fabricación aditiva polvo metálico

Fabricación aditivaLa impresión 3D está revolucionando la producción en todos los sectores. Uno de los materiales clave que lo hace posible es el polvo metálico. El rápido crecimiento de la fabricación aditiva hace esencial conocer los polvos metálicos.

Cuando pensamos en la impresión 3D sobre metal, es fácil centrarse en las alucinantes impresoras. Sin embargo, nada de esto funciona sin polvo metálico de alta calidad. Este polvo sirve de "tinta" para imprimir capa a capa piezas metálicas complejas.

Pero, ¿en qué consiste un buen polvo metálico? ¿Qué tipos se utilizan hoy en día? ¿Y por qué es importante? Esta guía analiza en profundidad todo lo que necesita saber.

Polvo metálico 101

En primer lugar, ¿qué es exactamente el polvo metálico? En pocas palabras, es un material metálico fino en forma de polvo que se utiliza como materia prima base para la impresión 3D de componentes metálicos.

Sé lo que puede estar pensando... ¡el polvo metálico parece más un experimento químico que un material de ingeniería! Pero el tamaño de las partículas y su consistencia no son una casualidad. Los polvos metálicos para AM se diseñan cuidadosamente siguiendo estrictas especificaciones.

Esto proporciona a las impresiones la integridad de material necesaria para obtener piezas robustas en el mundo real. Ahora vamos a descifrar las características críticas que distinguen a los polvos de impresión metálica de calidad.

Fabricación aditiva Tipos de polvo metálico

Muchos metales y aleaciones pueden convertirse en polvos finos y uniformes para la fabricación aditiva. Pero hasta ahora solo se han utilizado algunos de ellos.

He aquí un desglose de los polvos metálicos más comunes en la impresión 3D actual:

El titanio y el aluminio se utilizan mucho en piezas aeroespaciales y de automoción, donde el ahorro de peso es importante. El acero inoxidable cubre una amplia gama de aplicaciones que requieren buenas propiedades físicas. Las aleaciones exóticas, como el cromo-cobalto y las aleaciones de níquel, se utilizan en aplicaciones médicas especializadas o a altas temperaturas. Y los aceros para herramientas son ideales para utillajes industriales, moldes y matrices que requieren una gran resistencia al desgaste tras el tratamiento térmico.

Veamos ahora con más detalle los detalles de la pulvimetalurgia.

Composición del polvo metálico

Como ya hemos dicho, los polvos metálicos contienen metales base puros o aleaciones metálicas en forma de partículas esféricas muy finas. ¿Qué ocurre con la composición de las partículas? Generalmente, los polvos se clasifican en estas categorías:

• Prealeaciones: Partículas homogéneas con química interna uniforme en cada grano de polvo
• Aleaciones mixtas: Mezclas físicas de diferentes polvos metálicos puros en proporciones específicas para lograr la química deseada tras la impresión.
• Aleaciones híbridas: Las partículas contienen algunas secciones de un metal o aleación mezcladas con secciones de otra composición dentro de cada grano de polvo

Las prealeaciones garantizan la coherencia, ya que cada partícula tiene propiedades idénticas. Sin embargo, las aleaciones mezcladas permiten más flexibilidad para crear materiales personalizados. En realidad, la mayoría de los polvos de impresión de metales que se utilizan hoy en día son prealeaciones. Pero los polvos mezclados e híbridos añaden capacidades únicas.

Características principales del polvo metálico

Pasemos ahora al meollo de la cuestión. ¿Qué es exactamente lo que hace que un polvo metálico sea adecuado para la impresión 3D? Resulta que las características del polvo son realmente importantes, ya sea para la impresión por fusión en lecho de polvo o por deposición de energía dirigida. He aquí las más importantes:

Tamaño de las partículas: El polvo de metal en bruto comienza en torno a 1-100 micras y luego se clasifica en rangos de tamaño inferiores a 45 micras para la compatibilidad con AM. Las bandas más comunes son 0-10, 10-45 o 10-30 micras.

Forma de las partículas: Las partículas esféricas y fluidas imprimen mejor que los copos irregulares. Los polvos deben fluir bien sin pegarse.

Distribución del tamaño de las partículas: Una distribución estrecha con un mínimo de satélites y finos garantiza impresiones homogéneas. Las normas exigen curvas gaussianas con 95% entre los tamaños designados más pequeños y más grandes.

Densidad aparente: Las densidades superiores a 50% de la densidad sólida de un material imprimen mejor debido a la física del lecho de polvo. Los valores oscilan entre 30 y 80%, aunque dependen de la composición.

Densidad del grifo: Prueba que mide el cambio de densidad bajo vibración. Una densidad de grifo elevada por encima de 65% indica un mejor empaquetado y esparcimiento.

Caudal: Indicador clave de la capacidad de dispersión del polvo, con una escala de 1 (muy cohesivo) a 10 (fluido). La mayoría de los polvos metálicos AM se sitúan entre 3 y 6, siendo mejor cuanto más alto sea.

Existen métricas más avanzadas, como la relación de Hausner, el índice de Carr y la densidad de Scott, que se utilizan para caracterizar el flujo y las interacciones entre partículas que influyen en la calidad. Pero, ¿qué podemos hacer con todas estas estadísticas crípticas del polvo? Aclaremos a continuación cómo se traducen estas propiedades en una mejor impresión metálica en el mundo real.

Por qué son importantes las propiedades del polvo metálico

A primera vista, la importancia de todas estas características del polvo granulado puede no resultar obvia. Al fin y al cabo, ¿no son las nuevas y relucientes impresoras las que hacen todo el trabajo real?

En resumen: ¡el polvo importa más de lo que imaginas! He aquí por qué:

• La dispersión del polvo en las impresoras depende de la dinámica del flujo y del comportamiento de empaquetamiento. Las partículas que se esparcen bien y se empaquetan densamente permiten capas de impresión más finas para obtener mayor precisión y acabados superficiales.
• El tamaño de las partículas influye directamente en la resolución mínima de las características. Las partículas más pequeñas, en torno a las 10 micras, manejan mejor los detalles intrincados. Los nano polvos ultrafinos de menos de 1 micra pueden producir resoluciones extremadamente altas.
• La distribución uniforme del tamaño de las partículas evita que defectos como la porosidad o el agrietamiento debidos a la segregación de partículas interfieran en las impresiones densas.
• Las partículas esféricas se fusionan mejor entre las capas de impresión, ya que se empaquetan firmemente y se funden de manera uniforme tras la exposición al láser o al haz de electrones durante la impresión.
• La densidad aparente indica la cantidad de material sólido que reside en un determinado volumen de polvo. A mayor densidad, más contenido metálico real entra en juego durante la impresión.

En otras palabras, ¡un polvo de calidad se traduce en impresiones de calidad! Veamos ahora cómo se producen realmente los polvos con propiedades ajustadas intencionadamente para la fabricación aditiva.

Producción de polvo metálico

La transformación de materias primas en polvos esféricos de precisión de menos de 45 micras es un arte y una ciencia en sí misma. Entre las técnicas especializadas de producción de polvo para AM metálica se incluyen:

• Atomización de gas: Chorro de aleación metálica fundida con gas inerte a alta presión para romperla en finas gotitas que se solidifican en polvo. Es el método más común para obtener pequeñas partículas esféricas ideales para la impresión.
• Atomización del agua: Utiliza un chorro de agua para atomizar el metal fundido y convertirlo en polvo. Menor coste, pero limitado para materiales reactivos como el titanio o el aluminio.
• Atomización por plasma: Utilizar la antorcha de plasma para atomizar aleaciones con puntos de fusión extremadamente altos más allá de las capacidades de atomización con gas.
• Fusión por inducción de electrodos: Fundir y evaporar repetidamente el extremo de una varilla metálica en atmósfera inerte para que las gotas se solidifiquen y se conviertan en polvo. Fuente más barata de aleaciones especializadas.
• Desgaste mecánico: Moler físicamente la materia prima metálica en forma de polvo mediante molienda de bolas u otros métodos de pulverización. El menos preferido debido a la forma no esférica de las partículas.
• Electrólisis: Extraer eléctricamente metales reactivos puros, como el titanio, de sales fundidas para convertirlos en polvo. Fuente de polvos de impresión reactivos especiales.
• Reducción química: Producir polvos metálicos como el níquel mediante reacciones químicas y precipitación a partir de soluciones acuosas.

El siguiente gráfico compara de un vistazo cada una de las técnicas modernas de producción de pólvora:

Con una visión general de los métodos de fabricación de polvo en nuestro haber, ahora vamos a examinar el panorama de los polvos metálicos comerciales diseñados específicamente para la fabricación aditiva.

Proveedores de polvo metálico

En la actualidad, un gran número de proveedores profesionales ofrecen una gama cada vez mayor de polvos metálicos especializados en AM. Sin embargo, la calidad puede variar mucho de un proveedor a otro.

A la hora de evaluar las fuentes de polvo metálico, hay que tener en cuenta otras ventajas además de las especificaciones básicas:

• Producción propia de polvo integrada verticalmente para el control de calidad
• Gama de materiales disponibles, incluidas aleaciones personalizadas
• I+D de nuevas aleaciones no disponibles en otros lugares
• Producción de lotes personalizados a escala frente a la mezcla a la carta
• Servicios de ensayo de polvos y capacidad de muestreo
• Opciones de almacenamiento y transporte seguros
• Programas de recompra o reciclaje

Teniendo en cuenta estos consejos para el comprador, a continuación se enumeran los principales proveedores mundiales de polvos metálicos de calidad profesional para la AM:

Una vez cubiertos los principales proveedores mundiales, también están surgiendo pequeñas empresas especializadas en la fabricación de polvo. A menudo se centran en aleaciones muy especializadas que utilizan técnicas de fabricación especiales que no están disponibles en los grandes proveedores.

Y las principales empresas de materiales, como Aubert & Duval, GKN Powder Metallurgy, Rio Tinto Metal Powders y otras, también apoyan la AM. Consulte también a nivel local, ya que las tiendas regionales están en expansión. La cadena de suministro de polvo metálico tiene algo para todos.

Costes del polvo metálico

Hemos estudiado una serie de polvos metálicos avanzados fabricados específicamente para la impresión. Pero, ¿cuánto cuesta realmente un polvo AM de calidad? He aquí algunas cifras aproximadas:

• Acero inoxidable 316L: $50-120 por kg
• Aluminio AlSi10Mg: $70-150 por kg
• Titanio Ti64: $200-500 por kg
• Inconel 718: $80-220 por kg
• Cromo cobalto: $130-350 por kg
• Acero para herramientas H13: $50-150 por kg

Por supuesto, los precios de mercado fluctúan en función de la oferta y la demanda. Sin embargo, la consistencia de la impresión es superior a la de los polvos metálicos en bruto utilizados en la pulvimetalurgia tradicional de prensado y sinterización. Se obtiene lo que se paga.

Normas sobre polvo metálico

Con tantas propiedades críticas del polvo para la fabricación aditiva, las normas desempeñan un papel importante. Grupos como ASTM International, ISO y ASME están publicando una lista cada vez mayor de especificaciones para el polvo metálico:

• ASTM F3049: Guía estándar para la caracterización de polvos metálicos utilizados en AM
• ASTM F3056: Especificación para polvos de aleación de níquel de fabricación aditiva
• ASTM F3301: Especificación para polvos de acero inoxidable de fabricación aditiva
• ISO/ASTM 52921: Terminología estándar para la fusión de lecho de polvo AM
• ISO/ASTM TS 52900: Fabricación aditiva - Principios generales - Requisitos de las piezas AM adquiridas
• ASME MSFC-Spec-3717: Especificación para polvo de aleación de titanio atomizado con gas

Estos documentos proporcionan métodos de ensayo y criterios de aceptación coherentes para las propiedades críticas del polvo. Las normas siguen evolucionando con más materiales y procesos en el horizonte. Pero ya establecen líneas de base para la calidad y la coherencia.

Almacenamiento y manipulación de polvo metálico

Los polvos metálicos pueden ser reactivos, por lo que un almacenamiento y manipulación adecuados evitan su degradación antes de la impresión. Algunas medidas clave son:

• Almacenar en recipientes herméticos en atmósfera inerte de argón o nitrógeno
• Utilice recipientes no reactivos, como los de acero inoxidable, frente a los de plástico.
• Limitar las temperaturas extremas durante el transporte y el almacenamiento
• Asegúrese de que los contenedores disponen de mecanismos de conexión a tierra
• Evitar la humedad VISIBLE que provoca apelmazamiento y oxidación
• Manipulación en atmósferas sin oxígeno, como cajas de guantes
• Utilizar controles de peligrosidad, ya que los polvos pueden combustionar con el aire.

Los equipos de protección específicos para cada tarea, como guantes, ropa y máscaras disipadores de electricidad estática, garantizan la seguridad de los operarios. Además, las salas o contenedores para materiales de producción peligrosos (HPM) ofrecen zonas seguras de almacenamiento de polvo in situ antes de cargar las impresoras.

Tratar los polvos metálicos con cuidado garantiza altos índices de reutilización y menos residuos.

Reciclaje de polvo metálico

Reutilizar el polvo usado tras la impresión tiene enormes ventajas económicas y medioambientales. Los sistemas de recogida filtran y mezclan el polvo usado con las existencias frescas para volver a entrar en producción.

Dado que el polvo metálico representa hasta un 30-50% de los costes de las piezas en AM, el reciclaje supone un gran ahorro. Algunas de las mejores prácticas son:

• Utilizar sistemas de aspiración integrados en las impresoras para recoger el exceso de pulverización
• Tamizar el polvo usado para eliminar impurezas grandes como salpicaduras
• Mezcla de polvo reciclado en proporciones controladas con existencias vírgenes
• Realizar controles de calidad de las mezclas recicladas para comprobar la viabilidad de su reutilización.
• Busque rendimientos decrecientes tras múltiples ciclos de reutilización
• Refinar químicamente o reatomizar el polvo degradado cuando sea necesario

En fabricación aditiva continúa su explosiva expansión, el reciclaje de polvos metálicos es crucial para el crecimiento. Es un pilar clave de la sostenibilidad en la industria de la impresión 3D de cara al futuro.

El futuro del desarrollo del polvo metálico

Los polvos metálicos hicieron posible la revolución de la impresión 3D. Y los continuos avances en los polvos también servirán de apoyo a las aplicaciones de nueva generación. Entre las áreas de I+D más activas en la actualidad se encuentran:

• Nuevas aleaciones: Las nuevas químicas amplían las propiedades de los materiales más allá de la metalurgia convencional
• Nano polvos: Partículas submicrónicas ultrafinas para una resolución extrema
• Polvos híbridos: Mezclas compuestas de metal, cerámica y polímeros con cualidades mejoradas
• Modificación del polvo: Recubrimientos y tratamientos para mejorar la fluidez o la reactividad
• Caracterización: Metrología y pruebas mejoradas para el control de calidad
• Reciclaje: Mayor capacidad de reutilización y recuperación

Desde las pequeñas empresas emergentes hasta las mayores firmas de materiales, las inversiones masivas siguen mejorando los polvos de AM. Esto significa que en el horizonte se vislumbran más aplicaciones de impresión capaces de aprovechar estos polvos.

PREGUNTAS FRECUENTES

¿Cuál es la principal ventaja de los polvos metálicos AM frente a los polvos metálicos convencionales?

Los polvos AM se centran en características como la forma de las partículas, la distribución del tamaño y las propiedades de flujo para permitir la impresión frente a la mera composición para su uso en prensa y sinterización.

¿Cómo se consiguen polvos metálicos de AM esféricos con distribuciones de tamaño ajustadas?

La atomización por gas y plasma de aleaciones fundidas en condiciones cuidadosamente controladas proporciona una consistencia precisa de las partículas.

¿Siempre es necesario el postratamiento de las piezas metálicas fabricadas aditivamente antes de su uso? ¿En qué consiste?

Postprocesos como el prensado isostático en caliente (HIP) y el tratamiento térmico densifican las impresiones y mejoran las propiedades mecánicas modificando las microestructuras. A menudo también es necesario el acabado superficial.

¿Cuáles son los polvos de aleaciones metálicas más utilizados en aplicaciones de impresión biomédica y por qué?

Los polvos de titanio y cromo-cobalto son frecuentes gracias a su excelente biocompatibilidad. El acero inoxidable también se utiliza cuando el coste es importante, como en los instrumentos quirúrgicos.

¿Cuánto pesa un contenedor de polvo de impresión metálico común, como AlSi10Mg o acero inoxidable 316L? ¿Y cómo se envía?

Los contenedores suelen transportar cargas de 10-30 kg en palés bajo atmósferas protectoras como el argón. Las muestras pequeñas pueden enviarse en bolsas selladas al vacío. No obstante, siga siempre las precauciones de seguridad.

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