Como parte de la Directiva sobre Elementos Escasos, la industria está obligada a manejar con cuidado el escaso recurso de las tierras raras. En este contexto, cobra importancia un nuevo avance en el campo de la impresión 3D de dichos metales en el Departamento de Química Técnica de la Universidad de Duisburgo-Essen (UDE). El dispositivo a gran escala, que cuesta unos 950.000 euros, es único en el mundo y se caracteriza sobre todo porque analiza el material de construcción durante el proceso de fabricación y permite así controlar la calidad en tiempo real.
Además de su uso en componentes electrónicos y en la producción de potentes imanes, las tierras raras son también componentes indispensables de los motores eléctricos. Aunque en principio hay cantidades suficientes en la corteza terrestre, las zonas de extracción son limitadas y están en manos de unos pocos países. La situación política mundial, en particular, ha provocado una escasez de estos metales en Europa y el consiguiente aumento de precios.
Evitar defectos en piezas 3D en una fase temprana
Fabricar en pocas horas componentes complejos y de interés industrial a partir de diversos metales es ya una realidad en el campo de la fabricación aditiva. Con las impresoras 3D, el polvo metálico se aplica en capas finas, se fusiona con un láser y se crea el objeto deseado capa a capa. Sin embargo, con algunos materiales, como los imanes permanentes, este método alcanza sus límites. Esto se debe a que la microestructura de los componentes impresos en 3D a menudo difiere significativamente de las piezas fabricadas convencionalmente. La diferencia clave en este caso es la altísima velocidad de enfriamiento. Después de que el láser haya pasado por la zona a fundir, el material se enfría más de 1000 °C en menos de un segundo. Esto significa que los elementos no tienen tiempo suficiente para disponerse en la estructura cristalina óptima para el magnetismo permanente. Además, hasta ahora sólo era posible comprobar la distribución de los elementos de los imanes impresos con los llamados métodos ex situ, es decir, sólo después del proceso de fabricación. Sin embargo, esto no es específico de los materiales magnéticos, sino que se aplica en general al campo de la impresión 3D metálica. Los defectos sólo pueden detectarse una vez finalizada la impresión. "Esto cuesta mucho tiempo y dinero", explica la Dra. Anna Rosa Ziefuß, jefa del grupo de química de superficies y procesamiento láser del grupo de trabajo del Prof. Dr. Stephan Barcikowski. "Esto se debe a que las piezas defectuosas sólo se reconocen después del proceso, que a veces puede durar varios días. Las pruebas in situ, es decir, el análisis directamente durante el proceso de impresión, son cruciales para garantizar la calidad de forma eficaz, especialmente cuando se trata de materiales sensibles para la aviación o la medicina."
Control de la estructura de los componentes durante el proceso de impresión
La idea de los investigadores era, por tanto, controlar la composición exacta del material de los componentes en tiempo real. Para ello se utiliza la espectrometría de emisión óptica (OES). Se instala en la impresora 3D y analiza directamente cada capa de polvo, incluso con una resolución notablemente alta. Esto es necesario porque una capa de polvo sólo tiene unos 42 micrómetros de grosor, lo que equivale aproximadamente al diámetro de un cabello humano muy fino. A continuación, los datos registrados se fusionan en un modelo digital y se analizan en el ordenador. Aunque ya existen sistemas de impresión que pueden medir la temperatura durante el proceso o registrar fusiones irregulares, poros o grietas, la adición de los factores de composición y distribución es única en el mundo. Probablemente, ésta fue también la razón por la que la Fundación Alemana de Investigación (DFG) financió en gran medida este desarrollo y, por tanto, también el nuevo dispositivo a gran escala.
Los investigadores del Departamento de Química Técnica de la Universidad de Duisburg-Essen (UDE) tienen ahora dos años para demostrar que su idea funciona. Lo más difícil es analizar los datos. En particular, la altísima resolución genera una enorme cantidad de datos, que hay que procesar en consecuencia. Si sólo se observa la superficie lateral de un cubo de un centímetro de lado, ya se obtienen unos dos millones de puntos de medición. Para componentes tridimensionales de un tamaño relevante, la cantidad de datos aumenta exponencialmente. Por tanto, la compresión posterior de esta cantidad de datos sin perder datos relevantes constituye un reto particular. Sin embargo, la impresora ya se está utilizando, por ejemplo, en un subproyecto de un centro de investigación especial centrado en la fabricación aditiva de imanes permanentes.
