Polvo para impresión 3D en metal

Visión general

polvo de impresión metálica 3d, también conocida como fabricación aditiva o sinterización directa de metal por láser, es una técnica de producción revolucionaria que permite crear piezas metálicas complejas directamente a partir de diseños digitales. Un láser funde selectivamente polvo metálico fino, capa a capa, hasta que surge el objeto 3D acabado.

El componente clave que permite esta tecnología transformadora es el polvo metálico. Las características y la calidad del polvo tienen un impacto significativo en las propiedades mecánicas, la precisión, el acabado superficial y el rendimiento general de las piezas metálicas impresas.

Este artículo ofrece una visión general de los polvos metálicos para impresión 3D. Examinamos los tipos de polvo, composiciones, propiedades, especificaciones, aplicaciones, ventajas, limitaciones y mucho más basándonos en las últimas investigaciones y normas del sector. Siga leyendo para profundizar en este fascinante material que está en el corazón de la próxima revolución industrial.

Tipos de polvo de impresión metálica 3d

Se pueden utilizar varias aleaciones y materiales metálicos para el polvo de impresión 3D. Las opciones más comunes incluyen:

Polvos de acero inoxidable

El acero inoxidable es uno de los metales más populares para la impresión 3D debido a su alta resistencia, resistencia a la corrosión y capacidad para soportar altas temperaturas. Las aleaciones de acero inoxidable más utilizadas son:

• Acero inoxidable 316L - La aleación estándar con excelente resistencia a la corrosión y propiedades mecánicas. El 316L tiene un bajo contenido en carbono para minimizar la tensión residual durante la impresión.
• Acero inoxidable 17-4PH - Acero inoxidable endurecido por precipitación que puede alcanzar valores muy altos de límite elástico y resistencia a la tracción mediante tratamiento térmico tras la impresión.
• Acero inoxidable 15-5PH - Otro acero inoxidable de endurecimiento por precipitación capaz de ofrecer una gran resistencia y dureza. El 15-5PH ofrece mejor resistencia a la corrosión que el 17-4PH.
• Aceros inoxidables dúplex - Aleaciones con una microestructura mixta ferrítica-austenítica. Los aceros dúplex ofrecen un límite elástico y una resistencia a la tracción superiores a los del acero austenítico 316L. Las aleaciones dúplex más comunes son 2205 y 2304.

Aceros para herramientas

Los aceros para herramientas tienen una dureza, una resistencia al desgaste y una resistencia a la compresión muy elevadas. Los polvos metálicos más comunes de este grupo son:

• Acero para herramientas H13 - Un acero Cr-Mo-V para herramientas de trabajo en caliente extremadamente versátil que mantiene una gran dureza y estabilidad a temperaturas elevadas.
• Acero para herramientas P20 - Un acero para moldes versátil de baja aleación con buena maquinabilidad y capacidad de pulido. El P20 se utiliza a menudo como alternativa más barata al acero para herramientas H13.
• Aceros martensíticos - Maraging" significa envejecimiento martensítico. Estos aceros alcanzan resistencias muy elevadas mediante un tratamiento térmico de envejecimiento. Las aleaciones martensíticas más comunes son 18Ni(350) y 18Ni(300).

Aleaciones de aluminio

El peso ligero, la resistencia a la corrosión y la alta conductividad térmica del aluminio lo convierten en una opción popular para aplicaciones aeroespaciales, de automoción y de alta temperatura. Los polvos de aluminio más comunes son:

• AlSi10Mg - La aleación de aluminio más utilizada, con una excelente fluidez, estabilidad y propiedades mecánicas. El Si y el Mg actúan como agentes reforzantes.
• AlSi7Mg - Muy similar al AlSi10Mg. Un menor contenido de silicio mejora la fluidez del polvo.
• Scalmalloy - Una aleación Al-Mg-Sc de alta resistencia que obtiene un límite elástico excepcional gracias a las adiciones de escandio.

Superaleaciones de cobalto y níquel

Estos polvos metálicos avanzados tienen una resistencia extremadamente alta al calor y al desgaste gracias a sus composiciones complejas. Las aleaciones típicas incluyen:

• Inconel 718 - Una superaleación a base de níquel-cromo con una increíble resistencia a altas temperaturas mediante tratamientos térmicos de endurecimiento por precipitación y solución sólida.
• Inconel 625 - Excelente resistencia a la oxidación y la corrosión incluso a temperaturas extremas. Muy utilizado en aplicaciones aeroespaciales, químicas y marinas.
• Cromo-cobalto (CoCr) - El cobalto reforzado con carburos de cromo hace biocompatibles implantes como prótesis y coronas/puentes dentales.
• Hastelloy - Aleaciones de níquel resistentes a la corrosión con adiciones como molibdeno, cromo y wolframio.

Titanio y aleaciones de titanio

El titanio puro ofrece la combinación definitiva de alta resistencia y baja densidad. Elementos de aleación como el aluminio, el vanadio y el hierro aportan ventajas adicionales:

• Ti6Al4V - La aleación de titanio más popular, con aluminio que estabiliza la fase alfa y vanadio que refuerza la fase beta.
• TiAl6V4 - Un mayor contenido de aluminio mejora aún más las propiedades mecánicas y la resistencia a la oxidación.
• Ti6Al4V ELI - ELI" significa "extra low interstitial" (intersticial extra bajo), con menos oxígeno, nitrógeno y carbono. Tiene mayor resistencia a la fractura que el Ti64 normal.

Refractarios y aleaciones intermetálicas

Estos polvos avanzados pueden soportar temperaturas extremas o tener una resistencia/dureza excepcional:

• Carburo de wolframio (WC/Co) - Los duros carburos de wolframio unidos por una fase aglutinante de cobalto hacen que esta aleación sea más rígida que el acero manteniendo la tenacidad.
• Molibdeno (Mo) - El polvo de molibdeno puro crea piezas de alta resistencia térmica capaces de soportar temperaturas superiores a 750°C.
• Inconel 625 - El polvo de superaleación a base de níquel-cromo crea objetos que conservan una gran resistencia en entornos oxidantes de hasta 980°C .

Metales preciosos

Las propiedades únicas de metales preciosos como el oro, la plata y el platino también los hacen adecuados para la impresión 3D:

• Plata (Ag) - El polvo de plata pura conserva excelentes propiedades de conductividad eléctrica y térmica incluso en geometrías impresas complejas.
• Oro (Au) - La mayor parte del oro impreso es en realidad oro aleado con pequeñas cantidades de metales como plata, cobre y paladio para mejorar la dureza y optimizar sus propiedades.
• Platino (Pt) - El polvo de platino es biocompatible y resistente a la corrosión y a los ataques químicos. Se utiliza para fabricar implantes médicos y equipos de laboratorio.

Esta tabla resume las características de los polvos de impresión metálicos más comunes:

Métodos de producción de polvo metálico

Para conseguir las propiedades necesarias para una impresión 3D de alta calidad, los polvos metálicos deben tener ciertas características físicas y distribuciones de tamaño de partículas específicas. Se utilizan varias técnicas de producción de polvo:

Atomización de gases

• La corriente de metal fundido se desintegra mediante chorros de gas inerte a alta presión
• Produce polvo esférico ideal para impresión - alta fluidez, densidad de empaquetado
• Método más común para polvos más finos de acero inoxidable, acero para herramientas, superaleaciones y titanio.

Atomización del agua

• Utiliza chorros de agua para romper el metal fundido en finas gotas.
• La forma irregular del polvo afecta al flujo, pero es más barato que la atomización con gas
• Normalmente se utiliza para opciones más asequibles como el aluminio y el magnesio

Atomización por plasma

• El arco de plasma de muy alta energía funde y dispersa el metal en finas partículas
• Genera polvos muy esféricos a partir de aleaciones reactivas como los aluminuros de titanio.
• Los polvos tienen mayor pureza y pueden imprimir detalles intrincados con mayor precisión

Atomización de gases de fusión por inducción de electrodos (EIGA)

• Combina la fusión por inducción y la atomización con gas
• Control excepcional de la composición química y la limpieza
• Se utiliza para aleaciones especiales como superaleaciones de níquel y metales preciosos

Aleación mecánica

• Polvo producido por el proceso de molienda de bolas de alta energía
• Se utiliza para aleaciones de cobre CMD, compuestos de aluminio e intermetálicos
• Genera composiciones finas homogéneas a partir de polvos elementales mezclados

Una técnica adecuada de producción de polvo es fundamental para obtener la química de aleación deseada, las formas de las partículas, la distribución del tamaño, los niveles de pureza y las características de flujo esenciales para una impresión 3D metálica de alta calidad.

Características del polvo metálico

Los polvos de impresión 3D deben ajustarse a estrictas especificaciones en cuanto a química, distribución del tamaño de las partículas, morfología, microestructura y otros parámetros. Entre las características clave se incluyen:

Distribución del tamaño de las partículas

El rango típico es de 15 micras a 45 micras. Los factores críticos incluyen:

• D10 - Tamaño por debajo del cual caen 10% de partículas
• D50 - Tamaño medio de las partículas con 50% por encima y por debajo de este diámetro
• D90 - Tamaño donde 90% de polvo está por debajo de este diámetro

Valores ideales: D10: 20-25 μm ; D50: 30-35 μm ; D90: 40-45 μm.

Forma de las partículas y morfología de la superficie

• Partículas muy esféricas con superficies lisas que facilitan el esparcimiento del polvo y una mejor densificación.

Caudal y densidad aparente

• El caudal determina la facilidad de esparcimiento del polvo durante la impresión
• La densidad aparente indica la densidad del polvo en un volumen fijo.
• Los valores dependen de factores como la forma de las partículas, la distribución del tamaño, la estructura de la superficie
• Los polvos atomizados con gas tienen la mayor fluidez y densidad de empaquetamiento

Densidad del grifo

• Densidad máxima alcanzada tras el golpeo/agitación mecánica
• Una mayor densidad de roscado mejora la densidad final de la pieza

Ratio de Hausner

• La relación entre la densidad de toma y la densidad aparente
• Las relaciones más bajas ~1,1 indican una buena fluidez
• Ratios más altos ~1,4 sugieren cohesión y poca fluidez

Óxidos residuales e impurezas

• La pureza es crítica, el oxígeno y el nitrógeno pueden causar defectos de porosidad
• Los productos químicos deben ajustarse a las especificaciones de la aleación
• La atomización por gas, plasma y EIGA ofrece los polvos más limpios

Microestructura interna

• Depende de la composición, velocidad de solidificación durante la producción de polvo
• Granos equiaxiales monofásicos deseados para una fusión óptima en capas
• Algunas aleaciones crean intencionadamente fases duales para obtener propiedades únicas

Dureza de las partículas

• Influye en el rendimiento de las piezas acabadas
• Número piramidal de Vicker (HV) utilizado para cuantificar
• Las partículas duras resisten la deformación durante el esparcimiento del polvo

Formación de satélites

• Las partículas más pequeñas pueden unirse a partículas más grandes durante la producción de polvo
• Los satélites pueden influir en la formación del baño de fusión durante la impresión
• Los polvos atomizados con gas tienen satélites mínimos

Química de superficies

• Los grupos funcionales de la superficie influyen en el esparcimiento y la fusión del polvo
• La atmósfera y la temperatura durante la producción influyen
• El procesamiento inerte genera una química del polvo limpia y sin óxidos

Mantener un estricto control de calidad sobre estas características del polvo es crucial para el éxito de la impresión 3D de alta calidad.

Especificaciones del polvo metálico

Los fabricantes de impresoras 3D y organizaciones como ISO y ASTM han estandarizado las especificaciones para la mayoría de los polvos de impresión metálicos. Los parámetros típicos incluyen:

Distribución por tamaños

• Valores D10, D50, D90 según las gamas recomendadas
• Contenido máximo del satélite < 1%

Conformidad química

• Composición elemental que cumple los intervalos de composición de aleación publicados
• Bajos niveles de oxígeno y nitrógeno (<1000 ppm)
• Cantidades residuales de carbono y azufre según la aleación

Densidad aparente y de toma

• Densidad aparente 2,5-4,5 g/cm3
• Densidad de toma hasta 65% superior a la densidad aparente

Caudal

• Prueba del caudalímetro Hall > 15 s/50 g

Contenido de humedad

• La humedad elevada provoca la aglomeración del polvo
• Contenido máximo de humedad < 0,02%

Óxidos superficiales

• Los óxidos y contaminantes pueden causar defectos de porosidad
• Imágenes SEM para comprobar la superficie de las partículas

Los fabricantes de polvo de renombre prueban cada lote y proporcionan datos de ensayo completos, así como ratios MLS, ratios Hausner, índices Carr y resultados de picnómetro y caudalímetro Hall para calificar el polvo según las normas establecidas.

Aplicaciones del polvo de impresión metálico

La impresión 3D de metales transforma la producción en diversos sectores. Entre las aplicaciones típicas se incluyen:

Aeroespacial

• Componentes de motores de aviones y cohetes: turbinas, toberas, sistemas de combustible
• Piezas estructurales del fuselaje y del tren de aterrizaje fabricadas en titanio, aluminio, Inconel
• Importante reducción de peso, consolidación de piezas y mejora del rendimiento

Medicina y odontología

• Implantes para la reconstrucción de articulaciones como rodillas, caderas y hombros
• Implantes dentales, coronas y puentes
• Placas craneales, instrumental quirúrgico, guías y herramientas adaptadas al paciente
• Cromo-cobalto, titanio, acero inoxidable y aleaciones preciosas biocompatibles

Automoción

• Piezas ligeras para prototipos y vehículos de serie: chasis, transmisión, etc.
• Herramientas de refrigeración conformadas para moldeo por inyección
• Plantillas y dispositivos a medida para líneas de montaje
• Certificación de componentes estructurales de acero inoxidable en curso

Fabricación industrial

• Herramientas metálicas: moldeo por inyección, termoformado, conformado de chapa
• Matrices de prensado y estampado de aceros templados para herramientas
• Los canales de refrigeración conformados minimizan los tiempos de ciclo de la herramienta
• Rápida producción de utillaje para tiradas cortas

Petróleo y gas

• Válvulas, bombas y tuberías de acero inoxidable y Hastelloy para la producción
• Componentes de Inconel resistentes a la corrosión para alta mar
• Los canales conformados minimizan las pérdidas de carga

Electrónica de consumo

• Cajas, escudos y marcos de acero inoxidable o aluminio personalizados
• Dispositivos de gestión térmica para la disipación del calor
• Componentes de blindaje electromagnético
• Joyería de diseño de gama alta: oro, plata y platino

Las técnicas de fabricación rápida, como la impresión 3D, ofrecen una funcionalidad, un rendimiento y una libertad de diseño revolucionarios. Las propiedades únicas de los polvos de impresión metálica permiten fabricar piezas listas para su uso final en casi todos los sectores.

polvo de impresión metálica 3d Proveedores

La mayoría de los grandes conglomerados de fabricación de metales producen ahora polvos especializados dedicados a la fabricación aditiva. Algunos de los principales proveedores mundiales son:

Los proveedores de renombre proporcionan datos exhaustivos sobre la composición y las propiedades de sus polvos, respaldados por un intenso trabajo de I+D y un riguroso control de calidad. Muchos ofrecen también servicios de desarrollo de aleaciones personalizadas. La logística global de la cadena de suministro garantiza una disponibilidad fiable en los principales mercados.

Polvo de impresión metálica 3d Precios

Acero inoxidable 316L - $50-100 USD por kg

Acero martensítico envejecido (grado 300) - $100-200 USD por kg

Aluminio AlSi10Mg - $30-60 USD por kg

Titanio Ti6Al4V (Grado 5) - $200-400 USD por kg

Inconel 718 - $100-200 USD por kg

Cromo cobalto F75 - $100-250 USD por kg

Los precios varían en función de:

• Niveles de pureza
• Distribución por tamaños
• Cantidades mínimas de pedido
• Gastos de desarrollo de aleaciones personalizadas
• Derechos/impuestos de importación

Ventajas e inconvenientes de la impresión 3D en metal

Ventajas

• Libertad de diseño para geometrías complejas
• Consolidación de piezas en componentes individuales
• Reducción de peso gracias a la optimización de la topología
• Montaje reducido a partir de menos componentes
• Opciones de aleación de alta resistencia
• Integración funcional: por ejemplo, canales de refrigeración conformados
• Rapidez en las iteraciones y la personalización
• Producción bajo demanda de repuestos obsoletos o antiguos
• Reducción del desperdicio de material en comparación con las técnicas sustractivas

Limitaciones

• Mayor coste de las piezas en comparación con la fabricación convencional de gran volumen
• Capacidad de tamaño restringida en función del volumen de fabricación de equipos
• Variedad limitada de opciones de aleación actualmente certificadas y cualificadas
• La menor precisión dimensional y los acabados superficiales más finos requieren un mecanizado secundario
• Anisotropía mecánica, ya que las propiedades difieren en función de la orientación de la estructura.
• Es necesario un tratamiento posterior, como el prensado isostático en caliente, para la consolidación de la densidad total.
• Falta de normas industriales para algunas aplicaciones

La gama de metales imprimibles se amplía exponencialmente, junto con la calidad y la repetibilidad, a medida que la tecnología y la ciencia de los materiales siguen avanzando con rapidez.

PREGUNTAS FRECUENTES

¿Qué rango de tamaño de partícula necesitan los polvos metálicos para la impresión 3D?

• El tamaño típico oscila entre 15 y 45 micras
• Las curvas de distribución especifican los diámetros de partícula D10, D50 y D90
• Los valores dependen de la resolución de capa deseada, pero normalmente son de 20 a 45 micras.

¿Cuál es la diferencia entre los polvos de acero inoxidable 316L y 17-4PH?

• Ambas aleaciones de hierro/cromo/níquel. El 316L tiene mejor resistencia a la corrosión.
• El 17-4PH tiene mayor resistencia y dureza tras el tratamiento térmico de endurecimiento por precipitación
• El 316L se utiliza más en aplicaciones marinas, químicas y biomédicas que requieren resistencia a la corrosión.
• El 17-4PH es adecuado para aplicaciones de utillaje que requieren una gran resistencia al desgaste.

¿Por qué es importante la forma para los polvos de impresión sobre metal?

• Las partículas altamente esféricas tienen mejor flujo y alta densidad de empaquetamiento
• La morfología de superficie lisa y sin satélites garantiza una fusión óptima
• Los polvos atomizados con gas producen impresiones de la mejor calidad.

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