La simulación multifísica que muestra las posiciones de tres láseres, así como la morfología y la distribución de temperatura de 316L SS 316L. En el recuadro se muestra una imagen representativa de rayos X operando del proceso de impresión. Las cajas moradas marcaron las áreas para caracterizarse por la difracción de haz enfocado. Crédito: Nature Communications (2025). Doi: 10.1038/s41467-025-59988-5
Los investigadores utilizaron la fuente de fotones avanzados de Argonne para capturar cómo la microestructura de metales evoluciona en tiempo real durante la impresión 3D. Los hallazgos podrían allanar el camino para la fabricación avanzada de componentes para aeroespacial, defensa y energía.
En forma de fabricación aditiva, las piezas de metal complejas se construyen una capa ultra delgada a la vez, similar a glaseado de un pastel, pero con una precisión y complejidad mucho mayor. Esta técnica permite la impresión de piezas 3D que son difíciles o imposibles de hacer utilizando métodos tradicionales. También ofrece un camino hacia adelante para aliviar las interrupciones de la cadena de suministro y modernizar la fabricación nacional.
La fabricación aditiva ya se usa para producir componentes de metal para sectores críticos como aeroespacial, atención médica y defensa. Pero sigue siendo un desafío importante: lograr una calidad constante y repetibilidad de parte a parte.
Ahora, en un importante avance científico, los investigadores del Laboratorio Nacional de Argonne del Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE), el Laboratorio Nacional de Oak Ridge y las universidades de DOE han observado cómo la microestructura de los metales cambia en tiempo real durante la impresión 3D. Este avance fue posible gracias a la fuente avanzada de fotones (APS) de Argonne, una instalación de usuario de la Oficina de Ciencias del DOE.
Los hallazgos fueron publicados en Comunicaciones de la naturaleza.
El equipo investigó una técnica de fabricación aditiva en la que un láser derrite rápidamente un alambre de metal delgado. A medida que el metal se derrite, se deposita en la capa anterior después de la primera, seguida casi instantáneamente por enfriamiento y solidificación. Este proceso se repite capa por capa para crear componentes complejos. Anteriormente, los científicos solo podían analizar las microestructuras de estos componentes después de finalizar el proceso de impresión.
“Los metales están hechos de átomos organizados en estructuras de cristal ordenadas”, dijo Tao Sun, investigador principal del proyecto y profesor de la Universidad Northwestern que también tiene una cita conjunta en Argonne.
“Pero bajo calefacción y enfriamiento rápidos, algunos átomos se desaniman. Estos defectos, llamados dislocaciones, pueden fortalecer o debilitar la parte final”.
Usando Beamline 1-ID-E en el APS, el equipo realizó una impresión 3D de acero inoxidable 316L, una aleación estructural de uso común. Se rastrearon el proceso de impresión con difracción de rayos X en tiempo real, midiendo directamente cómo y cuándo se forman las dislocaciones y se extienden.
“Nuestro análisis muestra cuán poderoso es el APS para estudiar defectos que anteriormente solo se vieron a través del análisis posterior a los facios”, dijo Andrew Chuang, físico de APS. “Esta es la primera vez que esta técnica en tiempo real se aplica a este método basado en láser para estudiar la evolución de dislocación en un cable de metal”.
Los datos revelaron que las dislocaciones se forman temprano, al igual que el metal cambia de líquido a sólido. Anteriormente se pensaba que se formaban más tarde a medida que se acumulan las tensiones durante el enfriamiento y la solidificación. Un factor clave fue una reacción específica en la que se forman dos fases sólidas al mismo tiempo desde el líquido, creando una alta densidad de dislocaciones.
Esta comprensión más profunda podría ayudar a los ingenieros a mejorar la fuerza y la confiabilidad de las piezas impresas en 3D. Al ajustar las variables de impresión, los desarrolladores podrían controlar con precisión la formación de dislocaciones a nivel microscópico. De esta manera, podrían aprovechar al máximo los atributos beneficiosos de las dislocaciones al tiempo que minimizan los perjudiciales.
Las ideas obtenidas también podrían estimular el desarrollo de nuevas aleaciones. Ajuste de la composición química de los aceros inoxidables, por ejemplo, ajustando las proporciones de cromo o níquel, o agregando elementos como el aluminio, puede influir en cómo se forman las dislocaciones y cómo se distribuye el estrés.
“Este tipo de impresión 3D podría crear piezas metálicas personalizadas que sean confiables y extraídas y sobrevivirían a condiciones extremas”, dijo Lin Gao, un investigador postdoctoral en la División de Ciencias e Ingeniería Nuclear de Argonne.
“Puede ser clave para construir componentes de metales avanzados para reactores nucleares de próxima generación que ahora se diseñen en Argonne y otros laboratorios”.
Más información: Lin Gao et al, Evolución de las dislocaciones durante la rápida solidificación en la fabricación aditiva, las comunicaciones de la naturaleza (2025). Dos: 10.1038/s41467-025-59988-5
Proporcionado por el Laboratorio Nacional de Argonne
Cita: La observación de dislocaciones microscópicas se forman en tiempo real durante la impresión de metales 3D (2025, 16 de septiembre) Recuperado el 16 de septiembre de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-09-microscópico-dislocations-real-3d-metal.html
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