Esta impresora 3D construye objetos derritiendo un polvo de metal fino con un láser. Primero, la superficie está recubierta con polvo de metal. Luego, un láser de alta potencia derrite ese polvo en un patrón particular. El proceso se repite cientos o miles de veces, construyendo la capa de metal capa por capa. Finalmente, cuando el objeto está completo, se elimina el exceso de polvo. Crédito: Imagen del microscopio electrónico Jennifer Lauren Lee/NIST de la aleación de aluminio del estudio. Las áreas de gris claro son secciones de cristales tradicionales dentro de la aleación de aluminio, mientras que los puntos negros son secciones donde NIST encontró cuasicristales. Las líneas negras serpenteantes emanan de las secciones cuasicristales. Estas líneas son defectos que rompen el patrón de cristales tradicionales a lo largo de la aleación, aumentando su fuerza. Crédito: NIST
Andrew Iams vio algo extraño mientras miraba a través de su microscopio electrónico. Estaba examinando una astilla de una nueva aleación de aluminio a escala atómica, buscando la clave de su fuerza, cuando notó que los átomos estaban dispuestos en un patrón extremadamente inusual.
“Fue entonces cuando comencé a emocionarme”, dijo Iams, un ingeniero de investigación de materiales, “porque pensé que podría estar mirando un cuasicrystal”.
No solo encontró cuasicristales en esta aleación de aluminio, sino que él y sus colegas del Instituto Nacional de Normas y Tecnología (NIST) descubrieron que estos cuasicristales también lo hacen más fuerte. Han publicado sus hallazgos en la revista de aleaciones y compuestos.
La aleación se formó en las condiciones extremas de la impresión de metal 3D, una nueva forma de hacer piezas de metal. Comprender este aluminio en la escala atómica permitirá una categoría completamente nueva de piezas impresas en 3D, como componentes del avión, intercambiadores de calor y chasis de automóviles. También abrirá la puerta a la investigación sobre nuevas aleaciones de aluminio que usan cuasicristales para la fuerza.
Los cuasicristales son como cristales ordinarios pero con algunas diferencias clave.
Los cuasicristales encontrados en este estudio forman las esquinas de la forma de 20 lados llamados icosaedro. Para demostrar que encontró un icosaedro, Andrew Iams tuvo que rotar la muestra bajo su microscopio para demostrar que tenía una simetría rotacional de cinco veces, triple y doble. Esta animación muestra estas tres vistas de un icosaedro, así como cómo se ven los cristales bajo el microscopio desde los tres ángulos diferentes. Crédito: J. Wang/NIST
Un cristal tradicional es un sólido hecho de átomos o moléculas en los patrones de repetición. La sal de mesa es un cristal común, por ejemplo. Los átomos de sal se conectan para hacer cubos, y esos cubos microscópicos se conectan para formar cubos más grandes que son lo suficientemente grandes como para ver a simple vista.
Solo hay 230 formas posibles para que los átomos formen patrones de cristal repetidos. Los cuasicristales no encajan en ninguno de ellos. Su forma única les permite formar un patrón que llena el espacio, pero nunca se repite.
Dan Shechtman, un científico de materiales del Instituto de Tecnología Technion-Israel, descubrió cuasicristales mientras estaba en sabático en NIST en la década de 1980. Muchos científicos en ese momento pensaban que su investigación era defectuosa porque las nuevas formas de cristal que encontró no eran posibles bajo las reglas normales para los cristales. Pero a través de una investigación cuidadosa, Shechtman demostró ser sin lugar a dudas que existía este nuevo tipo de cristal, revolucionando la ciencia de la cristalografía y ganando el Premio Nobel de Química en 2011.
Trabajando en el mismo edificio que Shechtman décadas después, Andrew Iams encontró sus propios cuasicristales en aluminio impreso en 3D.
¿Cómo funciona la impresión de metal 3D?
Hay algunas formas diferentes de metales de impresión 3D, pero el más común se llama fusión del lecho de polvo. Funciona así: el polvo de metal se extiende uniformemente en una capa delgada. Luego, un poderoso láser se mueve sobre el polvo, derritiéndolo. Después de que termine la primera capa, se extiende una nueva capa de polvo en la parte superior y el proceso se repite. Una capa a la vez, el láser derrite el polvo en una forma sólida.
Esta impresora 3D construye objetos derritiendo un polvo de metal fino con un láser. Primero, la superficie está recubierta con polvo de metal. Luego, un láser de alta potencia derrite ese polvo en un patrón particular. El proceso se repite cientos o miles de veces, construyendo la capa de metal capa por capa. Finalmente, cuando el objeto está completo, se elimina el exceso de polvo. Crédito: Jennifer Lauren Lee/Nist
La impresión tridimensional crea formas que serían imposibles con cualquier otro método. Por ejemplo, en 2015 GE diseñó boquillas de combustible para motores de avión que solo se podían hacer con impresión de metal 3D. La nueva boquilla fue una gran mejora. Su forma compleja salió de la impresora como una sola parte liviana. En contraste, la versión anterior tuvo que ensamblarse a partir de 20 piezas separadas y era un 25% más pesado. Hasta la fecha, GE ha imprimido decenas de miles de estas boquillas de combustible, lo que demuestra que la impresión de metal 3D puede tener éxito comercial.
Una de las limitaciones de la impresión de metales 3D es que solo funciona con un puñado de metales.
“Las aleaciones de aluminio de alta resistencia son casi imposibles de imprimir”, dice el físico NIST Fan Zhang, coautor en el periódico. “Tienden a desarrollar grietas, lo que las hace inutilizables”.
¿Por qué es difícil imprimir aluminio?
El aluminio normal se derrite a temperaturas de alrededor de 700 grados C. Los láseres en una impresora 3D deben elevar la temperatura mucho, mucho más alto: más allá del punto de ebullición del metal, 2,470 grados C. Esto cambia muchas de las propiedades del metal, particularmente porque el aluminio se calienta y se enfría más lejos que otros metales.
En 2017, un equipo de HRL Laboratories, con sede en California, y UC Santa Bárbara descubrieron una aleación de aluminio de alta resistencia que podría ser impresa en 3D. Descubrieron que agregar circonio al polvo de aluminio evitaba que las piezas impresas en 3D se agrietara, lo que resultó en una aleación fuerte.
Los investigadores de NIST se propusieron comprender esta nueva aleación de aluminio de circonio de aluminio impreso en 3D disponible comercialmente en la escala atómica.
“Para confiar en este nuevo metal lo suficientemente metálico como para usar en componentes críticos, como piezas de aeronaves militares, necesitamos una comprensión profunda de cómo los átomos encajan”, dijo Zhang.
El equipo NIST quería saber qué hacía que este metal fuera tan fuerte. Parte de la respuesta, resultó que eran cuasicristales.
¿Cómo se fortalecen los cuasicristales?
En los metales, los cristales perfectos son débiles. Los patrones regulares de cristales perfectos hacen que los átomos se deslicen entre sí. Cuando eso sucede, el metal se dobla, estira o se rompe. Los cuasicristales rompen el patrón regular de los cristales de aluminio, causando defectos que fortalecen el metal.
La ciencia de la medición detrás de la identificación de un cuasicristal
Cuando IAMS miró los cristales desde el ángulo correcto, vio que tenían una simetría rotacional de cinco veces. Eso significa que hay cinco formas de rotar el cristal alrededor de un eje para que se vea igual.
“La simetría cinco veces es muy rara. Esa fue la señal reveladora de que podríamos tener un cuasicristal”, dijo IAMS. “Pero no pudimos convencernos por completo hasta que obtuviéramos las medidas correctas”.
Para confirmar que tenían un cuasicristal, IAMS tuvo que rotar cuidadosamente el cristal debajo del microscopio y demostrar que también tenía una simetría triple y una simetría doble desde dos ángulos diferentes.
“Ahora que tenemos este hallazgo, creo que abrirá un nuevo enfoque para el diseño de aleación”, dice Zhang. “Hemos demostrado que los cuasicristales pueden fortalecer el aluminio. Ahora la gente podría tratar de crearlos intencionalmente en futuras aleaciones”.
Más información: ADIAMS et al, características microestructurales y formación de fase metaestable en una aleación de aluminio de alta resistencia fabricada con fabricación aditiva, Journal of Alloys and Compuestos (2025). Doi: 10.1016/j.jallcom.2025.180281. www.sciencedirect.com/science/ … II/S0925838825018390
Proporcionado por el Instituto Nacional de Normas y Tecnología
Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de NIST. Lea la historia original aquí.
Cita: forma de cristal raro que aumenta la resistencia del metal impreso en 3D (2025, 7 de abril) Recuperó el 7 de abril de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-04-rare -crystal-strenggth-3d-metal.html
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