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Aug 09, 2023

Poner el pedal en el metal y otros materiales en movimiento

Los recientes avances en polímeros, metales y compuestos están tomando la

Los avances recientes en polímeros, metales y compuestos están llevando a la industria manufacturera en direcciones audaces, a menudo inesperadas.

Los humanos comenzaron a convertir los metales en formas útiles hace milenios, primero con cobre y oro, luego con bronce, y luego con hierro y acero. Los polímeros tienen una historia mucho más corta, poco más de un siglo, pero desde entonces se han vuelto tan importantes como sus contrapartes metálicas.

Luego están los recién llegados a la evolución de los materiales, entre ellos los plásticos reforzados con fibra de carbono (CFRP) y los compuestos de matriz metálica, que se han vuelto cada vez más populares en los últimos años debido a su resistencia y rigidez, peso relativamente bajo y capacidad de ajuste. para diversas aplicaciones.

Las innovaciones continúan en todo el espectro de materiales, produciendo una mezcla ecléctica de formulaciones avanzadas con propiedades específicas de la aplicación para mejorar la resistencia, la durabilidad y la formabilidad, al mismo tiempo que se reduce el peso y se mejora la sostenibilidad. No es que haya habido muchas dudas, pero el desarrollo de materiales modernos es realmente una ciencia.

Irónicamente, uno de los jugadores más establecidos en esta colección de materiales, el acero, se esfuerza una vez más por liderar el grupo, al menos en el mundo automotriz. Esto se debe a que el acero avanzado de alta resistencia (AHSS) y el acero de ultra alta resistencia (UHSS) han tomado el asiento del conductor en muchos diseños de automóviles y camiones, gracias a su peso y beneficios ambientales.

Los llamados aceros de tercera generación "pueden reducir el peso estructural de un vehículo hasta en un 25 por ciento y reducir las emisiones de CO2 del ciclo de vida total hasta en un 15 por ciento más que cualquier otro material automotriz", según el American Iron and Steel Institute (AISI). , Washington DC

Chris Kristock, vicepresidente del programa automotriz de AISI, señaló que la industria del acero ha experimentado varias fases distintas en el camino hacia estos aceros de alta resistencia. "Algunos de nosotros quizás recordemos los Checker Cabs virtualmente indestructibles de los años cincuenta, cuyos paneles de carrocería estaban hechos de aleaciones de carbono y manganeso de grueso calibre", dijo. "En ese entonces, la resistencia se lograba usando materiales más gruesos, una práctica que hoy en día es desconocida".

El primer paso hacia metales más delgados vino con la adición de columbio, titanio, vanadio y elementos de aleación similares, todos los cuales sirven para aumentar la resistencia manteniendo una buena ductilidad. Sin embargo, no todas las mejoras son puramente metalúrgicas. Los fabricantes de automóviles pronto desarrollaron el proceso de estampado en caliente, donde el acero que contiene cantidades ligeramente más altas de carbono y manganeso (y un poco de boro) se calienta a 1800 °F (982 °C) durante la formación y luego se enfría mientras aún está en la matriz. Y aunque este proceso produjo piezas fuertes y de alta calidad, los fabricantes de automóviles querían más.

Kristock explicó que los aceros Gen3 son de naturaleza bifásica, con una microestructura ferrítica-martensítica que aumenta significativamente sus propiedades mecánicas.

"El acero bajo en carbono tradicional tiene un límite elástico para la formación de alrededor de 210 megapascales (MPa), o 30.000 psi", dijo. "Sin embargo, los fabricantes de acero han comenzado a distribuir aleaciones comerciales que se pueden estampar en frío con un límite elástico en el rango de 800 MPa y una resistencia a la tracción asociada de 1180 MPa, con algunos grados de estampado en caliente capaces de alcanzar niveles de límite elástico en piezas terminadas de hasta 1400 MPa o hasta siete veces la del acero dulce con una resistencia a la tracción asociada de hasta 1500 MPa. Y no han terminado: vemos que los aceros con un nivel de resistencia 10 veces mayor están en el horizonte".

Como se dijo al principio, los humanos han estado fabricando acero durante milenios. Entonces, ¿qué ha cambiado? ¿Estas grandes mejoras se deben a elementos de aleación recién descubiertos o a algún método de fabricación drásticamente diferente?

La respuesta, explicó Kristock, es ninguna. "Gracias a los controles de proceso avanzados y una gran cantidad de mejoras tecnológicas, estamos mejor equipados para manipular el procesamiento térmico que se lleva a cabo durante la fabricación de acero", dijo. "Podemos calentar y enfriar el acero de tal manera que rompa la relación tradicional de resistencia frente a ductilidad".

Pero hay mucho más en esta historia de fabricación de acero. Kristock continuó describiendo los hornos de recocido continuo y los sistemas de enfriamiento de gas que permiten a los operadores de molinos producir AHSS y UHSS, sin mencionar una gran cantidad de métodos avanzados de formación y unión que AISI y sus empresas miembro han desarrollado para fabricar con éxito productos a partir de estos materiales de alta calidad. aceros de resistencia. En pocas palabras, la industria siderúrgica está viva y bien, y continúa brindando a los fabricantes de automóviles y otros segmentos del mercado las aleaciones que necesitan para entregar productos de alta calidad.

QuesTek Innovations LLC tiene una amplia experiencia en el desarrollo e implementación de nuevas aleaciones. La compañía de Evanston, Illinois, ha brindado servicios integrados de ingeniería computacional de materiales (ICME) durante más de 25 años, y pronto ofrecerá sus conjuntos de herramientas, modelos y bases de datos de materiales patentados a través de un software como servicio basado en la nube ( SaaS) bajo la marca registrada ICMD (diseño integrado de materiales computacionales).

Pero como explicó el director de arquitectura de soluciones, Keith Fritz, los servicios de QuesTek van mucho más allá del desarrollo para incluir la optimización de materiales específicos del producto y el soporte de fabricación, lo que la empresa llama "concurrencia de materiales".

"Digamos que necesita diseñar el tren de aterrizaje para un avión", dijo Fritz. "Una de las primeras cosas que hará es buscar una aleación que ofrezca las características de rendimiento necesarias y luego diseñar las piezas según esas especificaciones. En otros casos, puede diseñar un producto antes de encontrar, o posiblemente desarrollar, un material que cumplir con sus requisitos", continuó. "La idea con la concurrencia de materiales es que ambos procesos comiencen al mismo tiempo. Puede desarrollar el material y el producto en paralelo, lo que es una desviación radical de cómo se han diseñado las piezas en el pasado".

Ejemplos de esto incluyen un proyecto con el Ejército de EE. UU., que buscaba reemplazar los aceros heredados 8620 y 9310 utilizados en sus trenes de engranajes de rotor de helicóptero con aleaciones novedosas que exhibirían "una combinación de mayor resistencia a la fatiga por flexión y contacto, mayor resistencia del núcleo con buena tenacidad, mayor resistencia a la temperatura y excelente templabilidad".

Era una tarea difícil, pero al aprovechar sus herramientas de software y su experiencia en ingeniería, QuesTek desarrolló el polvo de acero Ferrium C64, lo que permitió a los subcontratistas Bell Helicopter y Sikorsky (parte de Lockheed Martin) imprimir piezas prototipo en 3D que cumplieron con los requisitos del Ejército.

Un proyecto similar con la Marina de los EE. UU. condujo a Ferrium N63, una aleación endurecible igualmente resistente adecuada para una amplia gama de aplicaciones energéticas y de defensa exigentes. Pero quizás la más conocida de las historias de éxito de QuesTek llegue a casa con cualquiera que use un Apple Watch. Aquí, el fabricante "adquirió cierta tecnología y conocimientos" de QuesTek y los utilizó para desarrollar un nuevo grado de aluminio, uno con mayor resistencia y dureza superficial, excelentes características de mecanizado y otras propiedades que ayudarían a Apple a maximizar la rentabilidad y la satisfacción del cliente. .

"También trabajamos con los clientes para optimizar los materiales existentes", agregó el líder de desarrollo de materiales de QuesTek, Thomas Kozmel. "Como muchos en la industria saben, las especificaciones de aleación suelen ser bastante amplias, lo que significa que un lote de material puede ser menos mecanizable que otro, aunque técnicamente sean del mismo grado. Por ejemplo, recientemente ayudamos a un cliente aeroespacial a desarrollar un formulación mejorada de Inconel 718 más adecuada para su aplicación específica que la especificación genérica".

Pin Lu, gerente de programas e ingeniero senior de diseño de materiales en QuesTek, estuvo de acuerdo. "Nuestros modelos, que pueden considerarse gemelos digitales, pueden simular los diversos procesos por los que puede pasar una aleación durante la fabricación, ya sea fundición, tratamiento térmico, posprocesamiento, acabado de superficies, etc. Podemos modelar los efectos que tienen esos procesos sobre las propiedades de los materiales, simulando lo que sucede en la planta de producción y haciendo preguntas como: '¿Qué sucede si agrego más boro a la química?' Responder a estas preguntas en un modelo digital le ahorra al fabricante una gran cantidad de tiempo de desarrollo de prueba y error y ahorra costos de prueba de materiales, al mismo tiempo que ofrece un mejor resultado".

A veces, las innovaciones de productos no dependen en absoluto de materiales novedosos, sino de una mejor comprensión de los existentes. Tal es el caso de Milwaukee Tool, que ha invertido un esfuerzo significativo en la recopilación de datos y análisis avanzados basados ​​en la nube para este mismo propósito. Eso es según Max Sawa, gerente sénior de ingeniería avanzada, quien explicó que el proveedor de soluciones en el lugar de trabajo para los oficios mecánicos, eléctricos y de plomería con sede en Brookfield, Wisconsin, aprovecha una amplia gama de prototipos y equipos de prueba en su Centro de Innovación. .

"Tenemos un equipo de front-end dentro de nuestro grupo de ingeniería avanzada que diseña y construye máquinas personalizadas para prototipos y pruebas", dijo Sawa. "Estas máquinas están equipadas con sensores que recopilan datos, que luego usamos para analizar el rendimiento del producto y tomar mejores decisiones de diseño. Esa podría ser información sobre cómo respondió un metal al tratamiento térmico, o tal vez es cómo se desempeñó un polímero sobremoldeado después de repetidos ciclos

"Al final del día", continuó, "este tipo de información es crucial para cualquier ingeniero que esté diseñando nuevos productos. Cuanto más rápido podamos obtener esta información, más rápido podrán iterar y llevar productos al mercado".

Un resultado notable de estos esfuerzos fue cuando los ingenieros de Milwaukee Tool inventaron una forma más efectiva de adherir los dientes de carburo a su marca Sawzall Torch de hojas de sierra de acero que, según se informa, produjo un aumento de cincuenta veces en la vida útil de la herramienta. La compañía también ha desarrollado hojas de Nitrus Carbide para sierras recíprocas, que prometen un corte más rápido y una mayor vida útil en hierro fundido y metales gruesos. "Cada uno de estos es el resultado directo de la recopilación de datos de nuestros procesos de creación de prototipos (que) aceleran este tipo de desarrollo de materiales", señaló Sawa.

John Barnes tiene mucho que decir sobre el desarrollo de productos, especialmente cuando se trata de aquellos producidos mediante impresión 3D. Como fundador y director ejecutivo de The Barnes Global Advisors, una firma consultora de fabricación aditiva (AM) en Pittsburgh, reconoció hace años la necesidad de una mayor consistencia en los polvos metálicos y poliméricos utilizados en la fusión de lecho de polvo láser (LPBF), directa -métodos AM de deposición de energía (DED) y deposición de partículas supersónicas (pulverización en frío).

Junto con el socio comercial Chris Aldridge, Barnes y su equipo desarrollaron una tecnología innovadora que pasa por alto los métodos de atomización tradicionales en favor de una técnica mecánica de generación de polvo, que utiliza barras disponibles comercialmente y se realiza a temperatura ambiente. En 2017, la pareja llevó su proceso al mercado y fundó Metal Powder Works (MPW), con sede en Pittsburgh, una empresa que Barnes describe como un "habilitador de aleaciones" en lugar de un desarrollador de aleaciones.

"Hoy en día, hay 16 especificaciones AMS diferentes para polvo metálico, pero más de 2000 especificaciones para barras", dijo Barnes. "Nuestro proceso permite la conversión de barras en polvo directamente, y lo hace sin cambiar sus propiedades metalúrgicas, lo que facilita mucho la certificación de piezas impresas en 3D.

"Además, ofrecemos un rendimiento mucho mayor y una mejor consistencia del polvo que la disponible a través de la atomización, y tenemos un control mejorado sobre la morfología de las partículas y la distribución del tamaño", afirmó Barnes. "Por lo general, trato de evitar términos como revolucionario o disruptivo, pero debo decir que ningún otro proceso puede ofrecer lo que el nuestro hace".

¿Por qué la forma de las partículas es tan importante cuando esos diminutos trozos de metal se derretirán, fusionarán o romperán de todos modos? Barnes explicó que cada tecnología AM tiene sus propios requisitos distintos, pero un hilo común entre los procesos de lecho de polvo y rociado en frío es la necesidad de consistencia primero, un atributo que el proceso MPW proporciona inherentemente, junto con la capacidad de adaptar la producción a la necesidad específica. proceso de fabricación para lograr la densidad.

Las formas en gran parte esféricas producidas a través de la atomización de gas entran en contacto con cada uno de sus vecinos en solo uno o dos puntos, lo que limita su capacidad de fusionarse entre sí. No es así con el proceso DirectPowder de MPW, que a través del control numérico se puede "programar" para generar partículas semiesféricas, en forma de disco e incluso similares a hilos en una amplia gama de tamaños.

"También podemos producir material a pedido directamente en el punto de uso, lo que llamamos Sidecar o la marca registrada Powder by the Hour", agregó Barnes. "Esto reduce las preocupaciones de seguridad. Hay poca necesidad de almacenamiento, lo que elimina los problemas de oxidación que son tan comunes con los polvos. Y es mucho menos costoso: mientras que una barra de aluminio 7075 hoy cuesta alrededor de $ 5 por libra, un balde de polvo atomizado cuesta 80 dólares una libra. Por lo tanto, sus contadores también deberían estar más contentos con esta solución".

Aparte de los ahorros de costos, Metal Powder Works podría no haber sido el mejor nombre. Barnes admite que la compañía ha estado demasiado ocupada convirtiendo barras de metal en polvo para hacer mucho con polímeros, pero dijo que el proceso también se puede aplicar aquí. Esa es una gran noticia para Samuel Leguizamon, quien sabe todo sobre polímeros. De hecho, al conocer a este científico sénior en los Laboratorios Nacionales Sandia con sede en Albuquerque, es posible que lo saluden con: "Sam es el nombre, los materiales poliméricos avanzados son el juego".

Al igual que con MPW, el enfoque de Leguizamon está en la impresión 3D. Y aunque dedica gran parte de su tiempo al desarrollo de lodos y resinas para el procesamiento de escritura directa con tinta (DWI), ama todos los polímeros por igual. Cuando se le preguntó cómo inventaba un nuevo material, la respuesta de Leguizamon no fue sorprendente: "Depende de la aplicación. ¿El polímero necesita disipar calor o radiación? ¿Cuáles son los requisitos mecánicos? ¿Se entrecruzan las moléculas?

"Una vez que haya respondido la mayor cantidad posible de estas preguntas", continuó, "es hora de sintetizar o, con suerte, comprar las materias primas necesarias para hacer una formulación inicial. Luego analizará sus diversas propiedades, ajustará según sea necesario y una vez que todo esté lo más cerca posible de lo deseado, imprima algunas piezas de prueba. Suele ser un proceso muy iterativo".

Actualmente, Leguizamon no usa ninguna herramienta de software para este proceso, pero dijo que esta es "definitivamente un área de gran interés" para él y otros en el mundo del desarrollo de materiales.

Eso es música para los oídos de Greg Mulholland, director ejecutivo de Citrine Informatics Inc., quien ayudó a fundar la empresa basándose en la premisa de que donde las herramientas de diseño 3D como CAD y CAE revolucionaron el diseño geométrico de productos físicos, nadie había desarrollado el software aún. herramientas necesarias para diseñar los materiales reales utilizados en estos productos. Eso fue hace 10 años, y la empresa con sede en Redwood City, California, está en camino de cambiar esta desafortunada situación.

"Se ha hablado mucho durante la última década y media sobre el uso de software para diseñar materiales, pero hasta ahora, nadie lo ha hecho de manera significativa", reconoció Mulholland.

Históricamente, los fabricantes han desarrollado nuevos materiales modificando los existentes, explicó. Es posible que las empresas necesiten un adhesivo que se adhiera mejor a bajas temperaturas o una aleación que sea un poco más dura o más dúctil, que luego producen utilizando el proceso iterativo que se acaba de describir: a través de prueba y error, trabajando a partir de lo que sabe y haciendo conjeturas informadas.

"Mis cofundadores y yo creamos una plataforma que reúne datos de materiales y aprendizaje automático, lo que permite al usuario realizar lo que un financiero llamaría análisis hipotéticos", dijo Mulholland. "Puede decirse a sí mismo: 'Si mis objetivos de propiedades materiales son X, ¿qué parámetros de proceso, elementos de aleación o ajuste químico puedo utilizar para lograr ese resultado?' Luego puede conectar esas variables en nuestro software e iterar virtualmente en lugar de físicamente hasta alcanzar los resultados deseados".

Josh Tappan, director de marketing de Citrine, señaló que muchos fabricantes enfrentan conflictos entre el desempeño, la preferencia del consumidor y la presión regulatoria. Las sustancias perfluoroalquiladas y polifluoroalquiladas (PFAS) son un ejemplo notorio. Estos revestimientos versátiles resisten el calor, los aceites y el agua. Se encuentran en todo, desde la ropa hasta los utensilios de cocina, pero según los Centros para el Control de Enfermedades, las PFAS también son una sustancia química permanente que se acumula con el tiempo y se sospecha que causan una variedad de efectos adversos y graves para la salud.

"Al igual que con el BPA [bisfenol A], los materiales que hemos usado en el pasado no estarán permitidos por mucho más tiempo, razón por la cual los fabricantes de productos químicos y metales necesitan una forma más rápida y rentable de formular los próximos materiales de generación", dijo. "La buena noticia es que hoy podemos controlar las estructuras materiales mejor que nunca, hasta el punto de que podemos manipular literalmente átomos individuales. El problema entonces es cómo evaluar estas estructuras novedosas y determinar sus características de rendimiento sin largas pruebas. "

Mulholland estuvo de acuerdo y agregó que la industria de los materiales nunca ha sido muy buena en la optimización multiobjetivo. "Todo el mundo quiere más ligero y más fuerte, y aunque ambos son fáciles de lograr por sí solos, combinarlos es bastante difícil", se rió.

Mulholland solía trabajar para una empresa que fabricaba nitruro de galio, que es un material semiconductor utilizado para los diodos emisores de luz azul. En ese momento, el material se consideró la mejor solución para una amplia variedad de aplicaciones.

"Si me hubieran preguntado entonces cuál (es) el mejor material para brocas, bombillas o espinilleras para los jugadores de fútbol de la Copa del Mundo, habría dicho nitruro de galio", reflexionó Mulholland.

Ese ya no es el caso, gracias a los avances recientes que han llevado a más alternativas. "Nuestro software permite a las empresas aprovechar la experiencia de su gente pero ampliarla a dominios más allá de aquellos en los que están acostumbrados a trabajar", confió Mulholland. "Porque, francamente, hemos experimentado un cambio generacional en los requisitos operativos últimamente y requerimos nuevos materiales para lograr los objetivos que nosotros, como sociedad, debemos lograr. Eso es lo que traemos a la mesa".

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