Fabricación aditiva
Cómo los cuasicristales fortalecen el aluminio impreso en 3D de grado aeroespacial
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De la teoría a la práctica
A veces, la atribución del Premio Nobel recae en investigaciones que pueden resultar un poco abstractas para el público en general. Este fue el caso del Premio Nobel de Química 2011, que reconoció el descubrimiento de los “cuasicristales”.
Esto se debe a que muchos materiales en la naturaleza, así como los fabricados por el hombre, están organizados en cristales “normales”. Lo que los define es una sencilla estructura 3D a nivel atómico que se repite millones de veces, hasta la escala macroscópica. Estas estructuras son las que otorgan las propiedades a varios metales, así como a otros materiales como el silicio utilizado en chips de computadora y paneles solares.
Solo existen 230 formas posibles para que los átomos formen patrones cristalinos repetitivos, algo que antes se consideraba una regla rígida de la naturaleza.
Fuente: Nobel Prize
Sin embargo, apareció que otras estructuras eran posibles, donde unas pocas formas básicas pueden ensamblarse para organizar estructuras moleculares regulares, sin presentar un patrón repetitivo. Este descubrimiento lo realizó un investigador que trabajaba principalmente en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST).
Fuente: NIST
Andrew Iams, un investigador de NIST, podría haber encontrado aplicaciones prácticas para dichos cuasicristales, ya que se forman durante la impresión 3D de aluminio. Dado que el aluminio es un metal muy útil en aplicaciones aeroespaciales, pero también notablemente difícil de imprimir en 3D, esto podría representar un gran avance.
(Puedes leer una visión general de la industria de la impresión 3D en nuestro artículo “3D Printing Consolidating Into The Future Of Manufacturing”).
Estos resultados1, realizados por investigadores del NIST, HRL Laboratories LLC y L.A. Giannuzzi & Associates LLC, fueron publicados en el Journal of Alloys and Compounds, bajo el título “Microstructural features and metastable phase formation in a high-strength aluminum alloy fabricated using additive manufacturing”.
¿Por qué importan los cristales?
Aunque una estructura cristalina puede conferir propiedades especiales a un material, también presenta debilidades.
Dado que la estructura es extremadamente regular, puede ser fácil que los átomos se deslicen unos sobre otros. Cuando ocurre a gran escala, esto crea microfracturas o incluso grietas grandes en el material, haciéndolo en general más débil de lo que podría ser teóricamente.
Este problema se magnifica con la impresión 3D porque el metal se funde en pequeñas cantidades y luego se enfría muchas veces. Y tanto en la impresión 3D como en la forja tradicional, el aluminio es especialmente vulnerable a las llamadas grietas de solidificación, o desgarros en caliente.
Esto ocurre cuando el metal líquido restante no logra compensar la contracción del metal ya solidificado al enfriarse. Tales grietas comprometen la integridad estructural de las piezas de aluminio, lo que puede conducir a materiales más débiles y más propensos a fallas.
La necesidad de una mejor impresión 3D de aluminio
Temperaturas mucho más extremas
Al fundir aluminio de forma tradicional, las temperaturas del metal líquido oscilan entre 690 °C y 725 °C (1274 °F – 1337 °F), y las tasas de enfriamiento durante la solidificación suelen estar entre 0,4 °C/s y 10 °C/s.
En contraste, la fabricación aditiva (impresión 3D) para materiales metálicos utiliza fusión láser de lecho de polvo, donde el polvo metálico se deposita y luego se funde con un láser (sigue el enlace para verlo en video).
Esto genera temperaturas del metal líquido superiores a 3000 °C (5430 °F), más allá del punto de ebullición del metal en lugar de solo fundirlo, y tasas de enfriamiento de solidificación ultrarrápidas que superan 1 millón °C/s.
Estas temperaturas más altas y velocidades de enfriamiento mucho mayores amplifican el problema de las grietas de solidificación.
“Los aleaciones de aluminio de alta resistencia son casi imposibles de imprimir. Tienden a desarrollar grietas, lo que las hace inutilizables.”
Las promesas del aluminio impreso en 3D
A pesar de las dificultades técnicas, la impresión 3D de aluminio es muy prometedora, ya que puede crear formas y piezas que otras técnicas de forja no podrían crear.
Por ejemplo, piezas de motores de cohetes o toberas de combustible para motores de aviones ahora se fabrican a menudo con impresión 3D, convirtiendo hasta 20 piezas que requerían ensamblaje en una sola y reduciendo su peso.
En 2017, un equipo de HRL Laboratories (que contribuyó a la investigación discutida aquí) descubrió que añadir zirconio al polvo de aluminio evitaba que las piezas impresas en 3D se agrietaran, produciendo una aleación fuerte.
Fuente: Journal of Alloys and Compounds
Sin embargo, por qué esto funciona aún no se comprendía del todo hasta que se observaron estructuras extrañas en la estructura atómica del metal.
“Para confiar lo suficiente en este nuevo metal como para usarlo en componentes críticos como piezas de aviones militares, necesitamos una comprensión profunda de cómo encajan los átomos.”
Encontrar y crear cuasicristales
Los investigadores tuvieron que usar un microscopio electrónico para analizar el material con la mayor resolución de imagen posible. Reveló que los átomos estaban dispuestos en patrones novedosos y extraños que exhibían simetría rotacional de cinco, tres y dos caras, lo que no podía ser causado por los cristales normalmente encontrados en aleaciones de aluminio.
“Fue entonces cuando me emocioné. Porque pensé que podría estar viendo un cuasicristal.”
Andrew Iams, ingeniero de investigación de materiales en NIST
Además de las áreas con granos finos de aleación de aluminio-zirconio, los investigadores observaron cuasicristales icosaédricos, con forma de dado de 20 caras.
Fuente: Math Stack Exchange
Esto rompe la estructura cristalina regular normalmente encontrada, reduciendo el potencial de formación de grietas. Así, los cuasicristales interrumpen el patrón regular de los cristales de aluminio, creando defectos que hacen el metal más fuerte.
Fuente: Journal of Alloys and Compounds
Luego, la simulación por computadora proporcionó ideas sobre la formación de los cuasicristales. Parecía que había una fase secundaria durante el proceso de enfriamiento, lo cual favorece la formación de cuasicristales.
A partir de núcleos hechos de cuasicristal, ramificaciones de los patrones de ruptura de líneas de cuasicristal en el metal, lo hacen en general más fuerte y menos propenso a agrietarse durante el enfriamiento o bajo estrés mecánico.
Fuente: NIST
Desarrollos futuros
Este nuevo tipo de aleación de aluminio impresa en 3D muestra una dureza comparable a la del AA7075 envejecido al máximo, una aleación de aluminio establecida con alta resistencia a la corrosión y ampliamente utilizada en piezas estructurales de aviones.
Estas pruebas iniciales sugieren que el tratamiento térmico de endurecimiento por precipitación podría hacer que esta aleación sea aún más dura, aunque aún necesita ser demostrado experimentalmente.
También crea un marco en el que la producción de aluminio aún más fuerte podría ser posible. Ahora que los científicos de materiales pueden predecir parcialmente la formación de cuasicristales durante la fabricación aditiva, podrían centrarse en mejorar su aparición para potenciar el rendimiento mecánico.
Invertir en impresión 3D
La impresión 3D está apenas alcanzando la madurez tecnológica, así como la consolidación del mercado. Esto brinda a los inversores un poco más de visibilidad que en el pasado y confirma que esta tecnología está lejos de ser una moda y está aquí para quedarse.
Puedes invertir en compañías relacionadas con la impresión 3D a través de muchos corredores, y puedes encontrar en este sitio nuestras recomendaciones para los mejores corredores en EE. UU., Canadá, Australia, Reino Unido, así como en muchos otros países.
Además de las compañías discutidas a continuación, también puedes encontrar ideas de inversión potenciales en nuestro artículo “Top 10 Nanotechnology Stocks”.
Si no estás interesado en seleccionar compañías específicas de impresión 3D, también puedes considerar ETFs como ARK Invest 3D Printing ETF (PRNT) para capitalizar el crecimiento del sector de fabricación aditiva en su conjunto.
Un ejemplo innovador
(Además de las compañías discutidas a continuación, puedes leer sobre otras en nuestro artículo “Top 10 Additive Manufacturing And 3D Printing Stock to Watch”)
Nano Dimension
NNDM Gráfico de precios
La mayoría de las compañías de fabricación aditiva se centran en metal y plástico, con un enfoque en piezas mecánicas complejas. Nano Dimension (NNDM ), en cambio, se enfocó en electrónica impresa en 3D. Esto incluye tecnologías muy especializadas como tintas conductoras o dieléctricas y cerámicas. Estas pueden, por ejemplo, usarse para construir componentes ópticos o de radio.
Esta es una de las posibles aplicaciones de la impresión 3D a escala nanométrica, que exploramos más a fondo en “Nanoscale 3D Printing Looks Primed for Commercialization”.
Nano Dimension ha crecido mediante una combinación de adquisiciones e I+D interno.
Fuente: Nano Dimensions
Esta estrategia alcanzó un nuevo máximo con la adquisición de Desktop Metal anunciada en 2024 y finalizada en 2025. Juntas, las 2 compañías tendrán una posición mucho más fuerte en la impresión 3D de metal y cerámicas a todas las escalas, desde electrónica hasta equipos industriales grandes y aeroespacial.
Esto también crea economías de escala al fusionar la base de clientes que incluye a SpaceX (SPCX ), Tesla (TSLA ), GE, Honeywell, Emerson, Raytheon, NASA, Medtronics, etc.
Por último, las dos compañías estaban mayormente activas en diferentes áreas geográficas, con Nano Dimension en Europa y Desktop Metal en EE. UU., lo que permite sinergia al combinar sus equipos de ventas.
Fuente: Nano Dimension
La compañía afirma que puede reducir la huella ecológica de la fabricación, con una reducción del 94 % en emisiones de CO2, 100 % en agua, 98 % en materiales y 82 % en químicos. En general, podemos esperar que Nano Dimension se convierta en uno de los líderes de la tecnología.
Fuente: Nano Dimensions
Las compañías fusionadas están muy bien posicionadas para aprovechar los nuevos descubrimientos en impresión 3D y cómo crear una aleación de aluminio más fuerte, con estas innovaciones probablemente ampliando el mercado direccionable.
Sin embargo, los inversores deben ser conscientes de que tanto Nano Dimension como Desktop Metal, tras sus adquisiciones, tenían flujo de caja negativo, por lo que la empresa resultante necesitará recortar costos o crecer lo suficiente para obtener ganancias en el futuro.
Últimas noticias sobre Nano Dimension
Estudios referenciados:
1. Andrew D. Iamset al. (2025). Fabricación rápida de fibras actuadoras de elastómero dieléctrico de alta permitividad. Journal of Alloys and Compounds. Volumen 1025, 25 abril 2025, 180281. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2025.180281
