Impresión 3D permitiría fabricar piezas de acero resistentes y más económicas

 El alto costo de producción y la falta de infraestructura tecnológica han limitado por años la capacidad de Colombia para fabricar sus propias herramientas de corte y moldeado. En lugar de importar punzones, brocas o cortadores, la apuesta ahora es crear en el país una ruta local de manufactura que aproveche la impresión 3D con filamentos metálicos, compuestos por polvo metálico y polímeros (plásticos), que por ser resistentes y duraderos se convertirían en una alternativa para reducir costos y fortalecer la producción nacional de herramientas.

La innovación, aportada por un grupo de investigadores del Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecatrónica de la Universidad Nacional de Colombia (UNAL), abre la posibilidad de producir en talleres nacionales herramientas de alto desempeño, con menor consumo energético y materiales optimizados.

“Capa a capa se forma la pieza con la geometría necesaria, incluso formas complejas que con los métodos tradicionales serían difíciles o costosas de obtener”, explica Theylor Amaya Villabón, ingeniero mecánico y mecatrónico de la UNAL, autor principal del estudio desarrollado en el Laboratorio de Fundición y Pulvimetalurgia de la Facultad de Ingeniería de la UNAL.

El material utilizado en este proceso es acero M2, conocido en la industria como acero de alta velocidad por su capacidad de mantener dureza y filo incluso a altas temperaturas. “Es un producto que permite cortar o perforar metal sin perder resistencia ni deformarse, algo esencial en herramientas de trabajo continuo”, explica el ingeniero.

Cómo se logra un acero más resistente

Imprimir la pieza no es suficiente. Después de esa primera fase queda una pieza “en verde”, todavía débil, porque además del metal contiene polímeros que le dan forma. Para convertirla en una herramienta real hay que eliminar esos compuestos y compactar el acero mediante sinterización, un proceso un calentamiento controlado que une las partículas metálicas y les da resistencia. En ese paso, junto con el despolimerizado térmico, fue donde se logró el avance principal.

El equipo ajustó dos variables del proceso térmico de despolimerizado: la atmósfera dentro del horno y la velocidad con que se calienta la pieza. “Cuando la pieza se calentó lentamente, en lugar de subir la temperatura muy rápido, los gases pudieron salir sin generar presión interna. Eso evitó que se formaran vacíos y grietas. En términos prácticos, calentar más despacio resultó en menos porosidad y en piezas más íntegras”, relata el ingeniero.

La otra decisión importante fue la atmósfera en la que se hizo ese calentamiento. Al usar nitrógeno en vez de vacío, el acero M2 retuvo más carbono, lo que ayudó a cerrar los poros y hacer el material más compacto, un detalle químico que se traduce en mayor densidad y resistencia mecánica en la pieza final. En cambio, cuando el proceso se hizo en vacío se pierde carbono y el resultado fue un acero con más vacíos internos y menor solidez.

En las pruebas mecánicas, las piezas tratadas en atmósfera de nitrógeno mostraron mayor dureza y mejor comportamiento frente a esfuerzo y ruptura transversal, acercándose a lo que se espera de una herramienta en uso real. Eso quiere decir que no estamos hablando solo de prototipos bonitos para vitrina, sino de piezas que soportarían corte, perforación y trabajo a alta temperatura en líneas de producción.

“Al usar nitrógeno en vez de vacío logramos que el acero conservara más carbono, y al calentar más lentamente evitamos que se generaran vacíos y grietas; eso se tradujo en un material más denso y con mejor comportamiento mecánico”, detalla el investigador Amaya.

Impacto productivo y ambiental

Además del beneficio técnico, hay un impacto ambiental y económico directo. En la manufactura tradicional se parte de un bloque grande de metal y se va removiendo material hasta obtener la forma final, lo que puede desperdiciar hasta el 70 % del acero. En cambio, con la impresión 3D la pieza se fabrica capa por capa y la pérdida de material puede bajar al 5 %, reduciendo tanto los costos como la generación de residuos metálicos.

El paso que sigue es escalar el proceso. “Queremos producir los filamentos metálicos a mayor escala y probar las herramientas en talleres y líneas de autopartes para validar su desempeño en uso continuo”, señala el ingeniero Amaya, quien en este momento adelanta estudios de Maestría en Materiales y Procesos en la UNAL.

Para la profesora Liz Karen Herrera, directora del Laboratorio de Fundición y Pulvimetalurgia de la Facultad de Ingeniería, “este tipo de desarrollos demuestra cómo la ciencia aplicada puede responder a necesidades concretas del sector productivo, impulsando innovación desde la Universidad hacia la industria nacional”.

Por más de 10 años el desarrollo de nuevos materiales y procesos de manufactura aditiva y tecnologías 4.0, especialmente, se ha hecho en colaboración entre la UNAL y el Centro de Materiales y Ensayos del SENA, alianza ha sido estratégica y sostenida.

En este proyecto, la UNAL lideró la dirección científica y el análisis microestructural y mecánico, mientras que el aporte del SENA ha sido fundamental en la caracterización microestructural de las piezas fabricadas. Esta articulación permitió garantizar la reproducibilidad del proceso, fortalecer la formación de talento especializado y avanzar hacia aplicaciones industriales con una base científica sólida.

Si ese salto se consolida, la apuesta es clara: producir aquí las herramientas que hoy se compran afuera, con acero de alto desempeño y usando equipos más asequibles para la industria colombiana, especialmente para los talleres medianos que no pueden pagar maquinaria importada de alto costo.

Impresión en 3D optimizaría producción de obras en cerámica

 La opción de reutilizar materiales y elaborar en horas una obra de arte que se demoraría semanas o meses, son algunos de los beneficios que trae esta propuesta de modelado en 3D.

Así lo explicó David Sebastián Matamoros Buitrago, ingeniero mecatrónico de la Universidad Nacional de Colombia (UNAL) Sede Bogotá, y agregó que como base se utilizó la arcilla rionegro, muy fina, con un tamaño de granito de menos de 50 micras, que se extrae de las riberas de un río en Medellín (Antioquia).

Uno de los objetivos del proyecto era encontrar un material que se produjera en Colombia y que además se pudiera reciclar, es decir que una vez desecha la figura, se volviera a triturar, a tamizar y así reutilizar varias veces.

Lo anterior porque una de las problemáticas que se buscaba atacar era el desperdicio de materiales, que hace que “se pierda ese concepto ecológico, tan importante ahora”, subraya el ingeniero.

La forma convencional de estos procesos no permite recuperar los restantes de las obras de arte. Por ejemplo cuando se toma un bloque de granito para darle forma con cincel, el material que va sobrando no se puede reutilizar para hacer otra escultura. Y cuando hay algún error en el proceso se debe descartar todo el bloque, por lo que la recuperación del material era prioritaria en esta propuesta de impresión.

Para la formulación y el análisis del material seleccionado, el ingeniero Matamoros se apoyó en los laboratorios de Ingeniería Química y en el Taller de Cerámica de la Facultad de Artes de la UNAL Sede Bogotá.

Aunque en un principio se enfocó en cómo replicar obras artísticas –como el David o la Venus de Milo–, después de analizar los diferentes procesos en los que se ven involucrados los materiales cerámicos se fue enfocando también en la producción de compuestos de partículas diminutas para hacer, por ejemplo, catalizadores de automóviles o para utilizar en la industria petroquímica.

Etapas del proyecto

En desarrollo del proyecto, lo primero fue determinar las condiciones del material: humedad y análisis químicos, físicos y mecánicos. “Esa fue la parte más apremiante porque sin el material no se podía saber cómo se debía comportar la máquina”, señala el ingeniero Matamoros. Entonces, a la arcilla base se le añadieron diferentes sustratos que se consiguen fácilmente en diferentes regiones del país.

También era importante que este material cumpliera con unos estándares de manejabilidad en el proceso: que se secara rápido, que mantuviera la forma de manera constante en el tiempo,y que no se quebrara si tuviera que hacerse un proceso posterior, como cocción para porcelanizado.

Lo segundo fue determinar las condiciones óptimas de la máquina, que tenía dos secciones: la física (transmisión de potencia, selección de motores y demás) y la de electrónica y programación (cómo se iba a controlar la parte física).

Para estos análisis ya se había seleccionado la máquina que surgió en 2006 de una tesis de maestría en el Grupo de trabajo en nuevas tecnologías de diseño y manufactura-automatización (DIMA–UN), grupo que también apoyó este trabajo.

En la adaptación de la máquina se diseñó el extrusor o la herramienta que haría la deposición del material sobre la superficie, además de adaptar los componentes mecánicos para protegerla de la abrasión que se pueda presentar por la presencia de materiales cerámicos en el entorno.

Una última parte consistió en la programación del control de potencia y movimiento de la máquina, proceso enfocado en la protección de esta y del usuario.

Proceso de modelado

Todo empieza con la elección del diseño que se quiere reproducir, el cual se realiza en algún programa 3D. Después se ajustan los parámetros de tamaño, y al de tener ese modelo, el computador se encarga de convertirlo en unas instrucciones específicas para la máquina.

Luego se carga el material mezclado teniendo en cuenta cuánto consumirá cada pieza, siempre pensando en el ahorro de material. Con esas dos tareas, el computador empieza a mandarle instrucciones a la máquina sobre movimientos, pausas y velocidades a las que sale el material, a la que se mueve la herramienta que lo deposita y en cuántas capas se generará todo ese proceso.

El ingeniero Matamoros también señala que este es un primer paso para realizar construcciones a gran escala en materiales cerámicos, como es el caso de un proyecto italiano de construcción de casas con esta tecnología, en el cual se tiene una máquina gigante que puede construir una casa sin necesidad de ladrillos en un espacio de 70 o 100 m².