Materiales metálicos para impresión 3D

Overview of 3D Printing Metal Materials

La impresión 3D, también conocida como fabricación aditivapermite crear piezas metálicas complejas directamente a partir de datos CAD en 3D. A diferencia de los métodos sustractivos tradicionales, como el mecanizado CNC, la impresión 3D construye piezas capa a capa sin necesidad de herramientas o dispositivos específicos.

La impresión 3D sobre metal abre nuevas posibilidades para producir componentes metálicos personalizados, ligeros y de alto rendimiento con geometrías complejas. Las industrias aeroespacial, automovilística, médica y de defensa están adoptando cada vez más la impresión 3D sobre metal para aplicaciones de producción de uso final.

Sin embargo, no todos los metales pueden imprimirse fácilmente en 3D. Los materiales metálicos más utilizados son el aluminio, el titanio, el níquel, el acero inoxidable y las aleaciones de cobalto y cromo. La elección del material depende de los requisitos específicos de la aplicación: solidez, resistencia a la corrosión, rendimiento a altas temperaturas, biocompatibilidad, etc.

Esta completa guía ofrece una visión detallada de los distintos metales y aleaciones utilizados en la impresión 3D. Analizamos la composición, las propiedades, las aplicaciones y los pros y los contras de los materiales metálicos más populares para ayudarle a seleccionar el material adecuado para sus necesidades.

Principales conclusiones sobre los materiales metálicos de impresión 3D:

• Las aleaciones de aluminio ofrecen una buena relación resistencia-peso y resistencia a la corrosión a un coste menor.
• Las aleaciones de titanio ofrecen una excelente resistencia con baja densidad y biocompatibilidad para usos médicos.
• Los aceros inoxidables tienen una gran solidez y resistencia a la corrosión para utillajes y piezas funcionales.
• Las superaleaciones de níquel pueden soportar altas temperaturas, lo que las hace adecuadas para la industria aeroespacial.
• Las aleaciones de cobalto-cromo proporcionan dureza, resistencia al desgaste y biocompatibilidad para implantes dentales y médicos.
• La elección del material depende de los requisitos mecánicos, las necesidades de postprocesado, los costes y la idoneidad del método de impresión 3D.
• La orientación de las piezas, las estructuras de soporte, el grosor de las capas y los parámetros de fabricación deben optimizarse para cada material metálico.
• El tratamiento posterior, como el prensado isostático en caliente, puede mejorar las propiedades finales de la pieza.

Composición de materiales metálicos para impresión 3D

Categoría de metal	Aleaciones comunes	Composición	Propiedades	Aplicaciones
Acero	17-4 PH Stainless Steel, 316L Stainless Steel, AISI 4130 Steel	Primarily iron (Fe) with varying amounts of chromium (Cr), nickel (Ni), molybdenum (Mo), carbon (C), and manganese (Mn).	Excellent strength, corrosion resistance, and versatility. Can be heat treated for specific properties.	Aerospace components, medical implants, automotive parts, tools and dies
Aluminio	AlSi10Mg, AlSi7Mg0.3, Scalmalloy	Primarily aluminum (Al) with additions of silicon (Si), magnesium (Mg), and sometimes copper (Cu) or scandium (Sc).	Lightweight, good strength-to-weight ratio, and high thermal conductivity. Can be post-processed for added strength.	Aircraft parts, heat sinks, automotive components, prosthetics and orthotics
Titanio	Ti-6Al-4V, CP Titanium	Primarily titanium (Ti) with aluminum (Al) and vanadium (V) as main alloying elements.	High strength-to-weight ratio, excellent corrosion resistance, and biocompatibility.	Aerospace components, medical implants, sporting goods, chemical processing equipment
Superaleaciones de níquel	Inconel 625, Inconel 718	Primarily nickel (Ni) with additions of chromium (Cr), iron (Fe), cobalt (Co), molybdenum (Mo), and niobium (Nb).	Excepcional resistencia a altas temperaturas, a la oxidación y a la fluencia.	Gas turbine engine components, heat exchangers, rocket engine parts
Cobalto-Cromo	CoCrMo, Haynes 214	Primarily cobalt (Co) and chromium (Cr) with molybdenum (Mo) and other elements for specific properties.	High strength, wear resistance, biocompatibility, and good corrosion resistance.	Medical implants, dental prosthetics, cutting tools, wear-resistant components
Metales refractarios	Tungsten (W), Tantalum (Ta)	Pure metals with very high melting points.	Exceptional high-temperature strength and heat resistance. Not widely used due to high cost and difficulty in processing.	Furnace components, crucibles, rocket engine nozzles, heat shields
Metales preciosos	Gold (Au), Silver (Ag)	Pure metals or alloys with other precious metals.	High electrical conductivity, reflectivity, and biocompatibility (for specific alloys). Limited use due to high cost.	Electrical connectors, medical devices (limited applications), decorative components

Propiedades mecánicas de los materiales metálicos

Propiedad	Descripción	Unidades	Importance in Engineering Applications	Examples of Materials with High Values
Fuerza	The ability of a metal to resist deformation or fracture under an applied load. There are different types of strength, such as tensile strength (resistance to pulling forces), compressive strength (resistance to pushing forces), and shear strength (resistance to forces that tend to cause the material to slide).	MPa (Megapascals), ksi (thousand pounds per square inch)	Strength is a fundamental consideration for any load-bearing component. The specific type of strength required depends on the anticipated loading conditions.	• High-strength steel: Used in bridges, buildings, and vehicles due to its excellent tensile strength.
Rigidez	A measure of a metal’s resistance to elastic deformation under load. Stiff materials exhibit minimal deflection under stress. Stiffness is quantified by Young’s Modulus, which relates stress (applied force) to strain (resulting deformation).	GPa (Gigapascals), psi (pounds per square inch)	Stiffness is crucial for applications requiring dimensional stability, such as machine tool frames and precision instruments.	• Aluminum: Offers a good balance between stiffness and weight, making it ideal for aircraft construction.
Elasticidad	The ability of a metal to deform under load and then return to its original shape once the load is removed. Elastic behavior is desirable in many applications, as it ensures components can recover from temporary stresses without permanent damage.	–	Elasticity is essential for components that experience repeated loading and unloading, such as springs and shock absorbers.	• Spring steel: Possesses excellent elastic properties, allowing it to store and release energy efficiently.
Plasticity	The ability of a metal to undergo permanent deformation under load without fracture. Plastic deformation is useful for shaping metals into desired forms through processes like forging or extrusion.	% elongation	Plasticity is advantageous for manufacturing applications where metals need to be bent, drawn, or pressed into specific shapes.	• Copper: Highly ductile and malleable, making it suitable for electrical wiring and plumbing due to its ease of shaping.
Ductilidad	The ability of a metal to be drawn into thin wires without breaking. Ductility is a measure of a metal’s capacity for plastic deformation in tension.	% elongation	Ductile metals are valuable for applications requiring wires, cables, or other elongated forms.	• Gold: Exceptionally ductile, allowing it to be hammered into thin sheets for jewelry and decorative purposes.
Malleability	The ability of a metal to be flattened into thin sheets without breaking. Malleability reflects a metal’s capacity for plastic deformation in compression.	% reduction in area	Malleable metals are well-suited for applications requiring flat sheets or panels.	• Aluminum: Highly malleable, making it a popular choice for food packaging and building materials.
Dureza	The ability of a metal to absorb energy before fracturing. Tough materials can withstand significant impact or force without breaking.	J/m (Joules per meter)	Toughness is critical for components subjected to impact or dynamic loading, such as hammers and vehicle parts.	• Steel alloys: Can be formulated to achieve high toughness for applications demanding strength and impact resistance.
Resilience	The ability of a metal to absorb energy elastically and then release it upon unloading. Resilient materials can recover stored elastic energy after deformation.	J/m (Joules per meter)	Resilience is beneficial for components that experience repeated bending or flexing, such as springs and beams.	• High-carbon steel: Exhibits good resilience due to its balanced combination of strength and elasticity.
Creep	The tendency of a metal to deform plastically under a constant load over time, particularly at elevated temperatures. Creep is a concern for applications involving long-term exposure to high stresses and temperatures.	% strain per unit time	Creep resistance is crucial for components operating under sustained loads at high temperatures, such as turbine blades and boiler tubes.	• Nickel-based superalloys: Engineered to resist creep at extreme temperatures, making them ideal for jet engine components.
Dureza	The resistance of a metal to localized plastic deformation from an indentation or scratching force. Hardness is often correlated with wear resistance.	Brinell hardness (HB), Vickers hardness (HV)	Hardness is essential for components that experience wear and tear, such as cutting tools and bearings.	• Tungsten carbide: Exceptionally hard, making it a valuable material for drill bits and wear plates.

Aplicaciones de la impresión 3D en metal

Aplicación	Descripción	Beneficios	Industrias
Functional Prototypes	Metal 3D printing allows engineers to create fully functional prototypes of parts much faster and more cost-effectively than traditional methods like CNC machining. These prototypes can be rigorously tested to validate design concepts before committing to mass production.	* Reduced Time to Market: Parts can be iterated on quickly, accelerating the development process. * Increased Design Freedom: Complex geometries and internal features can be easily incorporated. * Material Accuracy: Prototypes can be made from the same metal intended for final production.	* Aerospace: Engine components, air ducts, landing gear parts. * Automotive: Engine blocks, transmission components, lightweight body panels. * Medical Devices: Surgical instruments, prosthetics, custom implants.
Low-Volume & Specialty Parts	Metal 3D printing excels at producing small batches or one-off parts that would be expensive or impractical to manufacture with traditional techniques. This opens doors for customization, on-demand manufacturing, and niche applications.	* Reduced Minimum Order Quantities: Eliminates the need for expensive tooling setups typically required for low-volume production. * Design for Customization: Parts can be easily personalized for specific needs or applications. * Complexities Made Simple: intr intricate geometries and internal features can be readily produced.	* Motorsports: Custom gears, brackets, and lightweight components. * Oil & Gas: Replacement parts for downhole equipment, bespoke valves and fittings. * Defense: Weaponry components, customized armor plating, specialty tools.
Surgical & Dental Implants	Metal 3D printing is transforming medical care by enabling the creation of personalized implants with complex lattice structures that promote bone ingrowth and osseointegration. This leads to improved patient outcomes and faster recovery times.	* Personalized Implants: Custom-designed implants that perfectly match a patient’s anatomy can be created. * Improved Biocompatibility: Porous structures created through 3D printing encourage bone growth and tissue attachment. * Reduced Risk of Rejection: 3D printing allows for the use of biocompatible materials like titanium and tantalum.	* Orthopedics: Hip and knee replacements, custom spinal implants, trauma repair plates. * Dentistry: Dental crowns and bridges, complex jaw implants, customized surgical guides.
Complex Brackets & Heat Exchangers	Metal 3D printing allows for the creation of intricate brackets and heat exchangers with internal channels and lightweight lattice structures that would be impossible or prohibitively expensive to manufacture using traditional methods.	* Design Optimization: Lightweight and strong brackets can be designed to minimize weight and improve performance. * Enhanced Heat Transfer: Complex internal channels can be incorporated into heat exchangers for superior thermal management. * Freedom of Design: 3D printing allows for the creation of geometries that push the boundaries of conventional manufacturing.	* Aerospace: Lightweight brackets for aircraft structures, complex heat exchangers for engine cooling. * Automotive: High-performance heat exchangers for racing engines, intricate brackets for suspension systems. * Consumer Electronics: Thermal management solutions for laptops, heat sinks for high-power electronics.
End-of-Arm Tooling (EOAT)	Metal 3D printing enables the creation of customized EOAT for robots that perfectly match the specific requirements of a task. This leads to increased efficiency, flexibility, and improved production processes.	* Conformal Grippers: Grippers can be 3D printed to precisely match the shape of the object being handled. * Lightweight Design: Metal 3D printing allows for the creation of lightweight grippers that improve robot speed and dexterity. * Reduced Lead Times: Custom EOAT can be designed and printed quickly, minimizing downtime during production setup.	* Automotive Manufacturing: Grippers for handling car parts during assembly. * Electronics Assembly: Precision tools for delicate component placement. * Food & Beverage: Custom grippers for handling fragile food items.

Ventajas e inconvenientes de los principales materiales metálicos

He aquí una comparación de las ventajas y limitaciones de las aleaciones metálicas más utilizadas en la impresión 3D:

Material	Pros	Contras
Aluminio 6061	Bajo coste, buena resistencia a la corrosión	Menor resistencia
Aluminio 7075	Elevada relación resistencia/peso	Difícil de soldar
Titanio Ti-6Al-4V	Alta resistencia, baja densidad	Material caro
Acero inoxidable 316L	Excelente resistencia a la corrosión	Menor resistencia que las aleaciones
Inconel 718	Resiste temperaturas extremas	Desafío para la máquina
Cromo cobalto	Excelente resistencia al desgaste y biocompatibilidad	Ductilidad limitada

Proveedores de materiales metálicos para impresión 3D

Muchas empresas suministran polvos metálicos e hilo específicamente para procesos de impresión 3D:

Material	Proveedores clave
Aleaciones de aluminio	AP&C, Sandvik, HC Starck
Aleaciones de titanio	AP&C, TLS Technik, Tekna
Aceros inoxidables	Sandvik, Aditivos Carpenter
Superaleaciones de níquel	AP&C, Sandvik, Praxair
Aleaciones de cromo-cobalto	AP&C, Sandvik, Soluciones SLM

Factores como la calidad del polvo, la consistencia, la forma y la distribución del tamaño de las partículas afectan a las propiedades de la pieza final y a la estabilidad del proceso de impresión. Los proveedores más reputados ofrecen aleaciones bien caracterizadas y personalizadas para la AM.

Análisis de costes de los materiales metálicos para impresión 3D

Los costes de material constituyen una parte significativa del coste final de la pieza en la impresión 3D sobre metal. A continuación se muestran rangos de precios aproximados:

Material	Coste por Kg	Coste por cm3
Aleaciones de aluminio	$50-$150	$0.15-$0.45
Aleaciones de titanio	$350-$1000	$1.00-$3.00
Aceros inoxidables	$90-$250	$0.25-$0.75
Inconel 718	$350-$600	$2.50-$4.50
Cromo cobalto	$500-$1200	$3.50-$8.50

• Las aleaciones de titanio y cromo-cobalto son las más caras, mientras que el aluminio tiene un precio moderado.
• Los costes de material varían en función del volumen de fabricación: las piezas más grandes en aleaciones caras requieren presupuestos de material más elevados.
• La optimización para reducir los residuos de soporte y el tratamiento posterior puede ayudar a reducir los costes efectivos de material.

Normas para polvos metálicos

Para garantizar impresiones repetibles de alta calidad, los polvos metálicos utilizados en la impresión 3D deben cumplir ciertas normas mínimas:

Propiedad	Normas clave
Distribución granulométrica	ASTM B822, ISO 4490
Fluidez	ASTM B213, ISO 4490
Densidad aparente	ASTM B212, ISO 3923
Densidad del grifo	ASTM B527, ISO 3953
Composición química	ASTM E1479, análisis OES

• La calidad del polvo influye en las propiedades finales de la pieza, como la densidad, el acabado superficial y las propiedades mecánicas.
• Los polvos esféricos con una distribución controlada del tamaño de las partículas tienen una excelente fluidez.
• La química y la densidad constantes proporcionan estabilidad y repetibilidad al proceso.

Métodos de impresión 3D para metales

Diversas tecnologías de impresión 3D pueden procesar metales y aleaciones:

Método	Materiales	Principales ventajas	Limitaciones
Cama de polvo Fusion	La mayoría de las aleaciones	Excelente precisión y acabado superficial	Ritmos de construcción lentos
Deposición de energía dirigida	La mayoría de las aleaciones	Elementos incorporados en piezas existentes	Resolución inferior
Chorro aglomerante	Acero inoxidable	Impresión de alta velocidad	Menor resistencia
Extrusión de metales	Aleaciones limitadas	Bajos costes de equipamiento	Menor densidad

• Las tecnologías de lecho de polvo como el DMLS ofrecen la máxima resolución y precisión.
• La inyección de ligante funciona con una gama más amplia de aleaciones, pero la resistencia final de la pieza es menor.
• La deposición de energía dirigida permite imprimir grandes piezas con forma casi de red.

Requisitos de postprocesamiento

Las piezas metálicas asimétricas suelen requerir un tratamiento posterior para conseguir las propiedades deseadas:

Post-proceso	Propósito	Materiales utilizados
Eliminación de soportes	Retirar las estructuras de soporte	Aleaciones con soportes delgados y frágiles
Alivio del estrés	Reducir las tensiones residuales	Todas las aleaciones
Prensado isostático en caliente	Aumentar la densidad, mejorar las propiedades	Todas las aleaciones
Acabado de superficies	Mejorar la rugosidad de la superficie	Todas las aleaciones
Tratamiento térmico	Modificar la microestructura	Aleaciones endurecibles como el aluminio
Mecanizado	Dimensiones y acabado superficiales precisos	La mayoría de las aleaciones

• Se recomienda el tratamiento térmico de alivio de tensiones para todas las aleaciones con el fin de evitar distorsiones.
• El tratamiento HIP puede mejorar significativamente las propiedades finales del material.
• El mecanizado CNC proporciona precisión dimensional y acabado superficial.

Cómo elegir un material metálico para la impresión 3D

Factor	Descripción	Consideraciones	Ejemplos
Requisitos de solicitud	The primary function of the 3D printed part will heavily influence material selection. Consider factors like: * Resistencia y durabilidad: How much stress will the part experience? * Peso: Is lightweight construction essential? * Resistencia al calor: Will the part be exposed to high temperatures? * Resistencia a la corrosión: Will the part encounter harsh environments?	* Prioritize high-strength options like Titanium alloys or Maraging Steel for load-bearing components. * For lightweight applications, Aluminum or Nickel alloys offer excellent strength-to-weight ratios. * Inconel and Nickel alloys excel in high-temperature environments like jet engines. * Parts exposed to saltwater or chemicals may benefit from the superior corrosion resistance of Stainless Steel.	* Aeroespacial: High-strength Titanium alloys for landing gear or engine components. * Automóvil: Aluminum alloys for lightweight body panels or pistons. * Productos sanitarios: Biocompatible Titanium for implants or surgical instruments. * Aplicaciones marinas: Corrosion-resistant Stainless Steel for boat propellers or saltwater pumps.
3D Printing Process	Different metal 3D printing technologies have varying capabilities and material compatibility. Consider: * Compatibilidad con máquinas: Ensure the chosen material is compatible with your specific 3D printer’s technology (e.g., Laser Beam Melting, Binder Jetting). * Disponibilidad de material: Not all materials are readily available for every 3D printing process. * Surface Finish & Post-Processing: Some materials may require additional finishing steps to achieve desired surface quality.	* Laser Beam Melting (LBM) offers a wide range of compatible materials, including high-performance alloys like Titanium and Inconel. * Binder Jetting is well-suited for materials like Stainless Steel and some tool steels. * Electron Beam Melting (EBM) is ideal for highly reactive materials like Titanium but may require more extensive post-processing for surface finishing.	* LBM: Widely used for its versatility, compatible with materials like Titanium alloys, Stainless Steel, and Inconel. * Binder Jetting: Well-suited for cost-effective printing of Stainless Steel parts for less demanding applications. * EBM: Ideal for complex Titanium components in aerospace or medical applications, but post-processing can add time and cost.
Propiedades de los materiales	Beyond the basic properties like strength and weight, consider these additional characteristics: * Ductility (Formability): How easily can the material be bent or shaped without breaking? * Conductividad térmica: How well does the material conduct heat? * Biocompatibilidad: Is the material safe for implantation in the human body? * Conductividad eléctrica: Does the part require electrical conductivity for its function?	* Ductilidad: Ductile materials like certain Nickel alloys may be preferable for parts requiring some degree of bending or forming. * Conductividad térmica: High thermal conductivity materials like Aluminum are ideal for heat exchangers or heat sinks. * Biocompatibilidad: For medical implants, biocompatible materials like Titanium or Tantalum are essential. * Conductividad eléctrica: Copper or Copper alloys would be suitable choices for parts requiring electrical conduction.	* Ductilidad: Nickel alloys like Inconel 625 offer good ductility for parts requiring some formability. * Conductividad térmica: Aluminum alloys are excellent choices for heat exchangers due to their high thermal conductivity. * Biocompatibilidad: Titanium and Tantalum are biocompatible choices for implants due to their minimal tissue irritation. * Conductividad eléctrica: Copper is the best conductor of electricity readily available for 3D printing.
Consideraciones económicas	Material cost, along with potential post-processing needs, can significantly impact the overall project budget. * Material Price: Some exotic alloys like Inconel or precious metals like Gold can be very expensive. * Calidad del polvo: Higher quality metal powders may have a higher cost but can lead to better printability and part quality. * Post-procesamiento: Certain materials may require additional steps like heat treatment or machining, adding to the cost.	* Prioritize cost-effective materials like Stainless Steel or Aluminum for non-critical applications. * When high performance is essential, consider the long-term benefits of a more expensive material like Titanium. * Evaluate the cost of post-processing needs and factor that into the overall material selection process.	* Rentable: Stainless Steel or Aluminum often offer good value for less demanding applications. * High-Performance: Titanium alloys provide excellent strength-to-weight ratio but come at a premium cost. * Balance Needed: Consider the trade-off between material cost, performance requirements, and necessary post-processing.

Preguntas frecuentes

P: ¿Qué aleación metálica tiene la mayor resistencia para la impresión 3D?

R: Las superaleaciones de Inconel, como Inconel 718, tienen la mayor resistencia a la tracción, pero son menos dúctiles. El titanio Ti-6Al-4V tiene la mejor relación resistencia-peso.

P: ¿Las piezas impresas en 3D en acero inoxidable son resistentes a la corrosión?

R: Sí, el 316L y otras aleaciones de acero inoxidable mantienen su excelente resistencia a la corrosión después de la impresión 3D.

P: ¿Cuál es la aleación de titanio más utilizada en impresión 3D?

R: Ti-6Al-4V es la aleación de titanio más popular, que comprende 90% de toda la impresión 3D de titanio. Ofrece las mejores propiedades en todos los sentidos.

P: ¿Qué aleación de aluminio es la mejor para la impresión 3D?

R: Los más utilizados son el 6061 y el 7075. El 6061 ofrece una buena resistencia a la corrosión a un coste menor, mientras que el 7075 se elige para aplicaciones estructurales de alta resistencia.

P: ¿Son obligatorios los pasos de posprocesamiento para las piezas metálicas impresas en 3D?

R: El tratamiento posterior, como la eliminación de soportes, el alivio de tensiones y el acabado de superficies, es muy recomendable para optimizar las propiedades y el rendimiento del material.

P: ¿Qué proceso de impresión 3D funciona con la gama más amplia de aleaciones metálicas?

R: El chorro de aglutinante y la deposición de energía dirigida pueden funcionar con la mayoría de las aleaciones, pero la fusión de lecho de polvo produce piezas de mayor resolución.

P: ¿Cómo se compara la precisión de las piezas entre el mecanizado y la impresión 3D de metales?

R: Las piezas mecanizadas con CNC permiten tolerancias más estrictas y un mejor acabado superficial que los metales impresos en 3D. Sin embargo, la impresión 3D permite geometrías más complejas.

P: ¿Qué proceso de impresión 3D en metal tiene las velocidades de construcción más rápidas?

R: El chorro de aglutinante puede alcanzar las velocidades de impresión más altas, construyendo piezas hasta 10 veces más rápido que los procesos de fusión de lecho de polvo.