Nueva cerámica por impresión 3D

"ZaK Eckel y un equipo de investigadores de los Laboratorios HRL, sitos en Malibú (Califonria, Estados Unidos), han publicado en la revista Science un nuevo proceso de obtención de cerámica por impresión 3D por el que se obtiene un producto mucho más resistente, con poca tendencia a agrietarse  y que puede tener formas complejas, curvadas y porosas.

Los materiales cerámicos ofrecen numerosas cualidades atractivas, como funcionalidad a altas temperaturas, resistencia medioambiental y gran firmeza, pero las pocas técnicas de impresión tridimensional que han sido desarrolladas hasta ahora para la cerámica presentan índices de producción lentos e implican aditivos que incrementan la tendencia del material a resquebrajarse.

La cerámica, el gres, la porcelana o los azulejos son materiales a base de arcillas (silicatos de aluminio) cuyo método de fabricación básico se remonta al Neolítico. A escala industrial, mediante un procesado denominado sinterizado, la arcilla en polvo es sometida a prensado con miles de kilos de presión por centímetro cuadrado y cocción por encima de los 1.500º. Una vez elaborada la pieza, solo materiales tan duros como el corindón o el diamante la pueden mecanizar, así que las piezas defectuosas suelen acabar en la basura.

En los años 60, el descubrimiento de polímeros (macromoléculas) de materiales cerámicos facilitó la fabricación de la cerámica pero no hasta el punto de que una impresora pueda con ella.

Hay unas cuantas impresoras 3D que se han atrevido a trabajar con partículas cerámicas disueltas en resinas fotosensibles o polvos cerámicos fundibles, pero sus resultados son tan lentos de obtener, toscos, simples y frágiles que algunos pioneros como Shapeway desistieron de imprimir cerámica.

Eckel y su equipo han conseguido mejorar estos procesos previos utilizando polímeros basados en silicio y oxígeno que, tras la polimerización, atrapan la luz ultravioleta y, de este modo, no requieren aditivos para las fase de secado por ultravioleta.

Una vez que el polímero estuvo impreso, se calentó a altas temperaturas para quemar los átomos de oxígeno y acabar ofreciendo un producto de silicona sólido y de alta densidad.

Mediante el uso de un microscopio de electrones para analizar el producto final, los investigadores comprobaron que no había porosidad ni grietas en la superficie.

Pruebas posteriores indicaron que el material cerámico podía resistir temperaturas de 1.400 grados centígrados antes de agrietarse y encogerse.

El equipo de investigadores detectó que este desarrollo, que también supone un proceso de producción de cerámica más eficiente, tiene una implicación importante en numerosas aplicaciones a alta temperatura, como vehículos hipersónicosy motores a reacción.

"Nuestro nuevo proceso de impresión 3D nos permite aprovechar todas las grandes propiedades de la cerámica, como si gran dureza, su resistencia, su alta refracción o su resistencia a la corrosión y la abrasión", ha declarado Tobias Schaedler, otro miembro del grupo, que ha añadido: "Hasta ahora, los elementos cerámicos eran muy difíciles de fabricar porque necesitan ser consolidados mediante el sinterizado de los polvos, lo que introduce el problema de la porosidad y limita tanto las formas a conseguir como la resistencia".

Lo que ellos han hecho, según se hace eco el diario El País,  ha sido convertir materiales artificiales precursores de la cerámica como el siloxano o el silazano en resinas sensibles a la luz ultravioleta. Como con los modernos empastes, la resina se endurece al aplicarle luz. 

Los investigadores usaron una impresora 3D (una Form 1+ de Formlabs) para imprimir desde un sacacorchos hasta varias estructuras en forma de malla o panal. Para el primero, usaron una de las técnicas dominantes en la impresión 3D, la estereolitografía. Pero para las estructuras, recurrieron a un original sistema de guiado de la luz (SPPW) que iba endureciendo la resina siguiendo un patrón determinado.

"Usando la estereolitografía, se necesitan de cuatro a ocho horas para tener una estructura de cinco centímetros. Con nuestro proceso SPPW, podemos imprimir paneles de 2 cm de grosor en 60 segundos, pero la forma se limita a mallas, panales de abeja o estructuras similares", explica Schaedler.

El siguiente paso fue endurecer las impresiones mediante la cocción. Para ello usaron el procedimiento de pirólisis, horneando los materiales a 1.000º y en ausencia de oxígeno. 

Con ello consiguieron unas cerámicas, en particular las impresas con SPPW, de muy baja porosidad y una gran resistencia al corte y la presión. "Logramos una cerámica plenamente densa con una resistencia 10 veces mayor que la de las espumas cerámicas convencionales", asegura el científico de materiales.

Sin embargo, la necesidad de la pirólisis aleja la impresión de cerámica del fenómeno de democratización que vive la impresión 3D, donde casi cualquiera puede imprimir ya casi cualquier cosa. "Para la pirólisis solo necesitas un horno que pueda alcanzar los 800º en una atmósfera inerte (argón o nitrógeno, no aire). 

Muchos artistas usan este tipo de hornos en sus estudios. Uno de esos cuesta entre 2.000 y 4.000 dólares y la impresora la compramos por unos 3.000. Así que creo que cualquiera puede hacerlo en su garaje", replica Schaedler.

En todo caso, los autores de este avance, publicado en la revistaScience, dejan claro que se trata de un primer paso y que, como pasó con otros materiales, como el plástico o el acero, la impresión 3D de cerámica avanzará siguiendo sus pasos: cada vez más objetos, mayor calidad y menor coste.

En el caso de las cerámicas, Schaedler, estima que aún faltan unos cinco años para que el proceso sea una realidad comercial. Para entonces, cree que no se tratará de imprimir un sacacorchos o unas cuantas baldosas para casa, sino para algo más sofisticado, "desde componentes de motores de reacción y vehículos hipersónicos a intrincadas partes de dispositivos de microelectrónica".