¿Qué es el titanio y para qué se usa?

El titanio es un metal no ferromagnético, es decir, no es atraído por imanes, que presenta una alta conductividad del calor y electricidad. En la tabla periódica de los elementos, su símbolo es Ti y su número atómico 22 y se sitúa en el grupo 4. Es un metal de transición de color gris, baja densidad y gran dureza. Es muy resistente a la corrosión por agua del mar, agua regia y cloro.

El titanio se encuentra principalmente en forma de dióxido de titanio, una molécula de titanio con dos oxígenos unidos a ella. En la década de los cuarentas, se desarrolló un proceso para lograr refinar el material. A este proceso se le conoce como el proceso de Kroll.

Por ser un material altamente maleable, duro y ligero con una alta relación resistencia/peso, fuerte y resistente al desgaste y a la corrosión, tiene muchas aplicaciones en diversas industrias. Por ejemplo, en la industria del transporte aéreo, aeroespacial y la industria bélica, las aleaciones de titanio se utilizan en los aviones y también en helicópteros, blindaje, buques de guerra, naves espaciales y misiles.

El titanio y sus aleaciones también se usan ampliamente en el cuerpo humano en aplicaciones biomédicas, por ser biocompatibles, tener una baja densidad, una alta resistencia a la corrosión y propiedades mecánicas notables, así se utilizan en implantes de cadera y rodilla, casos de marcapasos, implantes dentales y placas craneofaciales entre otras aplicaciones médicas específicas.

Producción de piezas de titanio

Es muy difícil producir piezas de titanio con geometría compleja utilizando métodos convencionales de pulvimetalurgia (PM) ya que este método se basa en dar forma a polvos bajo fuerzas uniaxiales utilizando moldes. La Inyección Aglutinante (Binder Jetting) es una técnica de fabricación aditiva que no necesita moldes para dar forma a los polvos.

Se realizó un estudio para comparar las propiedades de las piezas porosas de CP-Ti producidas con Pulvimetalurgia e Inyección Aglutinante, las cuales se sinterizaron durante 120 min en una atmósfera de argón a 1200 °C, alcanzando valores de densidad relativa de aproximadamente el 94% en las muestras producidas por Pulvimetalurgia y el 92% con la impresora 3D o Inyección Aglutinante.

Aunque la dureza y resistencia de las muestras producidas con la impresora 3D fueron menores que las de Pulvimetalurgia, sus propiedades son adecuadas para producir implantes que reemplacen estructuras óseas dañadas en el cuerpo humano, ya sea por un accidente, enfermedad o desgaste por la edad.

La alta relación resistencia/peso, la alta resistencia a la corrosión y la biocompatibilidad del titanio (Ti) y las aleaciones de Ti desempeñan un papel importante en las aplicaciones aeroespaciales, biomédicas, bélicas, energéticas y marinas.

La densidad y el módulo elástico del titanio (Ti) y las aleaciones de Ti, frecuentemente utilizadas en aplicaciones biomédicas, son diferentes de la estructura ósea. La diferencia en el módulo elástico da como resultado una osteointegración débil y concentraciones de estrés en los puntos de unión del implante debido al efecto de protección contra el estrés. Además, la alta dureza del implante provoca la reabsorción ósea y el acortamiento de la vida útil del implante.

Estos problemas se pueden minimizar produciendo implantes porosos con propiedades mecánicas similares al tejido óseo. Los implantes porosos de Ti con baja densidad se pueden fabricar mediante métodos convencionales de pulvimetalurgia y técnicas de fabricación aditiva

En el método de pulvimetalurgia (PM) convencional, los productos para el usuario final se obtienen sinterizando las piezas que se moldearon aplicando presión al material en polvo que se llenó en el molde. Aunque este método es rápido y económico para producir una gran cantidad de piezas pequeñas y sin complicaciones, el costo y el tiempo de producción son altos para producir una cantidad baja y compleja de implantes específicos para pacientes.

En este método, las propiedades del material en polvo, la presión de compresión y las condiciones de sinterización afectan directamente la densidad y las propiedades mecánicas de los productos finales.

Binder Jetting (BJ) es un método de fabricación aditiva inventado en 1993 en el Instituto Tecnológico de Massachusetts. Con este método, cualquier tipo de materiales como polímeros, cerámica, metal y compuestos se pueden combinar con aglutinantes para fabricar piezas sin utilizar un molde. Las piezas se pueden fabricar directamente a partir del archivo de diseño CAD 3D con una impresora 3D en el método BJ.

Una de las ventajas de no utilizar moldes en los procesos de fabricación es que la fabricación de piezas complejas sea más sencilla, económica y rápida. La densidad, la microestructura y las propiedades mecánicas de la pieza producida por la impresora 3D varían según la forma del polvo, la distribución del tamaño del polvo, el grosor de la capa y la cantidad de aglutinante utilizado durante la combinación.

 

Proceso de producción por inyección aglutinante

La tecnología Binder Jetting pertenece a la familia de tecnologías de fusión de polvo (Powder bed fusion technologies) como la tecnología SLS o la DMSL.

El Sinterizado Selectivo por Láser, SLS, permite fabricar piezas con múltiples materiales desde polímeros plásticos, especialmente el nylon, hasta metales, gracias a la aplicación de un láser.

El método Direct Metal Laser Sintering, Sinterizado Selectivo por Láser o DMLS es una tecnología que funde partículas de polvo metálico a través de una fuente de calor, un láser o un haz de electrones, para formar una pieza que puede llegar a tener cierta complejidad geométrica. Este proceso fue patentado en 1994, por la compañía EOS.

La tecnología de Inyección Aglutinante o Binder Jetting de metal fue desarrollada por la empresa estadounidense ExOne en 1996. El proceso de impresión con esta tecnología, consiste en la pulverización de un aglutinante líquido sobre un lecho de polvo que luego se solidifica en sección transversal. Los materiales que se solidifican gracias al aglutinante suelen ser yeso, arena, cerámicas, metales y polímeros en gránulos.

Para comenzar con la impresión se empieza con el diseño de una pieza en un software CAD que enviará que enviará a la impresora 3D la información sobre las capas horizontales del objeto. La impresión comienza con la colocación de la primera capa de polvo a través del rodillo en la plataforma de construcción, gracias al cabezal de impresión similar al utilizado por las impresoras 2D se añade en forma de gotitas de 80 μm el agente aglutinante. El polvo se unifica y se forma la pieza.

La tecnología Binder Jetting también se puede utilizar en materiales cerámicos en los que es posible crear modelos a todo color, donde el color se añade en la misma fase que el agente aglutinante. Este proceso se repite sucesivamente hasta que la pieza queda completamente formada.

Después de la impresión de las piezas, se liberan del encapsulamiento de polvo y se curan para aumentar su resistencia. Dependiendo del material con el que estemos imprimiendo, cerámico o metálico, se requiere un paso más. En el proceso de Inyección Aglutinante de metal las piezas deben ser sinterizadas o someterlas a la infiltración, generalmente de bronce, como aleación de metal ligero.

En el caso de tener un modelo cerámico a color, es necesario recubrirlo añadiendo acrílico que aumentará la potencia de los colores y la resistencia mecánica de la pieza. Finalmente se retiran los restos de polvo con un cepillo o con aire presurizado.

 

Materiales utilizados en la tecnología de Inyección Aglutinante

La tecnología de Inyección Aglutinante ha sido muy difundida dentro de la impresión 3D de cerámica, debido a que puede trabajar con todos los materiales pertenecientes a este campo y ha abierto la posibilidad de imprimir con arena, único material que no requiere un procesamiento adicional final.

Con la tecnología Binder Jetting se pueden fabricar piezas con varios tipos de aleaciones metálicas como los aceros inoxidables 420SS/BR y 316, el titanio, y otros como Inconel 625 o cobre. Recientemente existe la posibilidad de imprimir con algunos polímeros termoplásticos y poliamidas.

 

Actores y desarrollos

La tecnología Binder Jetting puede producir piezas de metal o prototipos a color con un menor costo que al utilizar técnicas como DMLS o Material Jetting. Esta tecnología es especialmente valorada para el desarrollo de lotes de producción de piezas debido al gran volumen de impresión de la mayoría de las máquinas.

Actualmente, el principal fabricante de impresoras 3D que utilizan la tecnología Binder Jetting para materiales cerámicos es 3D Systems, con la tecnología ColorJet Printing. Otras empresas como el fabricante alemán Voxeljet AG, cuenta con máquinas que permiten imprimir con termoplásticos y CONCR3DE fabricante de los Países Bajos. También está la empresa taiwanesa ComeTrue que ofrece impresoras 3D Binder Jetting de escritorio. El líder en la impresión en metal continúa siendo ExOne, y han surgido otros actores como la empresa sueca Höganäs con su Digital Metal.

Otra empresa que utiliza la tecnología de Inyección Aglutinante en su versión Multi Jet Fusion, es el gigante de la industria, HP. Desde 2016 ha ido incrementando las posibilidades de su tecnología, iniciándose en materiales plásticos como poliamidas, pasando por la impresión 3D a todo color y llegando finalmente a la industria del metal.