FGK, de la Universidad de Ciencias Aplicadas de Coblenza, es el nuevo socio investigador de Aim3D

El proceso de impresión 3D es cada vez más importante para el vidrio y la cerámica y ahora complementa los procesos de fundición convencionales basados en moldes o incluso el fresado. Desde 2021, el FGK (Forschungsinstitut für Glas/Keramik) de Hoehr-Grenzhausen utiliza un sistema CEM 3D ExAM 255 de Aim3D con fines de investigación. El proceso 3D ofrece grandes ventajas en cuanto a tiempo y costes a la hora de evaluar probetas cerámicas. También permite más combinaciones de materiales que las estrategias de fabricación estándar. La atención se centra en la cerámica técnica, pero también en las aplicaciones médicas.

Murat Demirtas, ingeniero de proyectos de FGK, mientras establece los parámetros para el proceso de impresión 3D. Foto Aim3D GmbH.

El proceso CEM, como aproximación a la impresión 3D, es el complemento del proceso CIM convencional (moldeo por inyección de cerámica). La construcción de componentes sin herramientas ahorra una cantidad considerable de tiempo y reduce significativamente los costes. Como ya se ha demostrado en la creación de prototipos, también es especialmente importante en la producción de probetas para ensayos de materiales: de este modo, los nuevos materiales cerámicos pueden evaluarse con mayor rapidez. También se pueden desarrollar más rápidamente nuevas composiciones de granulados cerámicos. Además, la tecnología CEM permite a FGK ser independiente de la industria, ya que no es necesario adquirir moldes ni capacidades para probetas. De este modo, FGK es autosuficiente gracias a la impresión 3D.

Murat Demirtas, ingeniero de proyectos: “El verdadero encanto de este proceso CEM de Aim3D es su flexibilidad. La impresora multimaterial ExAM 255 permite combinaciones de cerámica/cerámica, cerámica/polímeros o cerámica/metal. Los componentes híbridos amplían masivamente las propiedades de los componentes, permitiendo un diseño funcional”. En concreto, esto significa que se puede utilizar una combinación de diferentes cerámicas, o una combinación de otras clases de materiales, en un único componente para reproducir determinadas propiedades en un componente. También es posible crear piezas partiendo de una base voluminosa producida mediante el proceso CIM y añadiendo después un componente impreso más pequeño mediante el proceso CEM. También es interesante la combinación de cerámica para el aislamiento eléctrico y metal para la conductividad. Esto permite enfoques MID (Multi Integrated Devices). Obviamente, también se pueden aumentar las características de rendimiento de un componente. Los parámetros posibles son tamaños de grano variables, determinadas características superficiales, pero también determinadas propiedades químicas (resistencia a los medios), eléctricas (factor de conductividad) o térmicas (resistencia a la temperatura). La impresión 3D mediante el proceso CEM abre un abanico de posibilidades gracias al material híbrido y a las soluciones de fabricación híbridas.

Selección de componentes de Al₂O₃ (óxido de aluminio) impresos en el ExAM 255. Foto Aim3D GmbH.

El diseño de un componente 3D ya forma parte de la cadena del proceso digital. La geometría original de un componente 3D se optimiza en un proceso iterativo utilizando el análisis de elementos finitos (AEF) (foto 3) y simulando sucesivamente las zonas de tensión dentro del componente. Además, si se tiene en cuenta la contracción de la cerámica debida al control del proceso térmico, se producen adaptaciones adicionales del componente 3D. La topología es especialmente importante, ya que es posible utilizar estructuras reticulares que ahorran peso al tiempo que garantizan la resistencia requerida. Murat Demirtas: “Las herramientas del análisis de elementos finitos permiten diseñar un componente de manera que se adapte específicamente a la aplicación deseada. Para ello, se combinan aspectos de biónica, topología, ahorro de material y características de rendimiento.”

El proceso CEM de Aim3D utiliza granulados o polvos convencionales que son muy rentables en comparación con los filamentos. En el caso de la materia prima, los costes totales pueden reducirse hasta un factor de 10. Además, son posibles estructuras biónicas con diferentes densidades y la reducción de tensiones en el componente también ofrece ventajas en comparación con un proceso CIM convencional. Las piezas pueden ser ahora más ligeras y requieren el uso de menos material. La reducción del consumo de recursos, en comparación con el fresado o la fundición, es una clara ventaja de una estrategia de impresión 3D. Además, la impresión 3D hace posibles geometrías que no pueden realizarse con los procesos de fabricación convencionales, como socavados especiales o diseños biónicos. Otra ventaja significativa es la “tecnología one-shot”: un componente se construye sucesivamente sin necesidad de ensamblaje, incluso cuando se integran determinadas funcionalidades. De este modo, un componente convencional puede optimizarse constructiva y funcionalmente con la impresión 3D mediante reingeniería. La investigación llevada a cabo en FGK abarca naturalmente una amplia gama de temas: desde la investigación de materiales, pasando por la optimización de la topología con el objetivo de reducir las tensiones en el componente, hasta la mejora funcional y la integración, así como la adaptación de la calidad de la superficie (porosidad).

Foto 3. Hitos de construcción y producción de un componente optimizado mediante análisis de elementos finitos (FEA), realizado con Al₂O₃ en un ExAM 255 de Aim3D. Foto: FGK.

El instituto FGK lleva a cabo análisis de materiales utilizando diversas tecnologías de proceso, incluido el proceso CEM, pero también se ocupa del desarrollo de granulados, como las nuevas “formulaciones”. El objetivo es seguir desarrollando el rendimiento de la cerámica. Esto se complementa con la búsqueda de nuevas áreas de aplicación para soluciones de componentes cerámicos e híbridos 3D. El instituto también ofrece servicios de materiales en nombre de empresas industriales, así como servicios de consultoría a lo largo de la cadena de procesos. De este modo, FGK actúa como facilitador entre los productores de materias primas, los fabricantes de maquinaria y la industria transformadora.

Los componentes cerámicos desempeñan un papel fundamental en los implantes médicos debido a su biocompatibilidad en combinación con su resistencia. En este sentido, las estructuras de poros abiertos son especialmente adecuadas para la absorción en el tejido. Las densidades selectivas ahorran material y peso y producen los módulos de Young deseados. Sin embargo, el campo de aplicación principal es la cerámica técnica. Dependiendo de la aplicación, una solución cerámica puede tener las siguientes características: resistencia al calor hasta bastante más de 1.000 °C, aislamiento eléctrico, constantes dieléctricas elevadas, alta resistencia a la abrasión y al desgaste, grados variables de dureza, conductividad térmica variable, baja densidad o incluso baja dilatación térmica, por nombrar sólo algunas palabras clave de este versátil material. Sus campos de aplicación son, por ejemplo, elementos calefactores, bujías de encendido, elementos de alta tensión, circuitos electrónicos, condensadores cerámicos de gran capacidad volumétrica, superficies deslizantes, boquillas para corte por láser y chorro de agua (boquillas de corte), cojinetes deslizantes en bombas, pistones y cilindros, superficies metálicas recubiertas de polvo, cojinetes de bolas, uso como material de corte (cerámica de corte), en mecanizado, recubrimiento de bombas en la industria química, así como los implantes mencionados en tecnología médica. Además de esto, las cerámicas no técnicas son obviamente también importantes, por ejemplo, en los ámbitos de la cerámica utilitaria (incluida la porcelana), los azulejos o los objetos sanitarios, pero estos tienen poca importancia en el ámbito de la impresión 3D debido al gran tamaño de los componentes o a los grandes tamaños de los lotes.