Polvo de titanio para impresión 3D
Índice
Visión general de polvo de titanio para impresión 3D
El titanio es un metal fuerte, ligero y resistente a la corrosión que resulta ideal para imprimir en 3D geometrías complejas para aplicaciones aeroespaciales, de automoción, médicas y otras aplicaciones exigentes. El polvo de titanio puede utilizarse para imprimir piezas metálicas de densidad completa con excelentes propiedades mecánicas mediante tecnologías de fusión de lecho de polvo como la fusión selectiva por láser (SLM) y la fusión por haz de electrones (EBM).
Este artículo ofrece una guía completa sobre el polvo de titanio para impresión 3D, que incluye composición, propiedades, especificaciones, aplicaciones, ventajas e inconvenientes, proveedores, costes y mucho más.
Composición de polvo de titanio para impresión 3D
El polvo de titanio para la fabricación aditiva está compuesto casi en su totalidad por el elemento titanio. Sin embargo, pueden estar presentes pequeñas cantidades de otros elementos como aluminio, vanadio, hierro, oxígeno, nitrógeno y carbono.
Calidades de titanio para fusión en lecho de polvo
| Grado | Composición |
|---|---|
| Ti 6Al-4V | 90% titanio, 6% aluminio, 4% vanadio |
| Ti 6Al-4V ELI | Igual que Ti 6Al-4V pero con límites más bajos para el oxígeno intersticial, el hierro y el nitrógeno |
| Titanio comercialmente puro de grado 1 | 99.2% Titanio mínimo |
| Titanio comercialmente puro de grado 2 | 99,5% Titanio mínimo |
| Titanio comercialmente puro de grado 3 | 99,8% Titanio mínimo |
| Titanio comercialmente puro de grado 4 | 99,9% Titanio mínimo |
El Ti 6Al-4V es el grado más utilizado actualmente en la fabricación aditiva debido a su excelente relación resistencia-peso, soldabilidad y resistencia a la corrosión. La variante ELI ha mejorado la ductilidad y la resistencia a la fractura.
Los grados de titanio comercialmente puro tienen menor resistencia pero mejor biocompatibilidad para implantes médicos. El titanio de grado 5, con mayor contenido de oxígeno, no suele utilizarse para la fusión en lecho de polvo.
Propiedades de polvo de titanio para impresión 3D Partes
Las piezas de titanio impresas en 3D pueden alcanzar propiedades similares o superiores a las del titanio fabricado tradicionalmente, con la ventaja añadida de la libertad de diseño.
Propiedades mecánicas
| Propiedad | Ti 6Al-4V | Ti 6Al-4V ELI | CP Ti Grado 2 |
|---|---|---|---|
| Resistencia a la tracción | 930 - 1050 MPa | 860 - 965 MPa | 345 - 485 MPa |
| Límite elástico | 825 - 890 MPa | 795 - 875 Mpa | ≥ 275 MPa |
| Alargamiento a la rotura | 8 – 15% | ≥10% | 20% |
| Resistencia a la fatiga | ≥ 400 MPa | ≥ 550 MPa | 275 - 550 MPa |
| Resistencia a la fractura | 55 - 115 MPa√m | ≥ 100 MPa√m | N/A |
El titanio impreso en 3D tiene una rigidez, dureza y resistencia al desgaste comparables a las de los métodos tradicionales de fabricación de titanio. El procesamiento posterior, como el prensado isostático en caliente (HIP), puede mejorar aún más las propiedades del material.
Ventajas
- Elevada relación resistencia/peso
- Resistencia a la corrosión
- Biocompatibilidad y osteointegración
- Libertad de diseño para optimizar la topología
- Reducción de residuos en comparación con los métodos sustractivos
- Los canales de refrigeración conformados aumentan el rendimiento
Limitaciones
- Su alta reactividad con el oxígeno dificulta su manipulación
- Los defectos de impresión, como la porosidad, pueden reducir la vida a fatiga
- Material en polvo caro y problemas de reciclado
- Puede ser necesario un tratamiento posterior para cumplir las especificaciones del material.
Especificaciones de polvo de titanio para impresión 3D
El polvo de titanio utilizado para la fabricación aditiva debe cumplir normas estrictas en cuanto a distribución del tamaño de las partículas, morfología, química y otros atributos.
Distribución por tamaños
| Parámetro | Valor típico | Papel |
|---|---|---|
| Gama de tamaños de partículas | 15 - 45 micras | Determina la resolución mínima de las características, la dispersión del polvo |
| D10 | 20 micras | Indica una fracción de polvo más fina |
| D50 | 30 micras | Tamaño medio de las partículas |
| D90 | 40 micras | Indica partículas más grandes |
| Densidad aparente | 2,7 g/cc | Densidad del lecho de polvo, afecta a la reproducibilidad |
El polvo debe tener una morfología casi esférica con pocos satélites para una dispersión suave del polvo. La química debe ajustarse a las especificaciones de grado con bajos niveles de impurezas.
Otros atributos críticos
- Fluidez
- Contenido residual de oxígeno y nitrógeno
- Consistencia de densidad aparente y de grifo
- Reciclabilidad
- Compatibilidad química con el proceso
- Características de manejo
Cumplir los estrictos requisitos de calidad de cada parámetro es fundamental para fabricar productos sin defectos.
Aplicaciones de polvo de titanio para impresión 3D
| Industria | Aplicación | Ventajas de la impresión 3D en titanio |
|---|---|---|
| Aeroespacial y aviación | - Componentes de aviones (piezas de alas, componentes de trenes de aterrizaje) - Piezas de motores de cohetes - Estructuras de satélites | – Aligeramiento: La reducción del peso se traduce en una mayor eficiencia del combustible y una mayor autonomía de vuelo. - Alta relación resistencia-peso: Las piezas de titanio pueden ser resistentes pero ligeras, algo crucial para el rendimiento de los aviones. - Libertad de diseño: Se pueden imprimir estructuras internas complejas para optimizar el rendimiento y la distribución del peso. |
| Medicina y odontología | - Implantes (prótesis de cadera, prótesis de rodilla, implantes dentales, implantes craneales) - Instrumentos quirúrgicos - Prótesis a medida | – Biocompatibilidad: El titanio es bien tolerado por el cuerpo humano, lo que minimiza el riesgo de rechazo. - Personalización: La impresión 3D permite realizar implantes específicos para cada paciente que se adaptan perfectamente a su anatomía para mejorar el ajuste y la función. - Estructuras porosas: Los implantes pueden imprimirse con una estructura porosa que favorezca el crecimiento óseo para mejorar la estabilidad a largo plazo. |
| Automoción | - Componentes de motores de alto rendimiento (bielas, pistones) - Piezas de automóviles ligeros - Componentes de competición | – Resistencia y durabilidad: El titanio soporta las altas temperaturas y presiones habituales en los motores. - Reducción de peso: Las piezas más ligeras contribuyen a mejorar el ahorro de combustible y la maniobrabilidad. - Geometrías complejas: La impresión en 3D permite crear intrincados canales internos para la refrigeración o el flujo de aceite. |
| Bienes de consumo y deportes | - Cuadros de bicicletas de alta gama - Prótesis deportivas - Joyas y gafas | – Diseño único y personalización: La impresión 3D permite diseños y características personalizados. - Resistencia y ligereza: Ideal para aplicaciones que requieren tanto durabilidad como un peso mínimo. - Biocompatibilidad: Adecuado para prótesis y algunas aplicaciones de joyería que entran en contacto con la piel. |
| Petróleo y gas | - Herramientas y equipos de fondo de pozo - Tuberías y válvulas resistentes a la corrosión | – Resistencia a la corrosión: El titanio destaca en entornos duros con exposición a productos químicos y agua salada. - Alta resistencia: Resiste las altas presiones y tensiones de la extracción de petróleo y gas. - Reducción de peso: Las herramientas más ligeras son más fáciles de manejar en pozos profundos. |
| Investigación y desarrollo | - Creación de prototipos de piezas complejas - Pruebas de nuevos diseños y materiales | – Iteración rápida: La impresión 3D permite crear y probar rápidamente nuevos diseños. - Libertad de diseño: Se pueden imprimir geometrías complejas con fines de investigación. - Exploración de materiales: Permite imprimir con diferentes aleaciones o compuestos de titanio para evaluar sus propiedades. |
Proveedores de polvo de titanio para impresión 3D
La mayoría de los proveedores de polvo de titanio ofrecen el grado Ti 6Al-4V adaptado a la fabricación aditiva. Algunos también ofrecen servicios de diseño de aleaciones personalizadas.
Principales empresas de polvo de titanio
| Empresa | Grados ofrecidos | Servicios |
|---|---|---|
| AP&C | Ti 6Al-4V, Ti 6Al-4V ELI | Desarrollo de aleaciones personalizadas |
| Tekna | Ti 6Al-4V, Ti 6Al-4V ELI | Esferoidización avanzada del plasma |
| Aditivo para carpinteros | Ti 6Al-4V, Ti 6Al-4V ELI | Amplias pruebas de control de calidad |
| Praxair | Ti 6Al-4V | Atomización de nitrógeno |
| Época | Titanio comercialmente puro | Pedidos de pequeñas cantidades |
Muchos fabricantes de impresoras 3D, como EOS y SLM Solutions, también ofrecen polvos de titanio asociados. Los polvos reciclados son más baratos pero tienen mayores niveles de impurezas.
Coste del titanio en polvo
| Grado | Morfología | Precios |
|---|---|---|
| Ti 6Al-4V | Esférica | $350-$1000 por kg |
| Ti 6Al-4V ELI | Esférica | $500-$2000 por kg |
| CP Ti grado 1-4 | Irregular | $100-$500 por kg |
El coste depende en gran medida del volumen de pedidos, la calidad, los márgenes de los proveedores y el reciclaje.
Pros y contras de polvo de titanio para impresión 3D
| Característica | Pros | Contras |
|---|---|---|
| Propiedades de los materiales | * Alta relación resistencia-peso: El titanio ofrece una resistencia excepcional sin dejar de ser ligero, ideal para aplicaciones que exigen una reducción de peso en las industrias aeroespacial y del automóvil. * Resistencia a la corrosión: La resistencia natural del titanio a la corrosión lo hace perfecto para componentes expuestos a entornos agresivos, como entornos marinos o químicos. * Biocompatibilidad: La naturaleza biocompatible del titanio permite su uso seguro en implantes médicos, favoreciendo la osteointegración (fusión con el hueso) para una funcionalidad a largo plazo. | * Selección limitada de materiales: En comparación con la fabricación tradicional con una mayor variedad de materiales, la impresión 3D con polvo de titanio se limita actualmente a una gama específica de aleaciones de titanio. |
| Diseño y producción | * Libertad de diseño: La impresión 3D permite crear geometrías complejas que antes eran imposibles con los métodos tradicionales de fabricación sustractiva. Esto permite crear diseños intrincados que optimizan el rendimiento y reducen el peso. * Creación rápida de prototipos: La capacidad de imprimir rápidamente prototipos a partir de modelos digitales permite acelerar las iteraciones de diseño y los ciclos de desarrollo de productos. * Reducción de los residuos materiales: A diferencia de la fabricación sustractiva, que genera importantes desechos, la impresión 3D con polvo de titanio utiliza únicamente el material necesario para el diseño, lo que minimiza los residuos y los costes de producción. | * Inversión inicial elevada: El coste de las impresoras 3D diseñadas específicamente para polvo de titanio puede ser considerable, lo que las convierte en una inversión adecuada sobre todo para aplicaciones de alto valor o grandes instalaciones de producción. * Requisitos de postprocesamiento: Las piezas de titanio impresas en 3D suelen requerir pasos adicionales de posprocesamiento, como tratamiento térmico, eliminación de soportes y acabado superficial, para conseguir las propiedades mecánicas y la estética deseadas. |
| Aplicaciones | * Aeroespacial: La capacidad de crear componentes ligeros y de alta resistencia para estructuras de aeronaves, fuselajes y piezas de motores hace que la impresión 3D de titanio sea una herramienta valiosa en la industria aeroespacial. * Médico: Los implantes de titanio biocompatibles, como prótesis, implantes dentales e implantes craneales, se benefician de la capacidad de la impresión 3D para crear piezas personalizadas para necesidades específicas del paciente. * Deportes de motor: La reducción de peso es crucial en los deportes de motor. Los componentes de titanio impresos en 3D, como pistones, bielas y piezas de suspensión, contribuyen a mejorar el rendimiento y la maniobrabilidad. | * Disponibilidad y experiencia limitadas: El equipo especializado y los conocimientos necesarios para imprimir polvo de titanio en 3D pueden limitar su adopción generalizada, sobre todo para los fabricantes más pequeños o las aplicaciones con volúmenes de producción más bajos. * Cuestiones de seguridad: El proceso de manipulación del polvo de titanio puede plantear riesgos para la salud debido a su inflamabilidad y a la posibilidad de que se produzcan problemas respiratorios. Los protocolos y equipos de seguridad adecuados son esenciales para un entorno de trabajo seguro. |
Comparación de los procesos de impresión en titanio
| Proceso | Tecnología | Material Materia prima | Construcción (in³) | Ventajas | Desventajas | Aplicaciones |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Fusión por haz de electrones (EBM) | Un haz de electrones de alta potencia funde el polvo de titanio capa por capa en una cámara de vacío. | Titanio en polvo | Hasta 50 x 50 x 50 | - Excelente acabado superficial y precisión dimensional - Piezas resistentes, de forma casi neta, con una elevada relación resistencia/peso - Tensión residual mínima | - Alto coste de equipamiento y funcionamiento - Envolvente de construcción limitada en comparación con otros métodos - Textura superficial rugosa en superficies no portantes | - Componentes aeroespaciales (álabes de turbina, trenes de aterrizaje) - Implantes médicos (encajes de cadera, implantes dentales) |
| Fusión por rayo láser (LBM) | Un rayo láser de alta potencia funde el polvo de titanio capa por capa en un entorno de gas inerte. | Titanio en polvo | Hasta 120 x 120 x 120 | - Alta precisión y resolución - Amplia gama de aleaciones de titanio compatibles - Buenas propiedades mecánicas | - Requiere una cámara sellada con gas inerte - Mayor consumo de energía láser en comparación con la EBM | - Implantes médicos y dentales - Piezas de automóvil (componentes ligeros) - Componentes aeroespaciales (piezas estructurales) |
| Deposición de energía dirigida (DED) | Una fuente de energía focalizada (láser o haz de electrones) funde alambre o polvo de titanio, depositándolo sobre un sustrato capa a capa. | Alambre o polvo de titanio | Hasta 1000 x 1000 x 1000 | - Mayor velocidad de impresión en comparación con la fusión de lecho de polvo - Puede utilizarse para aplicaciones de reparación y revestimiento | - Menor resolución y acabado superficial en comparación con LBM/EBM - Mayor riesgo de alabeo y distorsión - Soporte limitado para geometrías complejas | - Componentes estructurales a gran escala (puentes, recipientes a presión) - Reparación de piezas existentes - Prototipos funcionales |
| Chorro aglomerante (BJ) | Un cabezal de inyección de aglutinante líquido deposita selectivamente un aglutinante sobre un lecho de polvo de titanio, creando una pieza verde sólida. A continuación, la pieza se desenrolla y se sinteriza. | Titanio en polvo y aglutinante líquido | Hasta 700 x 500 x 500 | - Menor coste por pieza en comparación con otros métodos - Adecuado para imprimir geometrías complejas con canales internos - Amplia gama de materiales (no se limita al titanio) | - Piezas relativamente débiles tras el desbobinado, que requieren sinterización - Propiedades mecánicas inferiores en comparación con los métodos de fusión - Los pasos posteriores al tratamiento pueden requerir mucho tiempo | - Componentes de automoción no críticos (piezas interiores) - Prototipos médicos - Piezas funcionales de baja tensión |
Normas para el polvo de titanio y las piezas impresas
| Aspecto | Organismos de normalización | Consideraciones clave | Normas típicas |
|---|---|---|---|
| Materia prima en polvo | ASTM Internacional (ASTM), ISO | - Composición química - Tamaño y distribución de las partículas - Fluidez - Morfología del polvo | - ASTM B348: Standard Specification for Titanium and Titanium-Alloy Strip, Sheet, and Plate - ASTM F3056: Standard Specification for Additive Manufacturing (AM) Titanium Powder - ISO 5832-2: Aerospace series - Metallic materials - Titanium alloy bars, strips and sheets - Part 2: Technical specifications - UNS R56400 (Ti-6Al-4V) |
| Propiedades mecánicas | ASTM Internacional (ASTM) | - Resistencia a la tracción - Límite elástico - Alargamiento - Resistencia a la fatiga - Dureza | - ASTM F136: Standard Specification for Sheet and Plate for Structural Applications - ASTM F3001: Standard Specification for Additive Manufacturing (AM) Powders for Laser Beam Melting - ASTM F3302: Standard Specification for Densification of Titanium and Titanium Alloy Powders by Laser Beam Melting (LBM) (Especificación estándar para la densificación de polvos de titanio y aleaciones de titanio mediante fusión por haz láser (LBM)) |
| Microestructura y porosidad | ASTM Internacional (ASTM) | - Granulometría - Nivel y distribución de la porosidad - Rugosidad superficial | - ASTM E112: Standard Test Methods for Determining the Average Grain Size of Metallic Materials - ASTM B924: Standard Test Methods for Examination and Classification of Oxide Discoloration in Titanium - ASTM F2904: Standard Practice for Microstructural Characterization of Additively Manufactured Metal Alloys (Práctica estándar para la caracterización microestructural de aleaciones metálicas fabricadas aditivamente). |
| Diseño de piezas para fabricación aditiva (AM) | ASTM Internacional (ASTM), Informe Wohlers | - Espesor mínimo de pared - Diseño para estructuras de soporte - Características internas y estructuras reticulares - Consideraciones sobre la rugosidad de la superficie | - ASTM F4269: Standard Practice for Additive Manufacturing with Powder Bed Fusion of Metals - Wohlers Report [Informe Wohlers sobre el estado de la industria de fabricación aditiva] - Directrices de diseño de los fabricantes de máquinas. |
| Ensayos no destructivos (END) | ASTM Internacional (ASTM) | - Radiografía por rayos X - Tomografía computarizada (TC) - Pruebas ultrasónicas - Pruebas por corrientes de Foucault | - ASTM E1742: Standard Practice for Radiographic Examination of Metallic Materials for Porosity and Inclusions - ASTM F2789: ASTM F2789: Standard Test Method for Computed Tomography (CT) Imaging of Additive Manufacturing (AM) Processes - ASTM E114: Standard Practice for Ultrasonic Examination of Metallic Materials - ASTM E2194: Standard Guide for Electromagnetic (Eddy Current) Testing of Metal Products (Guía estándar para ensayos electromagnéticos (corrientes de Foucault) de productos metálicos) |
| Tratamiento posterior | ASTM Internacional (ASTM) | - Tratamiento térmico - Prensado isostático en caliente (HIP) - Mecanizado y acabado | - ASTM F67: Standard Test Method for Determining the Shear Strength of Titanium Screws and Pins - ASTM B967: ASTM B967: Standard Specification for Chemical Descaling, Electrocleaning, and Passivation of Titanium and Titanium Alloys - Directrices de mecanizado y acabado de los fabricantes de máquinas |
PREGUNTAS FRECUENTES
¿Cuál es la mejor aleación de titanio para la impresión 3D?
Ti 6Al-4V es actualmente el polvo de aleación de titanio más utilizado para la fabricación aditiva debido a sus excelentes propiedades mecánicas y resistencia a la corrosión combinadas con su disponibilidad comercial. Ti 6Al-4V ELI proporciona una mayor resistencia a la fractura.
¿Con qué métodos se pueden imprimir piezas de titanio en 3D?
La fusión selectiva por láser (SLM) y la fusión por haz de electrones (EBM) son las principales tecnologías de fusión de lecho de polvo utilizadas para imprimir titanio. Los métodos de deposición de energía dirigida (DED) también son capaces pero tienen más porosidad.
¿Necesita soportes el titanio cuando se imprime en 3D?
Sí, el titanio requiere soportes durante la impresión porque se solidifica rápidamente. Es necesario optimizar cuidadosamente los soportes para evitar defectos superficiales y desperdicio de material, al tiempo que se proporciona un anclaje adecuado.
¿Es más barato imprimir en 3D o mecanizar titanio?
Para piezas personalizadas únicas, la impresión 3D de titanio suele ser más barata, ya que no requiere utillaje. Para la producción en serie, el mecanizado CNC del titanio puede tener un coste por pieza inferior, pero los gastos iniciales de preparación y el desperdicio de material son mayores.
¿Qué sectores utilizan piezas de titanio impresas en 3D?
El sector aeroespacial es el que más recurre a la impresión de titanio en la actualidad, gracias a las mejoras en la relación compra-vuelo de componentes complejos. Los sectores de la medicina, la automoción, el petróleo y el gas, los artículos deportivos y el consumo también aprovechan el titanio impreso en 3D.
¿Cuánto cuesta el polvo de titanio para impresión 3D?
El polvo de titanio puede oscilar entre $100-2000 por kilogramo en función de la composición, la calidad, la cantidad del pedido y otros factores. Los polvos esféricos Ti 6Al-4V y Ti 6Al-4V ELI para aplicaciones críticas tienen un precio superior a $500/kg.
¿Cuáles son algunos ejemplos de piezas de titanio impresas en 3D?
La impresión 3D permite fabricar piezas innovadoras de titanio, como soportes de fuselajes, turbinas, componentes para deportes de motor, prótesis personalizadas, moldes de inyección refrigerados e incluso gafas o joyas con complejos diseños reticulares.
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