Polvo metálico para impresión 3D

Visión general de polvo metálico para impresión 3D

Los polvos metálicos para impresión 3D son polvos metálicos finos que se utilizan como materia prima en diversos procesos de fabricación aditiva de metales para fabricar piezas y productos metálicos. Los polvos metálicos más comunes utilizados para la impresión 3D incluyen acero inoxidable, titanio, aleaciones de níquel, aluminio y cromo-cobalto.

La fusión de lecho de polvo metálico y la deposición de energía dirigida son las dos principales familias de procesos de impresión 3D de metales que utilizan polvos metálicos para construir piezas capa a capa a partir de modelos CAD. Las características y propiedades de los materiales de los polvos metálicos influyen considerablemente en la calidad, la precisión, el acabado superficial y el rendimiento de la pieza final.

Detalles clave:

• Polvos metálicos comunes: acero inoxidable, titanio, aleaciones de níquel, aluminio, cobalto-cromo
• Principales procesos de impresión 3D de metales: Fusión de lecho de polvo, Deposición de energía dirigida
• Las características del polvo son críticas para la calidad de las piezas
• Gama de opciones de aleación en función de la aplicación
• El más utilizado para la creación de prototipos y la producción en todas las industrias
• Proporciona ventajas como geometrías complejas, aligeramiento y consolidación de piezas.

Tipos de polvo metálico y composiciones

Hay muchos polvos de aleaciones metálicas estándar y personalizados disponibles para la impresión 3D a través de varios fabricantes de materiales. La mayoría de las aleaciones están optimizadas específicamente para procesos de fabricación aditiva.

Acero inoxidable 316L y Ti-6Al-4V son las aleaciones más utilizadas actualmente para la impresión metálica en 3D. Continuamente se desarrollan e introducen nuevas aleaciones con propiedades mejoradas para aplicaciones exigentes en los ámbitos aeroespacial, médico, de la automoción y de la ingeniería en general.

Propiedades del polvo de impresión metálico

Las principales propiedades de los polvos metálicos que determinan la calidad de las piezas y la estabilidad del proceso son las siguientes:

Tamaño de las partículas - Entre 15-45 micras
Morfología - Esferoidal, buena fluidez
Química - Composición de la aleación dentro de tolerancias estrictas
Densidad - Indicadores clave de densidad aparente y densidad de toma
Caudal - Crítico para un espesor de capa uniforme
Reutilizabilidad - Normalmente se recicla hasta 5-10 veces

Distribución granulométrica es especialmente crítico dentro de la gama de tamaños óptimos: demasiados finos o partículas grandes fuera de la fracción ideal provocan defectos. El objetivo de los fabricantes es obtener un alto rendimiento dentro de las especificaciones y una calidad constante de los lotes.

Aplicaciones del polvo de impresión 3D metálico

La impresión 3D de piezas metálicas está ganando adeptos en sectores tan diversos como el aeroespacial, el de los dispositivos médicos, el de la automoción o el de la ingeniería en general.

Algunas aplicaciones típicas de los materiales comunes son:

Acero inoxidable - Equipos de manipulación de alimentos, herramientas quirúrgicas, tuberías, carcasas de bombas
Titanio - Piezas estructurales de aviones y helicópteros, implantes biomédicos
Aluminio - Componentes de automoción, intercambiadores de calor, artículos deportivos
Superaleaciones de níquel - Álabes de turbina, piezas de motores de cohetes, aplicaciones nucleares
Cromo cobalto - Prótesis de rodilla/cadera, coronas y puentes dentales

La aditivación de metales permite fabricar productos más ligeros, resistentes y de mayor rendimiento. Tiene sentido desde el punto de vista económico para materiales caros utilizados en volúmenes reducidos con geometrías personalizadas, como los componentes aeroespaciales. La impresión 3D también simplifica enormemente la fabricación de diseños complejos con canales internos para la refrigeración conformada en moldes de inyección.

Especificaciones de los polvos metálicos

Se han establecido normas internacionales e industriales para garantizar el cumplimiento de los requisitos de calidad en la producción industrial de polvos metálicos de AM:

Los fabricantes proporcionan certificados de lotes de polvo con los resultados de las pruebas que demuestran el cumplimiento de las normas para los materiales más comunes, como 316L o Ti64.

Fabricación de polvo metálico Proveedores y costes

Tanto los grandes conglomerados como los pequeños productores especializados de todo el mundo ofrecen una amplia gama de opciones de polvo metálico para la fabricación aditiva. Algunos de los principales proveedores son:

Fabricantes de polvo metálico

Costes del polvo metálico

El coste depende de la aleación, la norma de calidad, el fabricante, el volumen de compra, la región, etc. Las aleaciones personalizadas pueden costar varias veces más que los grados estándar. El polvo es el principal contribuyente a los costes de fabricación de AM, por lo que los usuarios intentan reutilizarlo en la medida de lo posible.

Comparación de los procesos de impresión 3D en metal

Existen dos familias principales de técnicas de fabricación aditiva adecuadas para los materiales metálicos. Fusión de lecho de polvo (PBF) y Deposición de energía dirigida (DED). Dentro de éstos, existen diferentes métodos con pequeñas variaciones basadas en la fuente de calor utilizada para la fusión localizada de las capas de polvo metálico.

Métodos de fusión del lecho de polvo:

• Fusión selectiva por láser (SLM)
• Sinterización selectiva por láser (SLS)
• Fusión por haz de electrones (EBM)

Métodos de deposición de energía dirigida:

• Deposición de metales por láser (LMD)
• Modelado de redes por láser (LENS)

Comparación de los métodos de impresión 3D en metal

El DED es más adecuado para piezas metálicas grandes, como moldes de reparación o carcasas de turbinas, en las que la precisión dimensional no es demasiado crítica. El PBF ofrece un acabado superficial y una resolución sustancialmente mejores para componentes pequeños con detalles intrincados, como celosías. Las opciones de materiales para DED son más amplias, incluidas las aleaciones reactivas.

Ambos procesos aprovechan las principales ventajas de la AM metálica, como la personalización, la consolidación de piezas y las estructuras ligeras. Para la producción, la fabricación híbrida que combina la impresión 3D en metal y el mecanizado CNC ofrece el equilibrio óptimo entre complejidad geométrica y precisión.

Ventajas de la fabricación aditiva de metales

El uso de la impresión 3D para la producción de componentes metálicos ofrece diversas ventajas técnicas y económicas que impulsan su adopción en todos los sectores:

Ventajas de la AM metálica

• Libertad de diseño para formas orgánicas complejas con optimización topológica
• Reducción significativa del peso mediante celosías y paredes delgadas
• Reducción del número de piezas mediante la consolidación de conjuntos
• Geometrías personalizadas adaptadas a cargas y funciones
• Cero herramientas, fijaciones y cambios rápidos, ideal para volúmenes bajos
• Reducción del desperdicio de material en comparación con las técnicas sustractivas

Soportes de titanio forjado más ligeros para aeronaves, implantes craneales adaptados al paciente y toberas de combustible simplificadas para motores son algunos ejemplos en los que la AM metálica aporta valor frente a los métodos de fabricación convencionales.

Limitaciones de la fabricación aditiva de metales

A pesar de sus ventajas, la aditivación de metales tiene algunas limitaciones inherentes al proceso que actualmente inhiben su uso para muchas aplicaciones:

Limitaciones de la AM metálica

• Costes elevados de equipos y materiales
• Elección limitada de aleaciones y propiedades mecánicas
• Menor rendimiento en comparación con los métodos de producción en serie
• Los procesos posteriores, como la eliminación de soportes y el tratamiento de superficies, añaden tiempo.
• Requisitos de cualificación y certificación en los sectores regulados
• Imprecisiones dimensionales y menor repetibilidad
• Mayor rugosidad superficial que requiere acabado
• Tensiones residuales que se desarrollan durante la construcción

Estas barreras técnicas y económicas hacen que la AM sea más adecuada para lotes pequeños, en los que las ventajas superan a las limitaciones. Las técnicas sustractivas híbridas ayudan a resolver las deficiencias de los componentes de precisión. La I+D en curso sobre hardware y materiales, centrada en la calidad, la velocidad y la optimización de parámetros, está mejorando la viabilidad industrial.

PREGUNTAS FRECUENTES

He aquí algunas preguntas habituales relacionadas con los polvos metálicos para procesos de AM:

P: ¿Cuáles son las aleaciones metálicas más utilizadas actualmente para la impresión 3D?

A: Acero inoxidable 316L, aleación de titanio Ti-6Al-4V, aleación de aluminio AlSi10Mg, superaleaciones de níquel Inconel 625 y 718, y aleaciones de cromo-cobalto CoCr.

P: ¿Qué pruebas se realizan para garantizar la consistencia de la calidad de los lotes de polvos de estampación metálica?

R: Los proveedores realizan pruebas según las normas industriales para verificar que la composición química está dentro de las tolerancias, que la distribución del tamaño de las partículas cumple las fracciones ideales optimizadas para los procesos de AM, que la morfología y la forma del polvo son esféricas, que las densidades aparente y de toma coinciden con el rango para un buen flujo y que el caudal es adecuado.

P: ¿Es obligatorio el polvo metálico virgen o también puede utilizarse polvo reciclado?

R: En función de las aplicaciones, se puede utilizar tanto polvo virgen como polvo reciclado de construcciones anteriores, normalmente hasta 5-10 ciclos de reutilización antes de volver a utilizar el material virgen.

P: ¿Cómo se producen los polvos metálicos para la AM?

R: Las técnicas de fabricación habituales incluyen la atomización con gas, la atomización con plasma y los procesos electrolíticos. Con ellos se obtienen polvos finos y esféricos adecuados para extender las capas finas y uniformes necesarias en la PBF metálica.

P: ¿Qué causa los defectos en las piezas metálicas impresas en 3D relacionados con los polvos?

R: Contaminantes en el polvo, demasiados satélites o partículas irregulares fuera de las especificaciones de tamaño, problemas de degradación del polvo durante los ciclos de reutilización y problemas de espesor o uniformidad de la capa durante el extendido y el repintado.

P: ¿Cómo pueden los compradores seleccionar y abastecerse del tipo y la calidad óptimos de polvo metálico?

R: Los fabricantes reputados que proporcionan hojas de datos de materiales completas, certificados de análisis de los lotes de producción, conformidad con normas industriales como ASTM F3049, pruebas de datos de pruebas de control de calidad rigurosas y garantías en torno a la química, los rendimientos de la distribución de tamaños, etc., proporcionan la fiabilidad y la coherencia esenciales para las aplicaciones industriales de AM.

Conclusión

En resumen, los polvos metálicos esféricos finos con características muy controladas desempeñan un papel vital como materia prima base para la fabricación aditiva de componentes metálicos de precisión en los ámbitos aeroespacial, médico, automovilístico y de ingeniería.

El acero inoxidable, el titanio, el aluminio, las superaleaciones de níquel y el cromo-cobalto son los materiales más utilizados actualmente en aplicaciones de producción industrial. La calidad de las piezas, su precisión, las propiedades del material y la estabilidad del proceso dependen en gran medida del tamaño, la forma, la composición química, la densidad y los parámetros de flujo del polvo.

A medida que aumenta la calidad y la variedad de las aleaciones, así como la productividad de los equipos, la impresión 3D parece dispuesta a transformar la fabricación en múltiples sectores, ya que permitirá fabricar productos más ligeros, resistentes y de alto rendimiento con diseños antes imposibles para piezas de topología optimizada consolidadas a partir de ensamblajes.

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