Ampliando el espectro de la manufactura aditiva

 

Nuevos materiales que amplían el rango de aplicaciones de la manufactura aditiva

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La manufactura aditiva de metales es una tecnología en rápido crecimiento que está transformando la forma en que se fabrican piezas metálicas. A diferencia de los métodos de fabricación tradicionales, que implican la eliminación de material a partir de un bloque sólido o la deformación de una pieza, la manufactura aditiva de metales construye objetos capa por capa a partir de materiales en polvo fundidos o aglutinados.

Esta tecnología ha ganado una gran atención debido a su capacidad para producir piezas metálicas con geometrías complejas y propiedades únicas, lo que la hace adecuada para la producción de piezas personalizadas y de alta calidad en sectores como la aeroespacial, la automotriz, la médica y de generación energética.

Los materiales para manufactura aditiva no son iguales que para manufactura tradicional

A diferencia de los materiales utilizados en la manufactura tradicional, los materiales utilizados en la manufactura aditiva de metales deben cumplir con requisitos específicos. Estos materiales deben ser capaces de fundirse a temperaturas controladas, fluir uniformemente y enfriarse rápidamente para formar una capa sólida. Además, estos materiales deben ser compatibles con los sistemas de impresión y deben tener propiedades mecánicas y químicas adecuadas para las aplicaciones específicas.

Los materiales metálicos utilizados en la manufactura aditiva deben presentar ciertas características, como una buena densidad, propiedades mecánicas adecuadas y buena resistencia a la fatiga, entre otras. Aunque hay varios procesos de manufactura aditiva de metales, como el de deposición directa de energía (DED), o el de fundición por chorro de electrones, el que mayor desarrollo ha alcanzado es el de LBPF (Del inglés Laser Bed Powder Fusion, o fusión láser de cama de polvos), anteriormente denominado SLM (Selective Laser Melting, o fundición láser selectiva). En este artículo nos centraremos en los desarrollos en materiales generados precisamente para el LBPF.

La calidad final de las piezas fabricadas por este último proceso depende en gran medida de los parámetros de proceso utilizados. Estos parámetros incluyen la energía del láser, la velocidad de escaneo, la distancia de capa, la temperatura del lecho de polvo, la densidad de energía, la presión de gas y otros. Cada parámetro puede influir en las propiedades de la pieza, como la porosidad, la resistencia a la tracción, la resistencia al desgaste y la dureza.

Por ejemplo, se ha demostrado que el aumento de la energía del láser aumenta la densidad de la pieza final, mientras que un aumento en la velocidad de escaneo reduce la densidad. La densidad de energía, definida como la cantidad de energía por unidad de volumen depositada en el polvo, también es un parámetro crítico para la densidad y la calidad de la pieza final. Otros parámetros, como la distancia de capa y la temperatura del lecho de polvo, también influyen en la densidad de la pieza final.

Además de la densidad, los parámetros de proceso también influyen en otras propiedades de la pieza final. Por ejemplo, la resistencia a la tracción y la resistencia al desgaste se ven influenciadas por la velocidad de enfriamiento durante el proceso de sinterización. La dureza de la pieza final también se ve afectada por la densidad de energía y la velocidad de enfriamiento.

¿Cómo mejorar la densidad de las piezas en manufactura aditiva?

La densidad de las piezas fabricadas por LBPF (Fusión láser de cáma de polvos) depende de varios parámetros del proceso que se pueden ajustar:

1. Parámetros de láser: la potencia, velocidad y frecuencia del láser afectan directamente la densidad de la pieza. Un láser con mayor potencia puede fundir más material, mientras que una velocidad más baja permite que el láser permanezca más tiempo en cada punto para una fusión más completa. Una frecuencia más alta también puede mejorar la densidad al hacer que los puntos de fusión sean más pequeños y uniformes.
2. Parámetros de la capa: el espesor de la capa de polvo y la cantidad de energía utilizada para fundir cada capa también afectan la densidad de la pieza. Una capa más delgada permite una mayor fusión y una distribución más uniforme de la energía, lo que puede mejorar la densidad. También es importante asegurarse de que la cantidad de energía utilizada para fundir cada capa sea la adecuada para evitar la formación de porosidad.
3. Parámetros de precalentamiento: el precalentamiento de la plataforma de construcción puede mejorar la densidad de la pieza al reducir la diferencia de temperatura entre la pieza y la plataforma, lo que reduce el estrés térmico y minimiza la deformación. También puede ayudar a asegurar que la pieza se adhiera correctamente a la plataforma de construcción.
4. Parámetros de gas de protección: el uso de un gas inerte de protección durante el proceso de fusión puede ayudar a reducir la oxidación y la porosidad de la pieza, mejorando la densidad.

Un parámetro que depende directamente de la calidad del material seleccionado es el tamaño de partículas. Típicamente, como ese ve en el diagrama a continuación, el diámetro de las partículas de polvo metálico debe encontrarse entre 10 y 45 𝝁m. Entre más homogenea sea la distribución del diámetro y de la forma de las pequeñas esferas metálicas, mejor será la calidad del producto final, dado que la energía que se deposita sobre la cama de polvo, se utilizará siempre en igual medida para fundir la misma cantidad de material, evitando problemas de fundición incompleta o de porosidades indeseadas.

No existe un conjunto de parámetros universales para mejorar la densidad de las piezas fabricadas por LBPF, ya que estos parámetros dependen del material utilizado y del diseño específico de la pieza. Por lo tanto, es necesario realizar pruebas y ajustes para encontrar los parámetros óptimos para cada situación.

Es precisamente esta la razón por la que usualmente los fabricantes de este tipo de maquinaria venden los materiales en conjunto con los parámetros específicos de procesamiento a los cuáles se les ha realizado un extensivo conjunto de pruebas para garantizar las propiedades mecánicas finales de los productos fabricados.

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Novedades en materiales metálicos en manufactura aditiva

Uno de los limitantes clásicos a la implementación de procesos de manufactura aditiva de metales ha sido la falta de disponibilidad de un rango mayor de aleaciones que se asemejen a las disponibles para procesos tradicionales. Una empresa que ha sido pionera en el desarrollo de este proceso de manfuactura, ha sido la alemana EOS GmbH.  

Recientemente, esta compañía amplió su catálogo de aleaciones de manufactura aditiva de metales con cuatro nuevos materiales, incluyendo dos aceros inoxidables, un acero para herramientas y una aleación de níquel. Estos materiales han sido diseñados y optimizados específicamente para las necesidades de la fabricación aditiva y amplían las oportunidades de aplicación en industrias exigentes.

Entre los materiales presentados, se encuentra el acero inoxidable austenítico EOS StainlessSteel 254, que según el fabricante ofrece una excelente resistencia a la corrosión en muchos entornos difíciles, y es ideal para aplicaciones en la fabricación de equipos de manejo de agua de mar clorada, fabricación de pulpa y papel y equipos de manejo de productos químicos.

También se presenta el acero inoxidable superduplex EOS StainlessSteel SuperDuplex, un acero inoxidable austenítico-ferrítico optimizado para la fabricación aditiva que ofrece una alta resistencia a la corrosión y es adecuado para aplicaciones en la industria petrolera y gasífera, en la fabricación de pulpa y papel y en equipos de minería y offshore.

Por otro lado, se amplió la oferta de aceros de alta resistencia y dureza con el EOS ToolSteel CM55, una aleación sin cobalto para soluciones de herramientas y de ingeniería. Este material es adecuado para herramientas de trabajo en frío y en caliente, componentes de tren de potencia y partes de ingeniería mecánica. Por último, se presentó una aleación de níquel de alta resistencia a la temperatura y a la corrosión, con buena estabilidad térmica y capacidad de soldadura denominada EOS NickelAlloy HAYNES 282.

Este material se utiliza para aplicaciones estructurales de alta temperatura, como componentes de motores aeroespaciales y de cohetes, turbomáquinas y piezas de turbinas de gas, así como para componentes de la industria energética.

Carburo cementado impreso: llevando la durabilidad a límites extraordinarios en piezas complejas

El método convencional consiste de fabricación de productos de carburo cementado, como los insertos de fresado o torneado, es prensar polvo utilizando dos punzones dentro de un dado, con un posterior paso de sinterizado a alta temperatura. Con esta técnica se está muy limitado en términos de diseño, ya que solo se pueden obtener formas relativamente simples.

Según Anders Ohlsson, Gerente lider de producto de Sandvik Additive Manufacturing, "la impresión 3D, por otro lado, permite una mayor libertad de diseño. Puede imprimir básicamente cualquier geometría, lo que es particularmente interesante, ya que nos permite crear canales para refrigeración, fluidos o eliminación de residuos".

Sandvik es uno de los primeros en imprimir carburo cementado comercialmente en 3D y ha invertido importantes recursos en el proceso. Como ejemplo, Ohlsson comentó sobre inserto de torneado desarrollado en su taller: "Solo se usa 1 milímetro de la punta en la máquina de torneado, y en esa punta hemos agregado pequeños canales, lo que hubiera sido imposible sin la fabricación aditiva", aseguró.

Según el directivo de la empresa de origen sueco, "el componente más crítico de nuestro proceso es trabajar con polvos que tengan las propiedades adecuadas. Por encima de todo, la alta densidad brinda una amplia gama de beneficios con respecto al tipo de materiales que podemos producir y tiene un impacto crucial en la calidad alcanzable en términos de propiedades y geometría del material. Sandvik ha desarrollado tanto un polvo como un proceso que son únicos. Pasar de polvos comerciales a nuestros polvos patentados ha marcado una gran diferencia".

Acorde con la opinión del experto, los polvos comerciales puedes hacer piezas que se vean geniales, pero en realidad no se puede producir nada que realmente funcione. "Con nuestros polvos, podemos imprimir componentes que se ven geniales, funcionan bien y son aptos para su uso en aplicaciones reales y producción en serie", comentó.

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Dado de trefilado impreso en 3D en carburo cementado

Un ejemplo, compartido por Sandvik, muestra un dado de trefilado de alambre. En el trefilado, la productividad suele estar limitada por la rapidez con la que se trefila el alambre manteniendo la calidad, lo que a su vez depende de la temperatura en el troquel de trefilado. Según Ohlsson, la gente ha estado tratando de resolver este problema durante décadas, pero ha sido extremadamente difícil. Un dado de trefilado refrigerado impreso en 3D es la respuesta a este acertijo.

El directivo de Sandvik, aseguró que "se necesitaron solo cuatro días para producir, desde el primer boceto básico hasta el producto completamente sinterizado, gracias a nuestros materiales y proceso patentado". Usando tecnología aditiva, herramientas como boquillas, dados y otro tipo de herramental se pueden fabricar de manera eficiente, con características como canales curvos, roscas y otras soluciones de montaje

La resistencia al desgaste del carburo cementado es superior y, por lo general, prolonga la vida útil de un componente entre 3 y 20 veces en comparación con cualquier acero o aleación metálica.

Sostenibilidad mejorada en la manufactura aditiva

El carburo cementado impreso en 3D abre la puerta a muchas áreas de aplicación donde la resistencia al desgaste es importante. Los desafíos de desgaste están presentes básicamente en todas las industrias, y las piezas de desgaste afectan en gran medida los intervalos de servicio, así como el tiempo de actividad y la productividad.

Muchos han luchado con las limitaciones de diseño que vienen con la fabricación tradicional de carburo cementado, lo que hace que todo el potencial de estos componentes sea inalcanzable. Al implementar la fabricación aditiva, puede producir de manera eficiente una gama de productos en prácticamente cualquier geometría compleja, lo que permite una funcionalidad mejorada en una variedad de industrias.

Uno de los aspectos más importantes respecto a la tendencia de la manufactura sostenible, es el uso de componentes con una mayor durabilidad. Evitar el constante reemplazo de partes mecánicas evita el desperdicio de material y de recursos energéticos, humanos, logísticos, etc. en la generación de repuestos o productos nuevos de manera innecesaria. El carburo cementado tiene una resistencia al desgaste superior y, por lo general, prolonga la vida útil de un componente entre 3 y 20 veces en comparación con cualquier acero o aleación metálica.

 

 

Aleaciones de cobre para conducir mejor el calor

En muchas ocasiones, los diseños de piezas mecánicas necesitan transferir el calor de manera eficiente en lugares donde no es fácil mecanizar agujeros de enfriamiento, o simplemente donde los materiales comúnmente mecanizables no prestan las condiciones correctas para la aplicación. Este es el caso de insertos para moldes o intercambiadores de calor complejos. Empresas como 3D Systems han desarrollado aleaciones de cobre, especialmente para procesos de LBPF.

De manera específica, el material CuCr2.4 certificado es una aleación de cobre endurecible por precipitación. Sus aleantes lo hacen más resistente que el cobre puro, incluso a temperaturas elevadas, al tiempo que conserva una conductividad eléctrica y térmica muy alta.

Según el fabricante, la adición de cromo al cobre aumenta la capacidad de absorción del láser y optimiza la conductividad térmica en las condiciones impresas, lo que facilita el procesamiento del polvo. Al recocer las piezas impresas, se puede aumentar la conductividad para cumplir con los requisitos específicos de la aplicación, equilibrando las propiedades mecánicas y la conductividad.

Riesgos para la salud en el manejo de polvos metálicos

Los polvos utilizados en la manufactura aditiva por fundición selectiva por láser (LBPF) pueden presentar riesgos para la salud de los trabajadores que manejan y procesan estos materiales. Estos riesgos incluyen la inhalación de partículas finas, la exposición a metales pesados y otras sustancias químicas que pueden estar presentes en los polvos.

La inhalación de partículas finas puede provocar problemas respiratorios y pulmonares a largo plazo, como asma y fibrosis pulmonar. Algunos metales utilizados en la fabricación aditiva, como el titanio, pueden ser tóxicos si se inhalan o se ingieren en grandes cantidades.

Para mitigar estos riesgos, es importante que los trabajadores que manipulan los polvos de metal para la manufactura aditiva por LBPF usen equipos de protección personal adecuados, como respiradores y guantes. Además, las instalaciones de producción deben estar diseñadas y equipadas con sistemas de ventilación y filtración de aire adecuados para controlar la exposición a los polvos y garantizar que los trabajadores no estén expuestos a niveles peligrosos de partículas en el aire.