La nueva impresora 3D permite que dos materiales diferentes se fusionen simultáneamente por un láser en la plataforma giratoria. Crédito: Michael Tucker / Eth Zurich
Los estudiantes de ETH Zurich han desarrollado una máquina de fusión de lecho de polvo láser que sigue una ruta de herramienta circular para imprimir componentes redondos, lo que permite el procesamiento de múltiples metales a la vez. El sistema reduce significativamente el tiempo de fabricación y abre nuevas posibilidades para aeroespacial e industria. ETH ha presentado una solicitud de patente para la máquina, y los resultados son publicado En los anales de CIRP.
Hoy, prácticamente todos los motores de cohetes modernos dependen de la impresión 3D para maximizar su rendimiento con un acoplamiento estricto entre la estructura y la función. Los estudiantes de ETH Zurich ahora han construido una impresora de metal multimaterial de alta velocidad: una máquina de fusión láser en lecho de polvo que gira la deposición de polvo y las boquillas de flujo de gas mientras se imprime, lo que significa que puede procesar varios metales simultáneamente y sin tiempo de proceso. La máquina podría cambiar fundamentalmente la impresión 3D de piezas metálicas, lo que resulta en reducciones significativas en el tiempo y el costo de producción.
El equipo de seis estudiantes de licenciatura en su quinto y sexto semestres desarrolló la nueva máquina en el avanzado laboratorio de fabricación bajo la guía del profesor de ETH Markus Bambach y el científico senior Michael Tucker como parte del Proyecto Focus Rapture. En solo nueve meses, los estudiantes se dieron cuenta, construyeron y probaron su idea. La máquina está particularmente dirigida a aplicaciones en aeroespacial con geometrías aproximadamente cilíndricas, como boquillas de cohetes y turbomachinería, pero también es de gran interés para la ingeniería mecánica.
Proporcionar acceso a la tecnología avanzada
Project Lead Tucker explica que el proyecto surgió de un desafío muy específico: el desarrollo de boquillas de cohetes alimentadas con bi-líquidos para ARIS, la Iniciativa de Espacio Académico Suizo, que está construyendo sus propios cohetes con visiones de alcanzar el espacio. En los próximos años, Aris tiene como objetivo llegar a la línea Kármán, el límite de espacio reconocido internacionalmente establecido a una altitud de 100 kilómetros, más allá de los cuales la atmósfera es demasiado delgada para apoyar el vuelo por aviones sin propulsión especial.
Para resistir el intenso calor y presión sobre un lanzamiento extendido, las boquillas de cohetes se deben hacer idealmente de múltiples metales. Por ejemplo, su interior puede estar hecho de cobre que conduzca calor con canales de enfriamiento integrados y su exterior de una aleación de níquel resistente al calor. “Para los jugadores pequeños como nuestro equipo de cohetes estudiantiles, este tipo de tecnología multimaterial ha sido demasiado compleja y demasiado costosa, poniéndola fuera de su alcance”, dice Tucker.
Impresión 3D rotacional
El corazón de la nueva máquina es una plataforma giratoria que permite un proceso de impresión de alta velocidad. A diferencia de las máquinas de fusión de lecho de polvo láser rectilíneo convencional, donde se debe aplicar una nueva capa de polvo después de que cada capa se derrite, la máquina Rapture funciona sin parar gracias a su plataforma giratoria. Esto significa que el polvo es aplicado y fusionado por el láser simultáneamente, lo que mejora significativamente la productividad. Esto reduce el tiempo de fabricación para los componentes cilíndricos en más de dos tercios.
“Este proceso es ideal para boquillas de cohetes, motores giratorios y muchos otros componentes en la industria aeroespacial”, dice Tucker. “Por lo general, tienen un gran diámetro pero paredes muy delgadas”, agrega. Mientras que la máquina también es capaz de producir colas no axisimétricas o incluso de piezas, el método de rotación es particularmente efectivo para producir precisamente esta geometría.
Izquierda: una impresora 3D convencional; Derecha: la máquina de rapto giratorio, en la que el láser fusiona continuamente el polvo. Crédito: Michael Tucker / Eth Zurich
Impresión de dos metales simultáneamente
La máquina giratoria puede procesar dos metales diferentes en una sola operación. Los sistemas convencionales requieren varios pasos y una cantidad mucho mayor de polvo de metal. A medida que la separación y la recuperación del polvo mixto siguen siendo un desafío abierto, hoy en día gran parte de este polvo se convierte en desechos. El nuevo método solo deposita el material donde realmente se necesita dentro del componente, reduciendo así los desechos.
La máquina presenta un mecanismo que sopla gas inerte sobre el área donde se fusiona el polvo. Esto evita que el componente oxiden mientras se imprime. El hollín, las salpicaduras y otros subproductos se extraen sistemáticamente a través de una salida. “Al principio subestimamos hasta qué punto el mecanismo de flujo de gas afecta la calidad del producto”, dice Tucker. “Ahora sabemos que es crucial”. Gracias a la arquitectura giratoria de la máquina recientemente desarrollada, las condiciones locales de flujo de gas se pueden controlar mucho más estrechamente que con una máquina convencional.
Componentes personalizados en lugar de estándar
Los estudiantes enfrentaron una serie de desafíos técnicos al desarrollar la nueva máquina de fusión de lecho de polvo láser, uno de los cuales implicó la sincronización del láser de escaneo con la rotación de la entrada de gas y el suministro de polvo. Además, como muchas de las piezas necesarias para la máquina no están disponibles comercialmente, el equipo diseñó los suyos. Estos incluyen una conexión rotatable para la entrada de gas y un sistema que rellena automáticamente el polvo durante la operación.
No obstante, el equipo de estudiantes ha logrado construir una máquina que casi se ve lista para la aplicación industrial. Para Tucker, este fue uno de los aspectos más destacados del proyecto de enfoque: “el hecho de que un equipo de estudiantes desarrolló y construyó una máquina en funcionamiento en nueve meses es bastante notable”.
Crédito: ETH ZURICH
Potencial para aeroespacial, mobility y más
Además de aplicaciones concretas para ARI y para la industria aeroespacial en general, el equipo ve aplicaciones potenciales en otros sectores, como en turbinas de aviones y gas, y para motores eléctricos donde las geometrías en forma de anillo son la norma. Debido a su novedad y en tremendo potencial comercial, ETH presentó una solicitud de patente que cubrió la tecnología de fusión de lecho de polvo láser múltiple rotativo, que desde entonces ha sido nominado para el premio ETH Spark.
Los componentes fabricados hasta ahora con el prototipo tienen un diámetro de hasta 20 centímetros. El equipo de investigación ahora está buscando escalar el proceso a velocidades más altas y diámetros más grandes, y actualmente están buscando socios de la industria para colaborar con ellos para desarrollar e implementar esta tecnología revolucionaria.
Más información: Markus Bambach et al, Diseño y análisis de deposición de polvo, flujo de gas y productividad para un sistema de fusión de lecho de polvo láser rotativo, CIRP Annals (2025). Dos: 10.1016/j.cirp.2025.04.005
Cita: los estudiantes desarrollan un nuevo proceso de impresión 3D multimetal (2025, 3 de septiembre) Recuperado el 3 de septiembre de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-09-students-multi-metal-3d.html
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