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Nitruro de silicio, la cerámica de alto rendimiento para condiciones extremas: de la medicina al espacio exterior

Publicado el abril 17, 2024 por Alicia M.

Más alto, más lejos, más rápido. Estas no son sólo las exigencias que se plantean a la sociedad moderna, sino también a la ciencia, las industrias, las aplicaciones y la tecnología. Tanto en el sector de la automoción como en el aeroespacial o el médico, el objetivo general es superar los límites, ampliar las posibilidades existentes y aumentar la eficacia. Pero para servir a estos campos se necesitan materiales de alto rendimiento que cumplan los requisitos de estas aplicaciones, y el rendimiento se sigue asociando principalmente a los metales. Sin embargo, cuando se trata de entornos duros y exigentes, los metales alcanzan rápidamente sus límites naturales, lo que hace necesarios materiales alternativos. Gracias a sus potentes y exclusivas propiedades, la cerámica resulta muy adecuada como alternativa. Las cerámicas de alto rendimiento tienen propiedades excepcionales para su uso en condiciones exigentes y, en combinación con la fabricación aditiva, abren un amplio abanico de posibles aplicaciones en entornos extremos, desde el cuerpo humano hasta la industria manufacturera y el espacio exterior. Una de estas cerámicas de alto rendimiento es el nitruro de silicio, cuyas aplicaciones examinaremos con más detalle para ilustrar el potencial de los materiales cerámicos.

Los materiales cerámicos se utilizan en aplicaciones de alto rendimiento debido a sus excelentes propiedades. Los materiales cerámicos son muy duros y tienen una gran resistencia a la abrasión y al calor. Ofrecen una gran estabilidad mecánica y dimensional, incluso a temperaturas muy elevadas. Estas características lo convierten en un material muy eficaz que muestra sus ventajas allí donde otros materiales fallan.

Además, se demandan materiales innovadores con una amplia gama de aplicaciones y una gran durabilidad, sobre todo en campos que se desarrollan cada vez más rápido gracias a la investigación. Por este motivo, la cerámica atrae cada vez más la atención de los ingenieros de estos campos. Sin embargo, también se necesita una determinada técnica para procesar la cerámica de alto rendimiento y aprovechar al máximo sus notables propiedades. La fabricación aditiva combina las propiedades de los materiales cerámicos y un nivel de libertad de diseño hasta ahora inalcanzable, de modo que las piezas producidas destacan en condiciones extremas.

Dicho esto, la cerámica de alto rendimiento no puede procesarse con cualquier método de impresión 3D. Afortunadamente, Lithoz se ha convertido en pionera de la impresión 3D de cerámica. El proceso LCM de la empresa ofrece una solución especialmente prometedora para la cerámica de alto rendimiento.

La tecnología LCM puede producir piezas cerámicas geométricamente complejas con total densidad y precisión. Estas piezas finales son más resistentes que las de metal y tienen una vida útil más larga. También cabe destacar que la tecnología LCM permite aumentar la escala de producción, y Lithoz ha conseguido dominar este nivel de producción en serie.

Uno de los principios de la empresa es hacer avanzar la tecnología y superar los límites de lo posible. “Desde nuestra fundación, Lithoz se ha caracterizado por una promesa central: ofrecer siempre la mejor calidad posible para la impresión 3D cerámica y ampliar continuamente los límites del desarrollo de la cerámica como socio activo de nuestros clientes. Detrás de esta promesa están nuestros valores, que se han convertido en el ADN de Lithoz a lo largo de nuestra historia”, afirma Lithoz en su página web.

Además de la tecnología LCM y sus sistemas de impresión, Lithoz también se ha hecho un nombre por su amplia cartera de materiales. Esta gama de materiales innovadores y de alto rendimiento permite a la empresa satisfacer los requisitos de diversas industrias y seguir avanzando en el uso de la cerámica en diversos sectores. Para lograrlo, Lithoz también coopera con diversos socios e institutos de investigación.

La experiencia de Lithoz en impresión 3D cerámica respalda todos los aspectos del desarrollo de la cerámica de alto rendimiento y ofrece soluciones intersectoriales para el desarrollo de nuevos productos y procesos de producción. – Profesor Alexander Michaelis, Instituto Fraunhofer de Tecnologías y Sistemas Cerámicos IKTS.

Cuando se trata de industrias con condiciones extremas, hay un material en particular que destaca en la gama Lithoz: el nitruro de silicio. Se trata de un material cerámico de alto rendimiento que la empresa comercializa con el nombre de LithaNit 782. Es una barbotina con base cerámica beta-SiAION y se caracteriza por su durabilidad y resistencia a temperaturas y productos químicos.

Este material fuerte y tenaz es termorresistente a temperaturas muy altas, así como a la corrosión ácida y alcalina. Esto hace que LithaNit 782 sea interesante para una amplia gama de aplicaciones en las que se requieren estas propiedades. Entre las aplicaciones específicas se incluyen aisladores, muelles e impulsores. Para ilustrar plenamente la gama de aplicaciones, merece la pena examinar dos aplicaciones situadas en lados opuestos del espectro: los viajes espaciales y el relativamente pequeño cuerpo humano.

El nitruro de silicio en la aeronáutica y la medicina

El nitruro de silicio es un material interesante tanto para la aeronáutica como para la navegación espacial, aunque sus ventajas materiales se aprovechan sobre todo en esta última. La aeronáutica es un campo dinámico que busca tecnologías cada vez más potentes e innovadoras. Aunque los metales son el material convencional utilizado, sólo pueden soportar las condiciones extremas del espacio hasta cierto punto y se desgastan con facilidad. La cerámica, en cambio, soporta mejor las condiciones térmicas extremas y puede sobrevivir a repetidos choques de temperatura, lo que la hace más sostenible a largo plazo y, por tanto, genera menos basura espacial.

Aparte de estas propiedades deseables del material, las piezas impresas en 3D con nitruro de silicio pueden diseñarse de forma flexible para garantizar el funcionamiento óptimo del componente. Por ejemplo, se imprimió una tobera de aerospike de nitruro de silicio con tecnología LCM. Esta boquilla consta de un cuerpo en forma de pico que se utiliza para dirigir el flujo de gas de forma selectiva. Esto permite un ajuste pasivo de la presión al aire ambiente, lo que da como resultado unas condiciones ideales para los gases de escape. El diseño del componente impreso no sólo hace posible que estos ajustes funcionen sin problemas, sino que también garantiza una refrigeración óptima dentro de la pieza. Combinando el nitruro de silicio con la tecnología LCM, pueden fabricarse piezas complejas que satisfacen las elevadas exigencias que requieren las aplicaciones aeroespaciales en términos de complejidad, rendimiento y eficacia.

Una propiedad que hasta ahora no se había mencionado es la biocompatibilidad del nitruro de silicio. Aunque los materiales fuertes, tenaces y resistentes al calor también son necesarios en medicina, la biocompatibilidad es una propiedad indispensable. De hecho, el nitruro de silicio se caracteriza por sus propiedades antibacterianas y osteointegrativas, que favorecen el crecimiento óseo y abren numerosos campos de aplicación en medicina. Cabe destacar aquí las aplicaciones en el ámbito de la ortopedia y la neurocirugía. La cerámica de alto rendimiento LithaNit 782 ya se ha utilizado para la fabricación de implantes permanentes y herramientas quirúrgicas. Otro ejemplo del uso médico del nitruro de silicio son las jaulas espinales, que se emplean para tratar hernias discales y se utilizan para la fusión quirúrgica de la columna vertebral.

Como demuestran estos ejemplos de aplicación, la cerámica de alto rendimiento es un material que puede competir cómodamente con los metales y los polímeros de alto rendimiento en todos los casos y, en algunos, incluso superarlos. En el futuro, veremos cada vez más piezas de producción impresas en 3D hechas de cerámica, como el nitruro de silicio, en campos de aplicación extremos. Lithoz enumera una amplia gama de ejemplos específicos del uso de LithaNit 782 aquí. 

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*Créditos de todas las fotos: Lithoz GmbH

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