Descubren nueva técnica para imprimir en 3D tungsteno, uno de los metales más duros

El tungsteno-cobalto (WC-Co) es ampliamente valorado por su extrema dureza, pero su fabricación presenta desafíos significativos. La producción convencional de este material requiere procesos de alta presión que consumen grandes cantidades de tungsteno y cobalto, lo que incrementa los costos. Sin embargo, un equipo de científicos de la Universidad de Hiroshima encontró una nueva forma de manufacturarlo mediante impresión 3D, utilizando una técnica de láser de hilo caliente que suaviza los metales en lugar de derretirlos por completo.

Los carburo cementado de WC-Co son esenciales en aplicaciones que requieren alta resistencia al desgaste y dureza, como herramientas de corte y en la construcción. El método tradicional de producción implica la metalurgia de polvos, donde los polvos de WC y Co se comprimen y se calientan en máquinas de sinterización para formar el carburo cementado sólido. Aunque este proceso resulta en productos finales muy duraderos, genera un alto desperdicio de material y rendimientos relativamente bajos.

Para abordar este problema, los investigadores exploraron un enfoque diferente utilizando la fabricación aditiva (AM), comúnmente conocida como impresión 3D, junto con la irradiación de láser de hilo caliente. Esta combinación busca crear carburo cementado que mantenga su resistencia y durabilidad, mientras se reduce el desperdicio de material y los costos de producción.

Los hallazgos fueron publicados en el International Journal of Refractory Metals and Hard Materials y se espera que aparezcan en la edición impresa de abril de 2026 de la revista.

Enfoque de Fabricación Aditiva Basado en Láser

El estudio examinó la fabricación aditiva utilizando la irradiación de láser de hilo caliente y probó dos estrategias de fabricación diferentes. Esta técnica combina un rayo láser con un alambre de relleno calentado, aumentando la tasa de deposición y mejorando la eficiencia general de la fabricación.

En uno de los enfoques experimentales, la varilla de carburo cementado guía la dirección de la fabricación mientras que el láser irradia directamente la parte superior de la varilla. En el segundo enfoque, el láser dirige el proceso y enfoca la energía entre la base de la varilla de carburo cementado y el material base (hierro). En ambas técnicas, los materiales se suavizan durante la fabricación en lugar de ser completamente derretidos para formar la estructura del carburo cementado.

El autor correspondiente, Keita Marumoto, profesor asistente en la Escuela de Graduados de Ciencias Avanzadas e Ingeniería de la Universidad de Hiroshima, comentó: "Los carburo cementados son materiales extremadamente duros utilizados para bordes de herramientas de corte, pero están hechos de materias primas muy costosas como el tungsteno y el cobalto, por lo que la reducción del uso de material es muy deseable. Al utilizar la fabricación aditiva, el carburo cementado puede ser depositado solo donde se necesita, reduciendo así el consumo de material".

Logrando Dureza Industrial Sin Defectos

Los experimentos mostraron que esta estrategia de fabricación aditiva puede preservar la dureza y resistencia mecánica típicamente alcanzadas a través de métodos de fabricación convencionales. El material resultante alcanzó niveles de dureza superiores a 1400 HV, evitando defectos o descomposición del material.

Los materiales con este nivel de dureza son de los más resistentes utilizados en aplicaciones industriales y se ubican justo por debajo de materiales superduros como el zafiro y el diamante. La producción de moldes de carburo cementado sin defectos parece alcanzable con este enfoque, que fue el objetivo principal de la investigación. Sin embargo, los resultados variaron dependiendo del método de fabricación utilizado.

Por ejemplo, la técnica de varilla líder provocó la descomposición de WC cerca de la parte superior de la construcción, creando defectos en el material final. El método de láser líder también tuvo dificultades para mantener la dureza necesaria para el éxito.

Los investigadores abordaron estos problemas introduciendo una capa intermedia basada en aleación de níquel. Combinado con un control cuidadoso de las condiciones de temperatura, esto permitió la producción de carburo cementado utilizando fabricación aditiva mientras se preservaba la dureza del material.

Mejoras Futuras y Aplicaciones

Los resultados proporcionan un punto de partida prometedor para el desarrollo futuro. El trabajo futuro se enfocará en reducir el agrietamiento durante la fabricación y permitir la creación de formas más complejas. Marumoto agregó: "El enfoque de formar materiales metálicos suavizándolos en lugar de derretirlos por completo es novedoso y tiene el potencial de aplicarse no solo a los carburo cementados, que fueron el foco de este estudio, sino también a otros materiales".

De cara al futuro, los investigadores buscan fabricar herramientas de corte, investigar el uso de otros materiales y continuar estudiando formas de mejorar la durabilidad de las partes fabricadas con esta técnica. Keita Marumoto y Motomichi Yamamoto de la Escuela de Graduados de Ciencias Avanzadas e Ingeniería de la Universidad de Hiroshima y Takashi Abe, Keigo Nagamori, Hiroshi Ichikawa y Akio Nishiyama de la Mitsubishi Materials Hardmetal Corporation contribuyeron a esta investigación.