El equipo de investigación científica de la Universidad de Hiroshima en Japón anunció recientemente que ha desarrollado con éxito un nuevo proceso para la impresión 3D de carburo cementado de tungsteno-cobalto, abriendo un nuevo camino para la fabricación de herramientas de alta gama utilizadas en condiciones de trabajo extremas. Este avance supera un problema clave de larga data en el campo de la fabricación aditiva: cómo dar forma compleja a materiales compuestos ultraduros sin dañar la estructura interna.
La idea central del equipo de investigación es permitir que el material se "ablande" en condiciones controladas, en lugar de derretirse por completo en el sentido tradicional. Utilizan un proceso llamado "irradiación láser de alambre caliente" para calentar el alambre de soldadura de carburo de tungsteno con un láser hasta un estado plástico justo, minimizando los defectos y manteniendo una dureza extremadamente alta. Se espera que este método cambie la forma en que se fabrican herramientas duras en campos como el corte, la perforación y la construcción de ingeniería.
A diferencia de la impresión 3D de metal convencional, que generalmente se basa en polvo metálico completamente derretido o alambre de soldadura, el equipo de la Universidad de Hiroshima utilizó un láser para calentar con precisión el alambre de soldadura de carburo de tungsteno para que solo alcance un estado plástico en lugar de fundido. Este control de temperatura evita problemas como el crecimiento anormal de granos y la descomposición de componentes que son comunes a altas temperaturas, protegiendo así la microestructura del material. Para lograr una unión metalúrgica confiable entre las estructuras de formación de múltiples capas, los investigadores introdujeron una capa de aleación a base de níquel como capa intermedia durante el proceso de impresión para hacer que la estructura general sea más densa.
Los resultados de las pruebas muestran que la dureza de la superficie de los componentes producidos mediante este nuevo proceso supera los 1.400 HV, lo que se acerca al nivel de dureza de los materiales con calidad de gema, como el zafiro. Keita Marumoto, profesor asistente en la Escuela de Graduados en Ciencias e Ingeniería Avanzadas de la Universidad de Hiroshima, quien está a cargo del proyecto, dijo que este método es en realidad una nueva idea para formar materiales metálicos. Aunque actualmente está dirigido principalmente al carburo cementado representado por WC–Co, en principio se espera que se extienda a otros materiales compuestos difíciles de mecanizar.
El carburo de tungsteno-cobalto se usa ampliamente en herramientas de corte industriales, brocas y herramientas de ingeniería de construcción debido a su extremadamente alta resistencia al desgaste y rendimiento estable en entornos de fricción, altas temperaturas y fuertes tensiones mecánicas. Sin embargo, es esta propiedad "casi invulnerable" la que hace que el material sea extremadamente difícil de procesar para obtener formas complejas mediante procesos tradicionales. En la actualidad, la práctica común es llenar el molde con el polvo y sinterizarlo, lo que no sólo limita la complejidad de la estructura geométrica, sino que también provoca un gran desperdicio de material. En teoría, la fabricación aditiva puede resolver tanto los problemas de complejidad estructural como de utilización del material, pero sólo si el material en sí puede resistir el proceso de impresión.
La solución propuesta por el equipo de la Universidad de Hiroshima toma un "camino intermedio" entre la soldadura y la impresión 3D. Al ajustar con precisión la potencia del láser y la velocidad de alimentación del alambre, ablandaron el carburo lo suficiente como para formarlo capa por capa sin destruir su microestructura original. Este proceso de cambio de fase controlado no sólo inhibe el agrietamiento, sino que también mantiene una distribución razonable de la fase de unión de cobalto dentro del material, manteniendo un equilibrio entre dureza y tenacidad.
El equipo de investigación también enfatizó que esta tecnología aún se está mejorando y continúan optimizando la ventana del proceso para eliminar por completo los problemas residuales como el agrietamiento local. El siguiente paso se centrará en verificar la aplicabilidad y estabilidad de este método en geometrías más complejas. Una vez que se resuelvan estos obstáculos técnicos, en el futuro será una realidad producir herramientas industriales con formas complejas, una larga vida útil y una utilización más eficiente de los materiales mediante la fabricación aditiva. Este es también un objetivo que los ingenieros han perseguido durante mucho tiempo, pero que ha sido difícil de alcanzar cuando se enfrentan a materiales compuestos ultraduros.