Investigadores del Instituto IMDEA Materiales, en colaboración con centros de investigación de España, Francia y Japón, han logrado un importante avance para comprender mejor la mecánica de fractura de los metales fabricados mediante técnicas de fabricación aditiva.

Los resultados, publicados en Journal of the Mechanics and Physics of Solids, muestran observaciones in situ y en tiempo real mediante rayos X, de cómo reaccionan dos de las aleaciones de aluminio y titanio más utilizadas cuando se someten a cargas de alta velocidad.

Los hallazgos no solo establecen una conexión directa entre los mecanismos a escala de poro y la respuesta macroscópica a la fractura, sino que también abren nuevas oportunidades para mejorar el comportamiento a fatiga de las aleaciones impresas en 3D.

La investigación se centró en AlSi10Mg y Ti-6Al-4V, dos aleaciones comúnmente utilizadas en la fabricación aditiva mediante fusión por láser en lecho de polvo (LPBF, por sus siglas en inglés).

Esta técnica permite producir geometrías complejas capa a capa. Sin embargo, el proceso también puede introducir poros microscópicos en el material. Comprender cómo se comportan estos defectos bajo condiciones de carga extrema ha sido, hasta ahora, un desafío importante.

Esta investigación es especialmente relevante para aplicaciones en los sectores aeroespacial y de defensa, donde los componentes suelen estar expuestos a intensas cargas dinámicas.

“Este enfoque nos permite observar directamente cómo se forma y evoluciona el daño dentro de los metales fabricados mediante técnicas aditivas durante cargas extremas”, explicó el Dr. Federico Sket, investigador senior del Instituto IMDEA Materiales y uno de los autores de la publicación.

“Por primera vez, podemos conectar lo que ocurre a escala microscópica con las señales macroscópicas medidas durante los experimentos de impacto”.

En concreto, los investigadores pudieron observar en tiempo real cómo los poros microscópicos presentes en los metales impresos en 3D colapsan, se reabren y finalmente desencadenan la fractura durante impactos a alta velocidad.

Los experimentos se realizaron en la Instalación Europea de Radiación Sincrotrón (ESRF), una de las infraestructuras más avanzadas del mundo en su ámbito. Los investigadores utilizaron intensos haces de rayos X para observar el interior de los metales mientras eran impactados a velocidades de hasta 738 metros por segundo.

Mediante técnicas de imagen de contraste de fase con rayos X ultrarrápidas y resolución temporal de nanosegundos, los investigadores pudieron observar toda la secuencia de eventos que ocurre dentro del metal durante el impacto.

Inicialmente, la onda de choque comprime el material, provocando el colapso de los poros.

A medida que las ondas de tensión se propagan y el material experimenta tracción, los poros se reabren y crecen. Finalmente, se conectan entre sí, formando una grieta interna que conduce a un fenómeno conocido como fractura por spall.

A diferencia de las fracturas convencionales, que suelen iniciarse en la superficie, la fractura por spall se forma en el interior del material debido al comportamiento de las ondas de tensión. Al originarse dentro del material y no en la superficie, estas grietas suelen ser más difíciles de detectar y analizar.

Y, aunque las aleaciones AlSi10Mg y Ti-6Al-4V mostraron diferencias claras en su morfología de fractura, ambas estuvieron gobernadas por el mismo mecanismo fundamental de daño, basado en el crecimiento y la coalescencia de vacíos que conduce a una fractura interna.

“En conjunto, este trabajo aporta nuevos conocimientos sobre la fractura dinámica por tracción en metales impresos en 3D”, explicó el también investigador de IMDEA Materiales, el Dr. Javier García Molleja.

“Lo hace aprovechando los últimos avances en técnicas rápidas de imagen de contraste de fase con rayos X y tomografía de alta resolución. Al mismo tiempo, establece un protocolo sistemático para investigar los mecanismos de colapso de vacíos y fractura por spall en materiales porosos sometidos a cargas de choque”.

Además del Instituto IMDEA Materiales, la publicación contó con contribuciones de la Universidad Carlos III de Madrid, el ESRF–European Synchrotron y el Institut Max von Laue-Paul Langevin en Francia, así como del Japan Synchrotron Radiation Research Institute (JASRI).

Los investigadores proponen que el marco experimental presentado se amplíe en el futuro a otros grados de aleaciones de aluminio y titanio adecuados para la fabricación aditiva, así como a metales ligeros impresos en 3D, como el magnesio.