Una nueva aleación de titanio hace que la impresión 3D sea más resistente y económica

Ingenieros del Real Instituto Tecnológico de Melbourne (RMIT) presentaron un nuevo proceso de fabricación para crear titanio impreso en 3D. El diseño renovado reemplaza ingredientes costosos, a la vez que mejora la durabilidad y reduce los costos y el tiempo de producción. Así es como esta aleación de titanio mejorada tiene el potencial de revolucionar diversas industrias, a la vez que inspira nuevos e innovadores diseños de compuestos.

Aleaciones de titanio impresas en 3D

La capacidad de imprimir aleaciones de titanio en 3D tiene tan solo una década y continúa evolucionando cada año. Existen muchas razones por las que los científicos siguen optando por las aleaciones de titanio como material ideal para la impresión 3D. Por un lado, ofrecen una excepcional relación resistencia-peso. Además, el material es resistente a la corrosión, lo que facilita su uso en dispositivos médicos y otros dispositivos de alta tecnología de misión crítica.

Los avances recientes han impulsado aún más el interés en las aleaciones de titanio impresas en 3D. El desarrollo de estructuras reticulares de titanio repetibles ha contribuido a que estas impresiones sean más estables, lo que permite su uso en más aplicaciones. Cabe destacar que la forma más común de imprimir aleaciones de titanio es mediante técnicas de fusión de lecho de polvo láser (LPBF) o deposición de energía dirigida (DED).

Comprensión del Ti-6Al-4V: la aleación estándar de la industria

Si bien existen muchos tipos de aleaciones de titanio, la más popular y consolidada es el titanio grado 5 (Ti-6Al-4V). Esta aleación de titanio proporciona durabilidad, resistencia y baja densidad a las impresiones. Además, su versatilidad permite su uso en una amplia gama de aplicaciones, incluyendo su uso como componente clave en aplicaciones aeroespaciales y automotrices avanzadas.

Problemas con la impresión 3D de aleaciones de titanio

Aunque popular, el titanio de grado 5 no es perfecto. Entre sus deficiencias se incluye un proceso de fabricación complejo, sujeto a la oxidación, lo que provoca errores en la impresión. Para evitarlo, estos dispositivos solo pueden funcionar en un entorno de gas inerte. Cada uno de estos requisitos incrementa el coste total de la impresión 3D de titanio.

Por qué es importante el control de la microestructura en la impresión de titanio

Uno de los mayores factores limitantes del enfoque actual para la impresión 3D de titanio es el control de las transiciones microestructurales que ocurren durante el proceso de solidificación. Esto se conoce como transición columnar-equiaxial (CET), y es un componente crítico que debe gestionarse para producir impresiones de aleación de titanio de alta calidad.

Hasta la fecha, ha sido extremadamente difícil para los investigadores obtener un control preciso del CET. Los datos muestran que estos materiales tienden a crear microestructuras en forma de columna durante el proceso de enfriamiento. Lamentablemente, estas estructuras deterioran la integridad de las impresiones, lo que resulta en propiedades mecánicas desiguales y una menor durabilidad.

Estudio de aleación de titanio impresa en 3D

Afortunadamente, estos problemas podrían quedar atrás. Un equipo de científicos del Real Instituto Tecnológico de Melbourne (RMIT) acaba de descubrir cómo aprovechar al máximo el potencial de las aleaciones de titanio impresas en 3D.

Su estudio¹, Criterios de composición para predecir transiciones columnares a equiaxiales en la fabricación aditiva de metales”, publicado en la revista científica Nature Communications, explica cómo lograron superar la creación de microestructuras en forma de columna utilizando nuevas mezclas de materiales.

Fuente - Universidad RMIT

En concreto, el equipo sustituyó el vanadio por un elemento patentado para obtener una impresión de alto rendimiento. El científico observó que el vanadio es caro y difícil de manipular debido a diversos factores. Reconociendo la necesidad de accesibilidad, decidieron sustituirlo por opciones fácilmente disponibles, garantizando así que los fabricantes no tuvieran que buscar mucho para encontrar los materiales necesarios para crear impresiones 3D de titanio de alta potencia en el futuro.

Resolviendo el desafío de la microestructura

Uno de los principales objetivos del estudio fue demostrar que los ingenieros podían modelar e imprimir en 3D piezas de titanio con microestructuras equiaxiales. Estos diseños ofrecerían propiedades mecánicas repetibles e iguales, lo que los hacía ideales para su uso en componentes de precisión.

Parámetros clave para la composición de la aleación

Los ingenieros desglosaron las fases del método de impresión 3D de aleación de titanio para comprender mejor todo el proceso. La primera etapa consiste en determinar el rango de solidificación fuera de equilibrio. Este rango es ideal para garantizar impresiones uniformes y lisas.

El siguiente paso fue determinar el factor de restricción del crecimiento. Finalmente, los parámetros de sobreenfriamiento constituyen el paso final del proceso. Para ello, el equipo calculó los parámetros relevantes mediante simulaciones de solidificación. Este software les permitió probar varios compuestos y monitorizar la solidificación para determinar los mejores resultados.

Pruebas y resultados del estudio de una nueva aleación de titanio

El equipo creó y probó sus compuestos de aleación en el Recinto de Fabricación Avanzada de RMIT, que les proporcionó todo lo que necesitaban para crear, alterar y rastrear la formación de microestructuras en forma de columna desde la nucleación hasta su finalización.

Cabe destacar que el compuesto se creó mezclando polvos elementales con una pureza del 99 % y mezclándolos con una mezcladora TURBULA. A partir de ahí, se utilizó un láser de estado sólido TruDisk para endurecer las impresiones.

Las pruebas del equipo incluyeron la toma de imágenes microscópicas de las aleaciones de titanio. Este paso permitió a los ingenieros garantizar que la nanoestructura permaneciera intacta mucho después de finalizar el proceso de impresión.

Mediante la experimentación, los científicos pudieron deducir la importancia vital de ciertas aleaciones con una estructura de grano uniforme. Por ello, las pruebas arrojaron resultados reveladores que podrían transformar la perspectiva científica sobre las aleaciones de titanio impresas en 3D en el futuro.

La fase de prueba del experimento permitió a los ingenieros certificar la exactitud de sus simulaciones. El equipo pudo predecir con precisión el comportamiento de ciertos materiales y diseños durante las pruebas. Ahora, estos datos pueden utilizarse para perfeccionar el proceso de fabricación y crear compuestos aún más resistentes en el futuro.

El equipo logró producir impresiones de grano uniforme y de alta calidad gracias a su nuevo enfoque. Su composición era más resistente y duradera que las aleaciones de titanio anteriores. Además, ofrecía un proceso de fabricación fácilmente repetible que proporcionaba resultados de grano uniforme.

Beneficios del estudio de la aleación de titanio impresa en 3D

Su estudio revela numerosos beneficios. Por un lado, el trabajo servirá de guía para futuras innovaciones en el sector de la impresión 3D de aleaciones de titanio. Esta mejor comprensión puede constituir un marco sólido que los ingenieros pueden utilizar para predecir la morfología del grano de las aleaciones metálicas en los procesos de fabricación aditiva.

Cómo la nueva aleación de titanio permite una impresión uniforme

Una de las principales ventajas del nuevo método es que proporciona una impresión uniforme. La capacidad de evitar la formación de nanoestructuras indeseadas da como resultado impresiones uniformes que resisten mucho más maltrato que su predecesor. La uniformidad de estas impresiones es crucial para su uso en aplicaciones altamente sensibles, como los componentes aeroespaciales.

Accesibilidad mejorada a la impresión 3D de titanio

Al sustituir el vanadio, el equipo facilita la impresión 3D de aleaciones de titanio para más usuarios. El vanadio es una sustancia dura y plateada, muy poco común en la naturaleza. Su maleabilidad y su capacidad de estabilización frente a la oxidación lo han convertido en una opción popular. Sin embargo, su escasez dificulta su obtención y lo hace poco viable para aplicaciones a gran escala.

Los ingenieros descubrieron que, al eliminar el vanadio de la ecuación, podían reducir el coste del proceso de fabricación en un 29 % en comparación con las opciones tradicionales de titanio. Por consiguiente, este estudio podría abrir la puerta a que más fabricantes utilicen esta técnica revolucionaria en los próximos años.

Producción personalizable y eficiente con nueva aleación

Utilizando los nuevos compuestos de aleación de titanio, los ingenieros podrán crear componentes totalmente personalizables para aplicaciones aeroespaciales y médicas. Esta producción a medida genera menos desperdicios que los métodos anteriores y ofrece mayor flexibilidad en cuanto a diseño y relación peso-resistencia.

Aplicaciones en el mundo real

Este estudio tiene varias aplicaciones prácticas. Por un lado, los fabricantes buscan un enfoque económico que les permita crear componentes de alto rendimiento. Los esfuerzos del equipo permitirán que los compuestos de aleación de titanio se utilicen en diversas industrias. Estas son algunas de las aplicaciones más evidentes de esta tecnología en el futuro.

Aplicaciones en ingeniería aeroespacial

Las aleaciones de titanio son un componente crucial de la tecnología aeroespacial. Cada gramo puede marcar la diferencia en los diseños aeroespaciales. Por ello, la industria podría utilizar este material para fabricar componentes vitales, como motores y piezas estructurales de naves espaciales, ligeros y más duraderos.

Aplicaciones médicas

Esta aleación tiene una larga lista de aplicaciones en el campo médico. Estos dispositivos ofrecen una biocompatibilidad excepcional, lo que significa que pueden implantarse sin que el cuerpo los rechace. Además, son muy resistentes, ligeros y resistentes a la corrosión. Por lo tanto, esta aleación de titanio mejorada podría optimizar los implantes, las prótesis, los wearables y el proceso de fabricación de otros dispositivos biocompatibles que salvan vidas.

Aplicaciones de la industria automotriz

La industria automotriz busca constantemente mejores procesos de fabricación. Esta tecnología podría desempeñar un papel fundamental en la fabricación de componentes ligeros y de alto rendimiento para motores eléctricos, entre otros. La capacidad de imprimir estas piezas en 3D podría llevarnos, en un futuro no muy lejano, a recibir por correo electrónico los planos de nuestras piezas de repuesto e imprimirlos en casa.

Cronograma previsto y comercialización

El plazo de aplicación de esta tecnología es de unos 5 a 10 años. Aún quedan muchos detalles por resolver para que los ingenieros lleven el concepto de una pequeña prueba a la producción a gran escala. A corto plazo, el equipo se centrará en encontrar colaboradores para seguir desarrollando la tecnología.

Los ingenieros trabajarán ahora para comercializar su método patentado de impresión de titanio. Como parte de esta estrategia, el grupo ya ha presentado una patente provisional. Ahora buscarán socios de fabricación comercial para futuras investigaciones y establecerán plantas de fabricación.

Investigadores del estudio de aleación de titanio impresa en 3D

La Escuela de Ingeniería del Centro de Fabricación Aditiva de la Universidad RMIT, Melbourne, VIC, Australia, acogió este estudio pionero. El autor principal del trabajo fue Ryan Brooke. Sorprendentemente, recientemente aceptó una beca de investigación en la universidad. El artículo también incluye a Duyao Zhang, Dong Qiu, Mark A. Gibson y Mark Easton como colaboradores.

Invertir en el sector de la impresión 3D de metales

La capacidad de imprimir metales en 3D ha abierto la puerta a nuevas olas de avances tecnológicos. Varias empresas operan en este sector, y muchas invierten millones en I+D para crear métodos de impresión nuevos y más eficientes. A continuación, presentamos una empresa considerada innovadora en el mercado.

nanodimensión ltd. (NNDM)

Nano Dimensión Ltd (NNDM -5.59%) Ingresó al mercado en 2012. Sus fundadores, Amit Dror, Sharon Fima y Simon Fried, crearon la empresa para mejorar la creación de prototipos de placas de circuito impreso (PCB) mediante soluciones avanzadas de impresión 3D. Su enfoque tuvo éxito y, en 2020, la empresa lanzó al mercado la primera impresora de PCB multicapa.

Nano Dimension Ltd. ofrece actualmente una variedad de productos que ayudan a las empresas a mantener su ventaja tecnológica en el proceso de fabricación. El sistema DragonFly IV mejora la velocidad de impresión mediante la deposición de materiales conductores y dieléctricos por inyección de tinta. Este enfoque permite una creación de prototipos más rápida y menores costos.

El paquete de software FLIGHT es otra opción popular que facilita el trabajo con estructuras complejas. Permite a los diseñadores crear diseños intrincados a la vez que optimiza el uso de materiales. Al combinarse con los sistemas de microimpresión 3D disponibles, permite a los fabricantes desarrollar y supervisar sus impresiones a nivel micrométrico.

Últimas noticias y desarrollos de acciones de Nano Dimension Ltd. (NNDM)

Conclusión: El avance de la aleación de titanio de RMIT

La capacidad de imprimir metales en 3D se considera un gran avance en la fabricación aditiva. Por ello, ha habido una afluencia constante de compuestos metálicos innovadores, creados específicamente para lograr los mejores resultados posibles en la impresión 3D. Esta nueva iniciativa impulsará aún más esta tecnología y permitirá a los ingenieros crear diseños más avanzados para impulsar tecnologías futuras.

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Estudios referenciados:

^{1. Brooke, R., Zhang, D., Qiu, D. et al. Criterios de composición para predecir transiciones columnares a equiaxiales en la fabricación aditiva de metales. Nat Commun 16, 5710 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-60162-0}