Polvos metálicos 3D

Polvos metálicos 3D son materiales utilizados en las tecnologías de fabricación aditiva para producir piezas y componentes metálicos. Esta guía ofrece una visión detallada de los distintos tipos de polvos metálicos, su composición y propiedades, aplicaciones, especificaciones, precios y comparaciones para comprender su función en la impresión 3D de metales.

Visión general de los polvos metálicos 3D

Los polvos metálicos 3D sirven como materia prima para técnicas como el sinterizado selectivo por láser (SLS), el sinterizado directo de metales por láser (DMLS), la fusión por haz de electrones (EBM) y el chorro de aglutinante para fabricar componentes metálicos intrincados con geometrías complejas. Se presentan en diversas formas elementales o aleaciones.

Los polvos difieren significativamente del material metálico utilizado en los métodos tradicionales de fabricación sustractiva. Propiedades clave como la fluidez, la forma, la distribución del tamaño de las partículas y la pureza se controlan estrictamente para permitir una consolidación precisa capa por capa durante la impresión.

Ventajas del uso de polvos metálicos en la fabricación aditiva:

• Flexibilidad de diseño: producción de estructuras reticulares ligeras y piezas complejas imposibles de mecanizar
• Reducción de residuos: sólo se utiliza el material necesario, a diferencia de los métodos sustractivos.
• Plazos de entrega más cortos: iteración y análisis rápidos para optimizar el diseño
• Aleaciones personalizadas: composición y propiedades adaptadas a la aplicación
• Consolidación - fusionar y densificar polvos para formar piezas metálicas sólidas
• Acabados superficiales: consiga suavidad y precisión sin postprocesado adicional

Tipos de polvo metálico

Varios metales elementales y aleaciones están disponibles en forma de polvo para su uso en diversas industrias:

Forma de las partículas: La mayoría son esféricas, pero también pueden ser poligonales según el método de producción. Mejora el flujo y la densidad de empaquetado.

Tamaño de las partículas: Gama de 10 a 100 micras. La distribución estrecha garantiza un grosor de capa uniforme y una mejor densidad.

Sistemas de especificación de tamaño: Tamaño de malla (tamices que separan el polvo), valores D (medida estadística del tamaño medio).

Fluidez: Cuantificado mediante pruebas de embudo con caudalímetro Hall. Crítico para la uniformidad de la capa. Mejorada por partículas esféricas.

Otras propiedades: Densidad del polvo, densidad del grifo, densidad aparente, densidad del picnómetro, estabilidad oxidativa, etc.

Aplicaciones y uso de polvos metálicos en la impresión 3D

Algunas aplicaciones habituales son:

• Aligeramiento de componentes móviles críticos como impulsores y rotores
• Consolidación de conjuntos para reducir el número de piezas: soportes de motor, fijaciones
• Plantillas, utillajes, insertos para prensas y moldes personalizados para plazos de entrega más cortos
• Intercambiadores de calor, bombas, válvulas y bloques de distribución de alta complejidad
• Los implantes adaptados al paciente mejoran los resultados quirúrgicos
• Miniaturas con todo lujo de detalles, como torres de dados y piezas de juego

Ventajas frente a la fabricación tradicional:

• Reducir el peso en 40-60% con estructuras reticulares manteniendo la resistencia
• Ajustarse con precisión a los modelos CAD a diferencia del mecanizado/fundición
• La reducción del número de piezas mediante consolidaciones reduce el tiempo y los costes de montaje
• Acabados superficiales lisos con dimensiones precisas que eliminan en gran medida el procesamiento posterior
• Plazos de entrega rápidos sin costosos cambios de herramientas

Rendimiento superior: Los componentes diseñados específicamente en torno a la fabricación aditiva superan a los equivalentes producidos convencionalmente. Por ejemplo, Airbus consiguió un ahorro de peso de 45% utilizando soportes metálicos impresos en 3D manteniendo una resistencia y rigidez equivalentes.

Polvo metálico 3D Especificaciones

Las características del polvo, como la distribución del tamaño y la forma, controlan estrictamente las propiedades de la pieza final, por lo que se suministran de acuerdo con especificaciones estrictas:

Grados de tamaño y malla: El tamaño de malla se refiere a las clasificaciones de los tamices. El tamaño típico del polvo oscila entre -140 y +325 mallas. Una distribución más fina entre -100 y +325 mallas mejora la densidad y el acabado superficial.

Conformidad química: Composición elemental validada según la especificación del grado (AMS, ASTM). Fundamental para el rendimiento mecánico esperado.

Contenido de humedad: Especialmente importante para materiales reactivos como el aluminio y el titanio. Limitado a 0,1% por las normas ASTM B964 e ISO 22068. Controlado mediante un sellado adecuado y almacenamiento en seco.

Niveles de contaminantes: Magnesio, Silicio, Fósforo, Azufre, Plomo restringidos a niveles bajos de partes por millón (ppm) mediante atomización con gas inerte y manipulación adecuada.

Polvo reciclado Conformidad: El polvo recuperado durante la impresión se controla estrechamente. Generalmente limitado a 30% con un estricto control químico según las normas ASTM F3055 e ISO/ASTM52904.

Diferencias entre los proveedores de polvo metálico para impresión 3D

Diferenciadores clave de los especialistas en polvo AM:

• Polvos muy esféricos con una distribución de tamaños controlada y adaptada a cada proceso de AM
  -control químico significativamente superior a las especificaciones ASTM habituales para limitar la variabilidad del proceso
• Posibilidad de personalizar las aleaciones y modificar propiedades como la densidad, la dureza, etc.
• Gestión del ciclo de vida del polvo: reutilización, mezcla, reciclado, almacenamiento y manipulación segura
• Pedidos mínimos reducidos y plazos de entrega más cortos
• Servicios integrales de diseño e impresión: optimización de parámetros para obtener la mejor calidad

Cuando los grados especiales tienen sentido comercial

Para prototipos, las aleaciones convencionales pueden ser suficientes, pero los polvos especiales ofrecen propiedades mecánicas muy superiores para aplicaciones de producción de uso final. Los elevados costes se compensan rápidamente con mejoras de rendimiento, como componentes más duraderos.

Variaciones de precios de los proveedores de polvo metálico

Impulsores de precios:

• Material base y grado de pureza
• Requisitos químicos más estrictos
• Niveles de conformidad de la calidad
• Pruebas y certificación
• Volumen de pedidos
• Servicios adicionales: desarrollo de aplicaciones, optimización de parámetros, posprocesamiento de piezas, recuperación y reutilización de polvo

Oportunidades de reducción de costes:

Pedidos más grandes, reciclado de polvo, planificación de existencias para entregas "justo a tiempo", normalización de pruebas, especificaciones más laxas para aplicaciones no críticas, automatización de procesos...

Precios habituales:

Comparación de costes con el material macizo:

En el caso de las piezas pequeñas y medianas producidas de forma aditiva en volúmenes reducidos, los polvos metálicos permiten un importante ahorro de costes por pieza a pesar de que los precios del material base son más elevados.

El umbral de rentabilidad se alcanza con volúmenes de producción tan bajos como 50-100 piezas para componentes de más de 0,5 kg. Esta ventaja se amplía significativamente para componentes más grandes que superen los 5 kg.

La reducción del mecanizado y el mínimo procesamiento de acabado aportan ventajas económicas adicionales frente a las técnicas sustractivas.

Adquisición de polvos metálicos para impresión 3D

Criterios clave de evaluación de proveedores:

• Gama de materiales y grados compatibles
• Certificaciones de calidad del polvo
• Fiabilidad del suministro y cantidades mínimas de pedido
• Capacidad de desarrollo de aleaciones personalizadas
• Servicios de valor añadido como optimización de parámetros, reutilización de polvo, posprocesamiento, etc.
• Ahorro global de costes

Consideraciones sobre la manipulación segura

Al igual que otros procesos de fabricación de metales, pueden surgir problemas de seguridad:

Se debe tener especial cuidado durante la carga, operación, limpieza y almacenamiento del polvo para minimizar los riesgos. Los contenedores de polvo deben estar conectados eléctricamente a tierra.

Principales conclusiones

• Polvos metálicos 3D presentan las características específicas de tamaño, forma y química necesarias para los procesos de AM. Los materiales más comunes son el aluminio, el titanio, el acero inoxidable, las superaleaciones Inconel, el acero para herramientas y el cromo-cobalto.
• Las industrias se benefician de diseños ligeros optimizados, consolidación de piezas y mejoras de rendimiento frente a la fabricación tradicional.
• Los proveedores especializados controlan rigurosamente los atributos críticos del polvo y ofrecen aleaciones personalizadas, además de servicios que se ajustan a los requisitos de la aplicación. Esto permite ampliar el acceso de los usuarios a través de menores cantidades.
• Son necesarios procesos adecuados de manipulación y eliminación teniendo en cuenta los riesgos de reactividad/inflamabilidad.
• Los costes iniciales se compensan con las ventajas de diseño y fabricación en volúmenes de producción tan bajos como 50-100 piezas para componentes medianos.

PREGUNTAS FRECUENTES

P: ¿Cómo se fabrican los polvos metálicos?

R: La atomización con gas es la técnica más común, en la que el flujo de metal fundido se desintegra en gotitas mediante chorros de gas inerte. Las partículas esféricas se solidifican rápidamente en tamaños controlados, ayudadas por el enfriamiento con agua o aceite. También se utiliza la atomización por plasma.

P: ¿Qué tamaño de polvos es óptimo para la impresión 3D de metales comunes?

R: La gama de tamaños de polvo de 10 micras a 45 micras ofrece la mejor relación entre resolución, acabado superficial y velocidad de impresión para las impresoras más populares de EOS, Concept Laser, etc.

P: ¿Cuánto tiempo puede durar el polvo metálico sin usar si se almacena correctamente?

R: Hasta 10 años en un contenedor a prueba de humedad con bolsas desecantes bajo 20 C de almacenamiento según las normas ASTM. La purga con nitrógeno seco permite un uso aún más prolongado.

P: ¿Se pueden reutilizar los polvos de impresión metálicos?

R: Sí, el polvo no utilizado puede recogerse y mezclarse con material fresco después del análisis hasta la proporción 30%. Esto reduce el coste total de las piezas, pero los umbrales químicos y de distribución del tamaño de las partículas deben cumplirse según la norma ASTM F3055.

P: ¿La elección del material determina los costes de la impresión 3D en metal?

R: Sí, las superaleaciones de titanio y níquel tienen un precio entre 3 y 5 veces superior al del acero inoxidable debido al elevado coste de las materias primas. Las fuentes competitivas limitadas también contribuyen frente a los aceros.

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