Un grupo de investigadores del Virginia Polytechnic Institute and State University estadounidense han conseguido hacer piezas de cobre por impresión 3D mediante la tecnología ‘binder jetting’ o deposición de aglutinante.

Los resultados de la investigación fueron publicados en el Solid Freeform Fabrication Symposium, donde destacan que la capacidad de fabricar geometrías complejas en cobre podría tener un impacto significativo en el diseño y rendimiento de los sistemas de refrigeración y estructuras de dispositivos electrónicos.

La investigación surge tras la detección de una necesidad por disponer intercambiadores de calor o disipadores con geometrías complejas, especialmente indicado para los cada vez más populares generadores eléctricos portátiles a base de pilas de combstible. El cobre, un excelente conductor térmico y eléctrico es el material ideal para esta tarea, pero las tecnologías de impresión 3D o fabricación aditiva aún no permiten hacer un uso práctico de este material.

Hasta ahora, el cobre se usaba en tecnologías como sinterización por láser (DLS, DLMS), fusión por chorro de electrones (EBM) y consolidación por ultrasonidos (UOC), pero ninguna de estas permitía la realización de piezas con la suficiente precisión o pureza.

El equipo de investigadores liderado por Yun Bai y Christopher B. Williams decidió usar la tecnología binder jetting que ya se usa para realizar piezas en materiales cerámicos -yeso, arena- y también con metales -acero, cobalto, cromo, aluminio-, pero aún no se había utilizado cobre.

El sistema binder jetting funciona mediante la deposición con unos cabezales similares a los de una impresora de tinta, de gotas minúsculas de un agente aglutinante o adhesivo que pega los pequeños granos de polvo de material que se disponen en una cama. Una vez que se ha realizado la impresión en una capa, se dispone una nueva capa de material en polvo sobre la anterior y se procede a imprimir con esta ‘tinta’ adhesiva. Tras el proceso completo se dispone de una pieza sólida gracias a la acción adhesiva del agente aglutinante y el resto del polvo permanece intacto y puede retirarse con facilidad, generalmente por aspiración y soplado de aire.

Las piezas resultantes suelen ser muy frágiles, ya que la unión del polvo de material -ya sea cerámico o metálico- solo se debe a la acción adhesiva del aglutinante y neceistan de un posterior tratamiento de infiltración y curado para conseguir una pieza prácticamente sólida y similar a la que se consigue con otros métodos como mecanizado o fundición.

Aunque aparentemente sencillo, el proceso se vuelve muy complejo al entrar en juego una gran cantidad de variables, el tipo de aglutinante, el tamaño, forma y regularidad de las partículas del polvo de material, el proceso de impresión 3D en sí en términos de velocidad y cantidad de aglutinante, y el pos-tproceso donde se juega con la temperatura, el tiempo y la composición de al atmósfera en un proceso de sinterización.

Los investigadores utilizaron tres tipos de polvo de cobre e identificaron las temperaturas y tiempos más idóneas para el proceso de sinterización que se realiza en el post-proceso. Durante los ensayos, lograron una sinterización de hasta el 85,5% del material aunque a costa de una contracción volumétrica del 43%, mientras que con una sinterización del 63% la contracción se redujo al 15%.

Para el estudio, se utilizó una impresora 3D ExOne R2 y un aglutinante también de ExOne llamado PM-B-SR-1-04. Los distintos tipos de polvo de cobre fueron AcuPowder 153A, AcuPowder 500A y Ozometal.