo con interés, mientras nos preguntamos si algo que requiera temperaturas de sinterización de metales como mecanismo principal para la fusión de metales se puede realmente denominar un proceso “frío”.

1016 Industries , en asociación con Abushi , está imprimiendo en 3D un extenso kit de carrocería personalizado para el superdeportivo McLaren 720S Spider. La empresa de diseño de kits centrada en el rendimiento de Miami busca acelerar sus tiempos de desarrollo y, al mismo tiempo, reducir los costos de herramientas al incorporar AM en el proceso de producción.

Peter Northrop, el fundador de 1016 Industries, está usando su 720S personal para probar el nuevo método de fabricación. Los kits de carrocería generalmente van alrededor de la parte inferior del automóvil, por lo que las piezas requeridas son grandes y requieren semanas para fabricarse mediante técnicas convencionales. Una impresora 3D de resina UV con un volumen de construcción masivo de 4 x 5 x 6 pies fue capaz de imprimir todos los componentes como piezas individuales en solo una ejecución de 140 horas. “Cada parte de este proyecto se imprime como una sola pieza, lo que demuestra la capacidad para paneles de cuerpo completo”, dijo Northrop.

Las piezas se diseñaron utilizando CFD (dinámica de fluidos computacional) para validar que las geometrías produjeron una aerodinámica ideal, cuyos resultados se pueden ver en el video. La «aerodinámica» (aerodinámica) de un automóvil tiene un efecto significativo en su rendimiento, ya que tanto la resistencia como la carga aerodinámica están dictadas por la forma del automóvil. Arrastre es el término para la resistencia del aire, y cuanto más arrastre tiene un automóvil, más difícil le resulta ir rápido. La carga aerodinámica es lo que sucede cuando se voltea un ala. Es la cantidad de presión de aire que empuja hacia abajo el automóvil, lo que ayuda a mantenerlo pegado a la carretera al tomar curvas a altas velocidades. Las diferencias muy sutiles en la forma y el tamaño de los componentes aerodinámicos pueden tener un gran efecto en la resistencia y la carga aerodinámica, tanto que las alas se ajustan sobre la marcha solo unos pocos milímetros durante las carreras para aumentar el rendimiento.

Nuestro enfoque para este proyecto fue explorar cómo podríamos emplear la impresión 3D en el mundo automotriz, y los resultados al crear estas piezas de McLaren 720S son impresionantes. El proceso de impresión 3D no solo nos ha permitido fabricar de forma más rápida y eficiente, sino que también hemos mejorado la calidad. La tecnología 3D ha permitido que cada pieza de 1016 Industries se fabrique con mayor precisión, con cada pieza impresa a escala real para validar nuestro trabajo CAD y CFD. Peter Northrop, fundador de 1016 Industries

Para este kit aerodinámico, muchos paneles originales se reemplazan con piezas impresas en 3D, incluido el alerón, el capó, los guardabarros delanteros, las hojas exteriores de las puertas, los faldones inferiores de las puertas, los faldones laterales traseros inferiores, los paneles de los cuartos traseros, las extensiones de los parachoques y el difusor trasero. Esas son muchas piezas para fabricar con moldes que también requieren mucho tiempo y recursos. El herramental es un aspecto costoso y lento de la fabricación, por lo que reducir los procesos de herramental es el objetivo principal de este proyecto de impresión para 1016. Northrop explica: “El herramental es un factor importante en la velocidad y el costo de comercialización y en el caso de este estudio, si tuviéramos que replicar el proceso, habríamos ahorrado casi 10 semanas y el 60% de nuestro presupuesto de desarrollo. Esto nos permite la versatilidad para reducir los costos internos y basados en el cliente ”.

Pero el hecho de que estén buscando reducir los costos de herramientas con AM no significa que no vean más potencial para la tecnología en su línea de producción. “En segundo lugar, estamos utilizando este proceso de prototipo de la vida real para analizar ‘¿se pueden dejar estas piezas como piezas entregables al cliente?’ El 720S me pertenece, así que estamos bien para probarlo para determinar su viabilidad a largo plazo ”, afirmó Northrop. «El costo muerto total, si es viable, es casi un tercio del costo del trabajo directo compuesto».

Imagen y video destacados cortesía de 1016 Industries.

A medida que las iniciativas de energía renovable se extienden por las tierras (y los mares) del mundo, ha surgido un punto de datos interesante: en muchas partes del mundo, como las cercanas a las costas, cadenas montañosas y llanuras, la energía eólica es más eficiente que la energía solar. Las compañías de energía han estado instalando rápidamente parques eólicos en esas áreas, y hay más viento en altitudes más altas, por lo que han estado construyendo turbinas eólicas cada vez más altas para alcanzar esas velocidades de viento más rápidas. Ahora, para capturar más de ese dulce viento de alta velocidad, GE Renewable Energy planea imprimir en 3D las bases de las turbinas masivas para elevarlas dos veces más alto que los modelos actuales.

Si los vientos más rápidos se encuentran más arriba y se puede generar más energía con vientos más rápidos, debería ser tan simple como construir aerogeneradores más altos, ¿verdad? Si y no. Sí, es mejor construirlos más altos, pero hacerlo más alto no es tan simple. Los algoritmos necesarios para calcular un análisis de costo-beneficio para instalaciones de aerogeneradores son complejos.

Obviamente, hacerse más alto cuesta más, ya que se requiere más material para construir la turbina, pero para soportar las fuerzas adicionales del aumento de la masa y la velocidad del viento, las bases también tienen que ser más grandes. Las bases de gran fondo hacen girar el mundo de las turbinas. Para mantener bajos los costos de fabricación, las bases generalmente se construyen con concreto prefabricado y luego se envían en plataformas de semi-camión al sitio de instalación, por lo que el ancho de las carreteras y la altura libre de los pasos elevados son factores limitantes del tamaño, lo que significa que una base puede no debe ser más ancho que el límite de 4,5 metros de diámetro impuesto en las carreteras. Por supuesto, se podrían construir bases más grandes en el sitio, pero los costos de una operación de construcción típica compensarían demasiada energía generada por la turbina. Ahí es donde entra en juego la impresión 3D, específicamente la impresión de hormigón.

La impresión 3D está en el ADN de GE y creemos que la fabricación aditiva de gran formato traerá un potencial disruptivo a la industria eólica. La impresión de hormigón ha avanzado significativamente en los últimos cinco años y creemos que está cada vez más cerca de tener una aplicación real en el mundo industrial. Estamos comprometidos a aprovechar al máximo esta tecnología, tanto por la flexibilidad de diseño que permite como por la simplificación logística que permite en componentes tan masivos. Matteo Bellucci, líder de tecnología de fabricación avanzada en GE Renewable Energy

Los aspectos automatizados (bajos costos de mano de obra) y aditivos (bajo desperdicio) de la impresión 3D podrían generar suficientes ahorros de costos en la construcción en el sitio de bases de turbinas, por lo que llegar hasta los 200 metros se vuelve económicamente prudente. La mayoría de las turbinas eólicas alcanzan actualmente un máximo de 80 metros, por lo que llegar a 200 no es un cambio pequeño. Para agilizar el trabajo del proyecto (el plan es desplegar las nuevas bases impresas para 2023), GE se ha asociado con COBOD International , quien diseñará la automatización robótica y construirá la impresora 3D, y LafargeHolcim , quien desarrollará el material de hormigón especializado. para imprimir.

Un aerogenerador de 80 metros genera 15,1 GWh al año. En comparación, uno de 160 metros generaría 20,2 GWh, un aumento de más del 33%. No es de extrañar que GE esté mirando al cielo. Su primer prototipo de 10 metros de altura se imprimió con éxito en octubre del año pasado, así que espere uno más alto en cualquier momento.

El acero de Damasco es un tipo de acero de gran valor que se crea al doblar repetidamente dos aceros que tienen diferentes niveles de contenido de carbono. El acero con alto contenido de carbono es increíblemente duro, pero es más frágil que el acero con menos carbono. Doblar los dos juntos desbloquea tanto la dureza como la resistencia, y las exclusivas bandas onduladas que lo delatan son solo una ventaja estética. Aunque el acero de Damasco proviene de una antigua técnica de herrería que se remonta a la Siria del siglo XIII, Philipp Kürnsteiner del Instituto Max Planck para la Investigación del Hierro espera llevar el acero de Damasco a 2020 con una actualización tecnológica: la impresión 3D.

Enfriamiento rapido

Una parte fundamental de la técnica para doblar aceros en Damasco es el paso de temple o enfriamiento rápido. El enfriamiento rápido es necesario para que se produzcan los cambios microestructurales que hacen que el acero sea tanto duro como resistente. Los átomos se mueven a una forma cristalina durante el proceso de enfriamiento. En una forja tradicional, el temple se realiza con aceite o agua. Después de que se forja el metal, una serie de tratamientos de recocido (calor) conducen a la precipitación de partículas de níquel-titanio que hacen que el acero sea significativamente más duro, incluso con un bajo contenido de carbono. Esas partículas son las que hacen que el acero maraging sea tan duro, y los tratamientos de recocido y precipitación son los que lo hacen tan caro porque pueden tardar más de 48 horas de calentamiento y enfriamiento en completarse.

Para sus pruebas, los investigadores utilizaron un polvo de aleación de acero compuesto de níquel, titanio y hierro, elementos que se precipitarán en partículas de níquel-titanio en las circunstancias adecuadas que acabamos de describir. En una impresora 3D de metal, se logró un enfriamiento rápido simplemente apagando el láser de sinterización durante períodos entre algunas de las capas. Fácil. El enfriamiento permitió que se produjeran las formaciones cristalinas y el calor producido por el láser que volvía a imprimir más capas sirvió como tratamiento térmico in situ para precipitar las partículas deseables.

Mapeo de átomos

Para determinar si la técnica de impresión logró el resultado deseado, los investigadores mapearon la pieza de prueba y las partículas de níquel-titanio estaban presentes. Fueron un paso más allá y realizaron una prueba de fuerza; la muestra resistió un 20% más de fuerza de estiramiento antes de romperse en comparación con una pieza impresa tradicionalmente con el mismo polvo de aleación de acero. Eso no es tan fuerte como el acero maraging, pero sigue siendo un cambio impresionante considerando que tomó una fracción del tiempo (y costo) que se requiere para un proceso completo de recocido y precipitación.

Aunque solo se encuentran en la fase de descubrimiento de su investigación, esperan que eventualmente “uno pueda fabricar herramientas que sean suaves y resistentes por dentro y solo la piel exterior se endurezca por precipitación sin la necesidad de aplicar una capa o un tratamiento de cementación. . »

Imagen destacada cortesía de Frank Vinken, Instituto Max Planck para la Investigación del Hierro