Ver en tiempo real cómo se solidifican los metales

El equipo del Prof. Dr. John Banhart (1.ª desde la derecha) mantiene el récord mundial en tomografía por rayos X en 3D. Los empleados pueden actualmente captar 50 tomogramas por segundo. (© TU Berlín/PR/Felix Noak)

Los científicos de materiales quieren entender mejor el crecimiento dendrítico con la ayuda de la tomografía por rayos X en 3D y, para ello, aumentar la velocidad de adquisición de tomogramas en veinte veces.

Cuando se observa cómo se solidifica el metal, parece que crecen muchos pequeños árboles. Estas estructuras se llaman dendritas, derivado de la palabra griega déndron, que significa árbol. Por eso, la ciencia también habla de crecimiento dendrítico. Este proceso de solidificación es muy complejo y en parte aún no se comprende completamente. Sin embargo, para observarlo, se necesitan rayos X, ya que solo estos atraviesan el metal. Para descifrar el proceso de solidificación, ahora existe un método adecuado: la tomografía por rayos X en 3D, ya que el crecimiento dendrítico es un proceso tridimensional y ocurre a una velocidad vertiginosa.

La tomografía por rayos X en 3D es extremadamente rápida. Actualmente, los investigadores del Prof. Dr. John Banhart pueden adquirir 50 tomogramas por segundo. Esto es un récord mundial. "Pero para el crecimiento dendrítico, aún no es lo suficientemente rápido", dice el director del departamento de estructura y propiedades de materiales de la TU. "Queremos alcanzar 1000 tomogramas por segundo y así aplicar por primera vez la tomografía a este proceso de solidificación de los metales, para entenderlo mejor." El término tomografía fue acuñado recientemente por el equipo de Banhart. Con esto, los científicos quieren expresar la enorme velocidad que ya han logrado y diferenciarse lingüísticamente de la etapa previa más lenta: la tomografía en 3D.

La Sociedad Alemana de Investigación (DFG) calificó estas investigaciones como "especialmente innovadoras" y aprobó un "Proyecto Reinhart-Koselleck". Con esta línea de financiación de la DFG, investigadores destacados por su rendimiento científico tienen la oportunidad de dedicarse a proyectos de alto riesgo. El proyecto Reinhart-Koselleck está financiado por la DFG con un total de 750.000 euros durante cinco años, dirigido por el Prof. Dr. John Banhart.

En la tomografía en 3D, se adquieren en fracciones de segundo tomogramas tridimensionales que se procesan en una película en 3D. Banhart y su grupo ya tienen experiencia en el uso de esta técnica para estudiar espacios vacíos en metales. Esta tecnología se aplica, por ejemplo, en elementos de amortiguación en ingeniería mecánica y en construcción ligera. También existen primeros enfoques para envolver motores en vehículos eléctricos en espuma metálica, con el fin de protegerlos de objetos que puedan causar cortocircuitos y, en consecuencia, explosiones.

Como casi toda espuma, también la espuma metálica tiende a ser inestable. La bonita espuma de cerveza desaparece más rápido de lo que uno quisiera, y en la bañera se puede ver literalmente cómo estallan las burbujas. Por eso, en el habla popular, se dice que "los sueños son espumas". Esta inestabilidad de la espuma también preocupa a científicos de materiales como el Prof. Dr. John Banhart. "Las espumas metálicas se fabrican a partir de un polvo de metal y un agente espumante. El agente espumante también es un polvo de metal y hidrógeno. Ambos se mezclan, se comprimen y se calientan, y durante este proceso, el agente espumante libera hidrógeno, lo que hace que la mezcla se espume. Durante la solidificación, las burbujas estallan y crecen hasta fusionarse en estructuras más grandes", explica Banhart. Con la ayuda de la tomografía en 3D, su grupo ha logrado describir por qué estallan las burbujas: la causa son las presiones locales alrededor de las partículas del agente espumante. "Por eso, estamos investigando para encontrar un nuevo agente espumante que se distribuya de manera más uniforme en el metal y genere una espuma más suave", añade Banhart.

Otra aplicación de la tomografía es en procesos en los que se funde metal en muy poco tiempo mediante un rayo láser. Esto puede ser en soldadura y corte láser, pero también en fabricación aditiva, conocida como impresión 3D, donde el material se deposita en capas para formar una pieza. El grupo de Banhart quiere usar la tomografía en 3D para entender qué sucede durante el breve proceso de fusión y solidificación.

Un segundo enfoque será procesar matemáticamente las enormes cantidades de datos que se generarán — varios terabytes por minuto — para obtener conocimientos útiles. "Estamos ante un gran desafío", dice Banhart. El tercer enfoque es desarrollar estructuras experimentales funcionales y portátiles para realizar las tomografías en el sincrotrón del Instituto Paul Scherrer en Suiza. Banhart explica: "Necesitamos luz de rayos X intensiva, y solo los sincrotrones pueden proporcionarla".