fabricación aditiva de aluminio
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El aluminio es un material metálico muy utilizado en la fabricación aditiva, valorado por su elevada relación resistencia-peso, excelente resistencia a la corrosión, propiedades térmicas y rendimiento mecánico. Como fabricación aditiva de aluminio Si la calidad y las capacidades de impresión avanzan, nuevas aplicaciones de alto valor en los sectores aeroespacial, de automoción, de productos de consumo y de arquitectura pueden beneficiarse de la producción de piezas complejas de aluminio.
Este resumen cubre las ventajas de las aleaciones de aluminio más comunes utilizadas en procesos de AM como la fusión de polvo por láser (PBF-LB) y la deposición directa de energía (DED), junto con sus correspondientes propiedades, procedimientos de postprocesado, aplicaciones y principales proveedores. Las tablas comparativas destacan las ventajas y desventajas de los distintos materiales de aluminio y métodos de AM.
Panorama de la fabricación aditiva de aluminio
Principales ventajas del aluminio para las aplicaciones de AM:
- Ligereza: la baja densidad ayuda a reducir el peso de la pieza impresa
- Alta resistencia: muchas aleaciones de aluminio tienen un límite elástico superior a 500 MPa.
- Excelente resistencia a la corrosión: capa exterior protectora de óxido
- Alta conductividad térmica - potencial de disipación del calor
- Buenas propiedades a temperaturas elevadas - hasta 300-400°C
- Conductor eléctrico: útil para aplicaciones electrónicas
- Bajo coste: menos caro que el titanio o las aleaciones de níquel.
- Reciclabilidad: los polvos pueden reutilizarse, lo que reduce los costes de material
Combinado con la libertad de diseño de la AM, el aluminio permite fabricar componentes más ligeros y con mejores prestaciones en todos los sectores. Los avances en la producción de polvo de aluminio permiten ampliar las capacidades para fabricar piezas densas que rivalizan con la metalurgia de fundición y forja.
Materiales en polvo de aleación de aluminio para AM
Las aleaciones de aluminio optimizadas para la fabricación aditiva utilizan la producción controlada de partículas de polvo junto con adiciones inteligentes de aleación para mejorar las propiedades.
Composiciones comunes de aleaciones de aluminio AM
| Aleación | Si% | Fe% | Cu% | Mn% | Mg% | Otros |
|---|---|---|---|---|---|---|
| AlSi10Mg | 9-11 | <1 | <0.5 | <0.45 | 0.2-0.45 | – |
| AlSi7Mg0,6 | 6-8 | <1 | <0.5 | <0.45 | 0.55-0.6 | – |
| Scalmalloy | 4-6 | 0.1-0.3 | <0,1 | <0,1 | 0.4-0.7 | Zr Sc |
| C35A | 3-5 | 0.6 | 3.0-4.0 | 0.2-0.7 | 0.25-0.8 | – |
| A20X | 3-5 | 0.6 | 3.5-4.5 | 0.2-0.8 | 0.05-0.5 | – |
El silicio es un reforzador común. Los oligoelementos como el Fe, el Cu y el Mg optimizan las propiedades. Aleaciones exclusivas como Scalmalloy® utilizan nanopartículas precipitadas de escandio-circonio para lograr resistencias ultraelevadas superiores a las de las aleaciones forjadas.
Características principales de las aleaciones de aluminio AM
| Aleación | Resistencia a la tracción | Densidad | Profundidad de penetración de la capa |
|---|---|---|---|
| AlSi10Mg | 400-440 MPa | 2,67 g/cc | 70-100 μm |
| AlSi7Mg0,6 | 420-500 MPa | 2,66 g/cc | 60-80 μm |
| Scalmalloy | Más de 550 MPa | 2,68 g/cc | 50-70 μm |
Las resistencias más elevadas limitan la profundidad de capa única alcanzable antes de requerir ciclos de refundición.
Especificaciones para fabricación aditiva de aluminio
Las características críticas del polvo, como la fluidez, la forma de las partículas y la pureza química, determinan la calidad del procesamiento del aluminio AM.
Normas de distribución de tamaños para el polvo de Al
| Medición | Especificación típica |
|---|---|
| Tamaños | 15 - 45 μm |
| Forma de las partículas | Mayormente esférico |
| Tamaño medio (D50) | 25-35 μm |
El estricto control de la distribución del tamaño de las partículas, la morfología y los niveles de contaminación garantiza la impresión de piezas densas y sin defectos.
Normas químicas para polvos de impresión de aluminio
| Elemento | Límite de composición |
|---|---|
| Oxígeno (O2) | 0,15% máx. |
| Nitrógeno (N2) | 0,25% máx |
| Hidrógeno (H2) | 0,05% máx |
Los límites de impurezas gaseosas evitan la porosidad extensa o los huecos internos en los componentes de aluminio impresos.
Procedimientos de postprocesamiento para fabricación aditiva de aluminio
Entre los métodos de postprocesado habituales para las piezas de aluminio fabricadas mediante aditivos se incluyen:
Técnicas de postprocesado de aluminio AM
Tratamiento térmico
Tratamiento térmico T6: ciclos de calentamiento y envejecimiento por disolución para mejorar la resistencia, la dureza y la ductilidad. Esencial para obtener el máximo rendimiento mecánico con muchas aleaciones de aluminio.
Acabado de superficies
El mecanizado, granallado o pulido de superficies exteriores proporciona precisión dimensional y un acabado superficial liso. El anodizado puede colorear y proteger las superficies de aluminio.
HIP (prensado isostático en caliente)
La alta temperatura + presión minimiza los huecos internos y la porosidad. Útil para aplicaciones en las que las fugas son críticas, pero supone un paso adicional en el proceso.
Mecanizado
Mecanizado CNC de características como superficies de apoyo de precisión o roscas en piezas AM de forma neta. Se consiguen reducciones de mecanizado de hasta 60% frente a la fabricación tradicional.
Técnicas de fabricación aditiva de aluminio
Las impresoras 3D de metal modernas aprovechan la fusión selectiva por láser, los haces de electrones o el chorro de aglutinante para construir componentes complejos de aluminio inalcanzables con los métodos convencionales.
Comparación de los procesos de aluminio AM
| Método | Descripción | Beneficios | Limitaciones |
|---|---|---|---|
| Fusión en lecho de polvo – Láser | El láser fusiona selectivamente regiones de un lecho de polvo metálico | Buena precisión, propiedades del material y acabado superficial | Velocidades de construcción relativamente lentas |
| Fusión en lecho de polvo: haz de electrones | Fusión por haz de electrones en alto vacío | Excelente consistencia, alta densidad | Opciones de material limitadas, coste de equipamiento elevado |
| Deposición directa de energía | Una fuente de calor focalizada funde el polvo metálico pulverizado | Componentes más grandes, reparaciones | Acabado superficial más pobre, limitaciones geométricas |
| Chorro aglomerante | Aglutinante inyectado para unir partículas de polvo | Velocidades de construcción muy rápidas, menor coste de equipamiento | Comportamiento mecánico más débil, necesidad de sinterización secundaria |
Los métodos de lecho de polvo basados en láser ofrecen actualmente las mejores capacidades generales para la mayoría de los componentes funcionales de aluminio.
Aplicaciones de piezas de aluminio AM
La ligereza, la alta resistencia y las características térmicas que permite el aluminio AM se adaptan a las exigencias de:
Industrias que utilizan piezas de aluminio fabricadas por adición
Aeroespacial - soportes, rigidizadores, intercambiadores de calor, componentes de UAV
Automoción - soportes personalizados, sistemas de transmisión, chasis y tren motriz
Industrial - robótica ligera y utillaje, creación de prototipos
Arquitectura - ornamentación, arte metálico personalizado
Consumidores - electrónica, productos personalizados
La AM de aluminio abre nuevas posibilidades de diseño perfectas para aplicaciones complejas de misión crítica.
Proveedores de polvos de impresión de aluminio
Los principales proveedores de materiales metálicos ofrecen polvos de aleación de aluminio de alta pureza optimizados específicamente para los procesos de fabricación aditiva:
Principales empresas de polvo de aluminio
| Empresa | Aleaciones comunes | Precio típico/Kg |
|---|---|---|
| AP&C | A20X, A205, aleaciones personalizadas | $55 – $155 |
| Sandvik Osprey | AlSi10Mg, AlSi7Mg0,6, Scalmalloy | $45 – $220 |
| Tecnología LPW | AlSi10Mg, Scalmalloy | $85 – $250 |
| Praxair | AlSi10Mg, AlSi7Mg0,6 | $50 – $120 |
Los precios varían en función de la aleación elegida, las especificaciones del tamaño del polvo, las cantidades de lote y las certificaciones requeridas.
PREGUNTAS FRECUENTES
¿Qué aleación de aluminio es la más adecuada para la fusión por láser en lecho de polvo AM?
AlSi10Mg ofrece la mejor imprimibilidad general, propiedades mecánicas y resistencia a la corrosión para la mayoría de las aplicaciones con impresión 3D en lecho de polvo láser de aleaciones de aluminio.
¿Qué distribución granulométrica se recomienda para los polvos de aluminio AM?
Una curva gaussiana con un tamaño medio entre 25-35 μm proporciona una densidad óptima del lecho de polvo y un comportamiento de fusión uniforme con las máquinas de fusión de lecho de polvo láser más comunes.
¿Por qué Scalmalloy se considera una aleación de aluminio avanzada?
Scalmalloy aprovecha una estructura uniforme reforzada por precipitación para obtener una resistencia inigualable, al tiempo que conserva un alargamiento y una tenacidad a la fractura decentes gracias a una novedosa composición que contiene escandio, inalcanzable con la metalurgia convencional del aluminio.
¿Debe utilizarse el tratamiento térmico tras la fabricación aditiva con aluminio?
Sí, el tratamiento térmico mejora la microestructura y las propiedades mecánicas de muchas aleaciones de aluminio AM. Un tratamiento T6 típico implica el calentamiento de la solución seguido de un envejecimiento artificial que da lugar a mejoras significativas de las propiedades gracias a los fenómenos de refuerzo por precipitación.
¿Qué acabados superficiales son posibles con las piezas de aluminio AM?
Tras algunas operaciones de mecanizado, esmerilado, lijado y/o pulido, se pueden alcanzar valores de rugosidad superficial (Ra) inferiores a 10 μm en componentes de aluminio fabricados por adición, dependiendo del proceso de AM utilizado. Un acabado más intensivo puede proporcionar superficies de espejo de calidad óptica. Los acabados más comunes incluyen el anodizado para mejorar las propiedades contra la corrosión o el desgaste, combinado con opciones de coloración.
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