Estudiantes de la ETH de Zúrich han desarrollado una máquina de fusión por lecho de potencia láser que sigue una trayectoria circular para imprimir componentes redondos, lo que permite procesar múltiples metales simultáneamente. El sistema reduce significativamente el tiempo de fabricación y abre nuevas posibilidades para la industria aeroespacial. La ETH ha presentado una solicitud de patente para la máquina.
En resumen
- Gracias a una plataforma giratoria, una nueva impresora 3D de metal puede depositar y fusionar polvo metálico en un solo paso, trabajando así más rápido que las máquinas convencionales.
- El sistema puede procesar dos metales diferentes en una sola operación, lo que agiliza la fabricación y minimiza el desperdicio de material.
- Se desarrolló un prototipo en sólo nueve meses y ofrece potencial para aplicación en tecnología aeroespacial y de propulsión; de hecho, en cualquier área donde haya necesidad de objetos livianos y aproximadamente cilíndricos.
Hoy en día, prácticamente todos los motores de cohetes modernos dependen de la impresión 3D para maximizar su rendimiento, con una estrecha relación entre estructura y función. Estudiantes de la ETH de Zúrich han construido una impresora de metal multimaterial de alta velocidad: una máquina de fusión láser de lecho de potencia que gira las boquillas de deposición de polvo y flujo de gas mientras imprime, lo que le permite procesar varios metales simultáneamente y sin tiempos muertos. Esta máquina podría revolucionar la impresión 3D de piezas metálicas, reduciendo significativamente el tiempo y los costes de producción.
El equipo de seis estudiantes de grado de quinto y sexto semestre desarrolló la nueva máquina en el Laboratorio de Fabricación Avanzada bajo la dirección del profesor de la ETH Markus Bambach y el científico sénior Michael Tucker, como parte del Proyecto Focus RAPTURE. En tan solo nueve meses, los estudiantes materializaron, construyeron y probaron su idea. La máquina está especialmente diseñada para aplicaciones en el sector aeroespacial con geometrías aproximadamente cilíndricas, como toberas de cohetes y turbomáquinas, pero también presenta un amplio interés para la ingeniería mecánica.
Proporcionar acceso a tecnología avanzada
Tucker, líder del proyecto, explica que el proyecto surgió a partir de un reto muy específico: desarrollar toberas de cohetes de combustible bilíquido para ARIS, la Iniciativa Espacial Académica Suiza, que construye sus propios cohetes con la visión de alcanzar el espacio. En los próximos años, ARIS aspira a alcanzar la Línea de Kármán, el límite espacial reconocido internacionalmente, situado a una altitud de 100 kilómetros, más allá del cual la atmósfera es demasiado tenue para permitir el vuelo de aeronaves sin propulsión especial.
Para soportar el intenso calor y la presión durante un lanzamiento prolongado, lo ideal sería que las toberas de los cohetes estuvieran hechas de varios metales. Por ejemplo, su interior puede ser de cobre termoconductor con canales de refrigeración integrados y su exterior de una aleación de níquel resistente al calor. «Para empresas pequeñas como nuestro equipo de cohetes estudiantiles, este tipo de tecnología multimaterial ha sido hasta ahora demasiado compleja y costosa, lo que la ha puesto fuera de nuestro alcance», afirma Tucker.
Impresión 3D rotacional
El corazón de la nueva máquina es una plataforma giratoria que permite un proceso de impresión de alta velocidad. A diferencia de las máquinas de fusión láser de lecho de potencia rectilíneas convencionales, donde se debe aplicar una nueva capa de polvo después de fundir cada capa, la máquina RAPTURE funciona ininterrumpidamente gracias a su plataforma giratoria. Esto significa que el polvo se aplica y se funde mediante el láser simultáneamente, lo que mejora significativamente la productividad. Esto reduce el tiempo de fabricación de componentes cilíndricos en más de dos tercios.
“Este proceso es ideal para toberas de cohetes, motores rotativos y muchos otros componentes de la industria aeroespacial”, afirma Tucker. “Suelen tener un diámetro grande, pero paredes muy delgadas”, añade. Si bien la máquina también puede producir piezas asimétricas o incluso matrices de piezas, el método rotativo es particularmente eficaz para producir con precisión esta geometría.
Impresión de dos metales simultáneamente
La máquina rotativa puede procesar dos metales diferentes en una sola operación. Los sistemas convencionales requieren varios pasos y una cantidad mucho mayor de polvo metálico. Dado que la separación y recuperación del polvo mixto sigue siendo un reto, gran parte de este se convierte en residuo. El nuevo método deposita el material únicamente donde realmente se necesita dentro del componente, reduciendo así el desperdicio.
(Vídeo: Rapture / ETH Zúrich)
La máquina cuenta con un mecanismo que inyecta gas inerte sobre la zona donde se funde el polvo. Esto evita que el componente se oxide durante la impresión. El hollín, las salpicaduras y otros subproductos se extraen sistemáticamente a través de una salida. «Al principio subestimamos el grado en que el mecanismo de flujo de gas afecta la calidad del producto», afirma Tucker. «Ahora sabemos que es crucial». Gracias a la arquitectura rotatoria de la máquina de nuevo desarrollo, las condiciones locales del flujo de gas se pueden controlar con mucha mayor precisión que con una máquina convencional.
Componentes personalizados en lugar de estándar
Los estudiantes se enfrentaron a diversos desafíos técnicos durante el desarrollo de la novedosa máquina de fusión por lecho de potencia láser. Uno de ellos fue la sincronización del láser de escaneo con la rotación de la entrada de gas y el suministro de polvo. Además, dado que muchas de las piezas necesarias para la máquina no están disponibles comercialmente, el equipo diseñó las suyas propias. Estas incluyen una conexión giratoria para la entrada de gas y un sistema que rellena automáticamente el polvo durante el funcionamiento.
Sin embargo, el equipo de estudiantes ha logrado construir una máquina que parece casi lista para su aplicación industrial. Para Tucker, este fue uno de los puntos culminantes del proyecto Focus: «Que un equipo de estudiantes haya desarrollado y construido una máquina funcional en nueve meses es realmente extraordinario».
Potencial para la industria aeroespacial, la movilidad eléctrica y más
Además de su aplicación concreta para ARIS y la industria aeroespacial en general, el equipo prevé posibles aplicaciones en otros sectores, como aeronaves y turbinas de gas, así como en motores eléctricos, donde las geometrías anulares son la norma. Debido a su novedad y enorme potencial comercial, la ETH presentó una solicitud de patente para la tecnología de fusión por láser de lecho de polvo rotatorio multimaterial, que posteriormente ha sido nominada al Premio Spark de la ETH.
Los componentes fabricados hasta la fecha con el prototipo tienen un diámetro de hasta 20 centímetros. El equipo de investigación busca ahora escalar el proceso a velocidades y diámetros mayores, y busca socios industriales que colaboren con ellos para seguir desarrollando e implementando esta revolucionaria tecnología.
Premio Spark 2025
El 27 de noviembre de 2025, la ETH Zurich entregará el 14.º Premio Spark a la mejor invención del año en el evento ETH Zurich @ Open-i . Los proyectos se evaluarán en función de su originalidad, patentabilidad y potencial de mercado.
Haga clic aquí para ver los proyectos ganadores anteriores del premio Spark 2012-2024 .
Ceremonia de entrega de premios Spark, Día de la Industria en Open-I , jueves 27 de noviembre de 2025, 13:30 h, Kongresshaus Zúrich. Es necesario registrarse.
Referencia
Bambach M, Tucker MR: Diseño y análisis de la deposición de polvo, el flujo de gas y la productividad de un sistema de fusión de lecho de polvo por láser rotatorio. CIRP Annals – Manufacturing Technology, 2025. doi:página externa10.1016/j.cirp.2025.04.005
ETH Zürich. D. K. Traducido al español
