El avance del polvo de alúmina en los materiales de impresión 3D
Al ingresar al laboratorio de la Universidad Politécnica Northwestern, un equipo de fotocurado...impresora 3D Suena un ligero zumbido y el rayo láser se mueve con precisión en la suspensión cerámica. Apenas unas horas después, se presenta por completo un núcleo cerámico con una estructura compleja, similar a un laberinto: se utilizará para fundir los álabes de las turbinas de los motores de aviación. El profesor Su Haijun, responsable del proyecto, señaló el delicado componente y dijo: «Hace tres años, ni siquiera nos atrevíamos a pensar en tal precisión. El avance clave se esconde en este discreto polvo de alúmina».
Hubo un tiempo en que la cerámica de alúmina era como un "estudiante problemático" en el campo de laImpresión 3DAlta resistencia, resistencia a altas temperaturas y buen aislamiento, pero una vez impreso, presentaba muchos problemas. En los procesos tradicionales, el polvo de alúmina presentaba poca fluidez y a menudo obstruía el cabezal de impresión; la tasa de contracción durante la sinterización podía alcanzar el 15-20%, y las piezas impresas con gran esfuerzo se deformaban y agrietaban al quemarse. ¿Estructuras complejas? Es un lujo aún mayor. Los ingenieros estaban preocupados: «Este producto es como un artista obstinado, con ideas descabelladas pero sin suficientes manos».
1. Fórmula rusa: poner “armadura de cerámica” en laaluminiomatriz
El punto de inflexión se produjo inicialmente con la revolución en el diseño de materiales. En 2020, científicos de materiales de la Universidad Nacional de Ciencia y Tecnología (NUST MISIS) de Rusia anunciaron una tecnología revolucionaria. En lugar de simplemente mezclar polvo de óxido de aluminio, introdujeron polvo de aluminio de alta pureza en un autoclave y, mediante oxidación hidrotérmica, generaron una capa de óxido de aluminio con un espesor controlable con precisión en la superficie de cada partícula de aluminio, similar a la aplicación de una capa de blindaje a nivel nanométrico sobre una esfera de aluminio. Este polvo con estructura de núcleo-capa muestra un rendimiento excepcional durante la impresión 3D láser (tecnología SLM): su dureza es un 40 % superior a la de los materiales de aluminio puro y su estabilidad a altas temperaturas se ha mejorado considerablemente, cumpliendo así con los requisitos de calidad aeronáutica.
El profesor Alexander Gromov, líder del proyecto, planteó una vívida analogía: «Antes, los materiales compuestos eran como ensaladas: cada uno se encargaba de su propio negocio; nuestros polvos son como sándwiches: el aluminio y la alúmina se unen capa a capa, y ninguno puede prescindir del otro». Esta fuerte combinación permite que el material demuestre su eficacia en piezas de motores de aviación y estructuras de carrocería ultraligeras, e incluso empieza a desafiar el terreno de las aleaciones de titanio.
2. Sabiduría china: la magia de la cerámica “engastada”
El mayor problema de la impresión cerámica de alúmina es la contracción por sinterización. Imagine que amasa cuidadosamente una figura de arcilla y esta se encoge hasta el tamaño de una patata al entrar en el horno. ¿Cuánto se encogería? A principios de 2024, los resultados publicados por el equipo del profesor Su Haijun, de la Universidad Politécnica Northwestern, en la revista Journal of Materials Science & Technology marcaron un antes y un después en la industria: obtuvieron un núcleo de cerámica de alúmina con una contracción casi nula, con una tasa de contracción de tan solo el 0,3 %.
El secreto está en sumarpolvo de aluminioa la alúmina y luego realizar una precisa “magia de atmósfera”.
Añadir polvo de aluminio: Mezcle el 15 % de polvo de aluminio fino en la suspensión de cerámica.
Controlar la atmósfera: utilizar protección con gas argón al inicio de la sinterización para evitar que el polvo de aluminio se oxide.
Conmutación inteligente: cuando la temperatura sube a 1400 °C, cambia repentinamente la atmósfera a aire.
Oxidación in situ: el polvo de aluminio se funde instantáneamente en gotitas y se oxida a óxido de aluminio, y la expansión del volumen compensa la contracción.
3. Revolución del aglutinante: el polvo de aluminio se convierte en un «pegamento invisible»
Mientras los equipos ruso y chino trabajan arduamente en la modificación de polvos, otra vía técnica ha madurado discretamente: el uso de polvo de aluminio como aglutinante. Cerámica tradicional.Impresión 3DLos aglutinantes son principalmente resinas orgánicas, que dejan cavidades al quemarse durante el desengrasado. La patente de 2023 de un equipo nacional adopta un enfoque diferente: convertir polvo de aluminio en un aglutinante a base de agua.
Durante la impresión, la boquilla rocía con precisión un adhesivo que contiene entre un 50 % y un 70 % de polvo de aluminio sobre la capa de óxido de aluminio. En la etapa de desengrasado, se crea vacío y se pasa oxígeno, y el polvo de aluminio se oxida a óxido de aluminio a 200-800 °C. Su capacidad de expansión de volumen superior al 20 % le permite rellenar activamente los poros y reducir la tasa de contracción a menos del 5 %. «Es como desmontar un andamio y construir una nueva pared al mismo tiempo, ¡y rellenar tus propios agujeros!», lo describió así un ingeniero.
4. El arte de las partículas: la victoria del polvo esférico
La "apariencia" del polvo de alúmina se ha convertido inesperadamente en la clave de los avances tecnológicos; esta apariencia se refiere a la forma de la partícula. Un estudio publicado en la revista "Open Ceramics" en 2024 comparó el rendimiento de los polvos de alúmina esféricos e irregulares en la impresión por deposición fundida (CF³)5:
Polvo esférico: fluye como arena fina, la tasa de llenado supera el 60% y la impresión es suave y sedosa.
Polvo irregular: pegado como azúcar grueso, la viscosidad es 40 veces mayor y la boquilla está bloqueada para dudar de su vida útil.
Mejor aún, la densidad de las piezas impresas con polvo esférico supera fácilmente el 89 % tras la sinterización, y el acabado superficial cumple con creces la norma. "¿Quién usa todavía polvo "feo"? ¡La fluidez es sinónimo de eficacia!", concluyó un técnico con una sonrisa.
Futuro: Las estrellas y los mares coexisten con lo pequeño y lo bello
La revolución de la impresión 3D con polvo de alúmina está lejos de terminar. La industria militar ha liderado la aplicación de núcleos con contracción casi nula para fabricar álabes de turbofán; el sector biomédico se ha fijado en su biocompatibilidad y ha comenzado a imprimir implantes óseos personalizados; la industria electrónica se ha centrado en los sustratos de disipación térmica; después de todo, la conductividad térmica y la conductividad no eléctrica de la alúmina son irremplazables.