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El proceso 3D ofrece grandes ventajas en lo relativo a tiempo y costes para poder evaluar probetas de ensayo cerámicas. Y, a diferencia de las estrategias de fabricación clásicas, además, permite combinar diferentes materiales. La investigación se centra aquí en la cerámica técnica y en las aplicaciones médicas.
El proceso de impresión 3D adquiere cada vez más importancia en los grupos de materiales vidrio y cerámica, donde puede ser una alternativa a los procesos de fundición en molde convencionales y también al fresado. Desde 2021, el Instituto de Investigación de Vidrio/Cerámica (FGK, por sus siglas en alemán) en Höhr-Grenzhausen (Alemania) utiliza una instalación 3D CEM ExAM 255 de AIM3D para la investigación.
Aceleración de la investigación mediante el prototipado rápido 3D
El proceso CEM, como una variante de la impresión 3D, viene a complementar el proceso CIM convencional (moldeo por inyección cerámica). Debido a la ausencia de molde para fabricar la pieza, el ahorro en términos de tiempo y costes es enorme. Si esta tecnología ya resultaba convincente para el prototipado, sus ventajas aún son más evidentes en la fabricación de probetas para el ensayo de materiales, permitiendo evaluar más rápidamente nuevos materiales cerámicos, así como acelerar el desarrollo de nuevas formulaciones de granulados cerámicos. Pero, además, la tecnología CEM permite que el FGK no dependa de la industria, ya que no se necesitan moldes ni capacidades para confeccionar probetas de ensayo, por lo que la impresión 3D lo hace autosuficiente.
Imágenes: AIM3D GmbH, Rostock (D) / FGK
Piezas híbridas: técnica cerámica de varios componentes
Ingeniero de proyecto Murat Demirtas: “La ventaja principal de este proceso CEM de AIM3D es la flexibilidad. La impresora multimaterial ExAM 255 permite realizar combinaciones de cerámica/cerámica, cerámica/polímeros o cerámica/metal. Las piezas híbridas amplían enormemente las propiedades de las piezas como diseño funcional.” Esto significa en concreto la combinación de diferentes cerámicas en una misma pieza, pero también la combinación de otras clases de materiales en una pieza con el fin de dotarla de unas propiedades determinadas. También es posible obtener piezas fabricadas como cuerpo base voluminoso mediante el proceso CIM e impresas a continuación con un componente más pequeño por el proceso CEM. Muy interesante resulta asimismo la combinación de cerámica para el aislamiento eléctrico y metal para la conductividad. Esto permite la realización de enfoques MID (Multi Integrated Devices). Naturalmente, también se pueden incrementar las características de rendimiento de una pieza. Posibles parámetros son granulometrías variables, determinadas características superficiales, pero también determinadas propiedades químicas (resistencia a fluidos), eléctricas (factor de conductividad) o térmicas (resistencia térmica). La impresión 3D por el proceso CEM abre un abanico de posibilidades en forma de soluciones híbridas en términos de materiales y procesos.
Diseño 3D de una pieza cerámica con FEA
El diseño de una pieza 3D forma ya parte de la cadena de proceso digital. La geometría original de una pieza 3D se optimiza mediante iteración utilizando el análisis de elementos finitos (FEA, por sus siglas en inglés) (Figura 10). Simulando las zonas de carga dentro de la pieza se va optimizando este paso a paso. La contracción de la cerámica en función del control de proceso térmico contribuye también a la generación de nuevas iteraciones adaptadas de la pieza 3D. Una importancia clave tiene la topología: de esa forma pueden crearse estructuras reticulares que ahorran peso a la vez que garantizan la resistencia. Murat Demirtas: “Las herramientas del análisis de elementos finitos permiten llevar a cabo un diseño de piezas optimizado para una aplicación concreta. Para ello se combinan aspectos como la biónica, la topología, ahorros de material y características de rendimiento.”
Ventajas de la impresión 3D para la cerámica técnica
El proceso CEM de AIM3D se basa en el uso de granulados o polvos convencionales con muchas ventajas de precio en comparación con los filamentos. En lo que respecta a la materia prima, las ventajas de precio pueden alcanzar el factor 10. Además, se pueden obtener estructuras biónicas con diferentes densidades. La reducción de tensiones en la pieza también aporta ventajas en comparación con un proceso CIM convencional. Las piezas pueden ser ahora más ligeras, lo que permite ahorrar material. El consumo de recursos en comparación con el fresado o la fundición constituye una clara ventaja de una estrategia de impresión 3D. Pero la impresión 3D permite además realizar geometrías que no serían posibles con técnicas convencionales, como destalonamientos especiales o diseños biónicos. Una ventaja clave reside además en la técnica “one shot”: una pieza se construye de manera sucesiva sin trabajo de montaje, incluso con integración de la función. Esto permite optimizar mediante reingeniería el diseño y la función de una pieza convencional en impresión 3D. La investigación en el FGK abarca naturalmente muchos campos: sirve la investigación de materiales, la optimización de la topología para la eliminación de tensiones en la pieza, pero también el incremento y la integración de funciones, así como la adaptación a medida del acabado superficial (porosidad).
Investigación en el FGK
El instituto FGK recurre a diferentes tecnologías de proceso, entre ellas también el proceso CEM, para llevar a cabo análisis de materiales o el desarrollo de granulados, como nuevas “formulaciones”. El objetivo consiste en seguir desarrollando el rendimiento de la cerámica como material. Esto se complementa con la búsqueda de nuevas áreas de aplicación para piezas 3D cerámicas o híbridas. Su actividad incluye asimismo servicios en el campo de los materiales por encargo de la industria o asesoramientos a lo largo de la cadena de procesos. El FGK es en ese sentido un moderador entre los fabricantes de materias primas, los constructores de maquinaria y la industria transformadora.
Sectores que utilizan piezas cerámicas
Las piezas cerámicas juegan un papel muy importante en los implantes médicos, ya que aquí se puede combinar la biocompatibilidad con la resistencia. Estructuras de poros abiertos resultan aquí especialmente adecuadas para la incorporación en tejidos. Densidades selectivas ahorran material o peso y generan los módulos elásticos deseados. Sin embargo, el campo principal es la cerámica técnica. En función de la aplicación, una solución cerámica puede presentar las siguientes características: resistencia al calor hasta bastante más de 1000 °C, aislamiento eléctrico, altas constantes dieléctricas, gran resistencia a la abrasión y el desgaste, grados de dureza, conductividad térmica variable, baja densidad o también escasa dilatación térmica, por nombrar solo algunas de las propiedades de este material versátil. Campos de aplicación son, por ejemplo, elementos calefactores, bujías, elementos de alta tensión, circuitos electrónicos, condensadores cerámicos con elevada capacidad volumétrica, superficies deslizantes, toberas para el corte por láser y chorro de agua (boquillas de corte), cojinetes en bombas, pistones y cilindros, superficies metálicas con recubrimiento en polvo, rodamientos, uso como material de corte (cerámica de corte) en el mecanizado por arranque de virutas, recubrimiento de bombas en la industria química, así como los citados implantes en la técnica médica. Por otra parte, la cerámica no técnica tiene también su importancia en la cerámica de uso general (p. ej., porcelana), en baldosas o sistemas de saneamiento, pero apenas en el ámbito de la impresión 3D debido al volumen de las piezas y el tamaño de los lotes.
El Instituto de Investigación de Vidrio/Cerámica (FGK) en Höhr-Grenzhausen, Alemania, es un instituto vinculado a la Universidad de Coblenza que se dedica a la investigación de materiales inorgánicos en los grupos de materiales vidrio y cerámica. En la Universidad de Coblenza se ofrece la carrera de ingeniería Técnica de materiales Vidrio y Cerámica, de la que se nutre una parte de los 50 empleados que actualmente forman la plantilla del instituto. La actividad del instituto FGK se centra en la investigación y el desarrollo, el ensayo de materiales y el asesoramiento en temas de innovación como socio y proveedor de servicios para la industria.
AIM3D GmbH es una startup fundada en 2017 como empresa derivada de la Universidad de Rostock (Lehrstuhl für Fluidtechnik und Mikrofluidtechnik) en Rostock (Alemania). Esta empresa crea impresoras 3D industriales que funcionan según el proceso CEM (Composite Extrusion Modeling). Esto permite la fabricación de componentes y prototipos mediante pellets de moldeo por inyección corrientes en el mercado de los siguientes grupos de materiales: metal, termoplásticos (rellenos) y cerámica sin costes de reequipamiento en una impresora 3D multimaterial disruptiva.