Fabricación aditiva de polvo metálico: Una visión general

Fabricación aditivaLa impresión 3D utiliza polvos metálicos como materia prima para construir piezas y productos metálicos capa a capa. Las propiedades y características del polvo metálico tienen un impacto significativo en la calidad, las propiedades mecánicas, la precisión y el rendimiento de los componentes metálicos impresos en 3D. Este artículo ofrece una visión general de los polvos metálicos para la fabricación aditiva.

Tipos de polvos metálicos para la fabricación aditiva

Existen varios tipos de metales y aleaciones disponibles en forma de polvo para su uso en tecnologías de impresión 3D. Los polvos metálicos más utilizados son:

Tipos de polvos metálicos para la fabricación aditiva

La forma de las partículas, la distribución del tamaño, las características de flujo y la microestructura del polvo metálico pueden variar considerablemente en función del método de producción. Esto afecta a la densidad de empaquetamiento, la capacidad de dispersión y el comportamiento de sinterización durante la impresión 3D.

Métodos de producción de polvos metálicos

Existen varias técnicas de producción para fabricar polvos metálicos destinados a la fabricación aditiva:

Métodos de producción de polvo metálico

La atomización con gas y la atomización con agua son los métodos más comunes para producir polvos finos para los procesos de impresión 3D por fusión de lecho de polvo. La técnica de producción de polvo influye en la composición, la forma de las partículas, la porosidad, las características de flujo, la microestructura y el coste del polvo metálico.

Propiedades y características del polvo metálico

Las propiedades de los polvos metálicos utilizados en la fabricación aditiva desempeñan un papel fundamental a la hora de determinar la calidad final de la pieza, sus propiedades mecánicas, su precisión, su acabado superficial y su rendimiento. Algunas características clave son:

Propiedades del polvo metálico para la fabricación aditiva

Cumplir los estrictos requisitos de estas características del polvo es fundamental para conseguir alta densidad, buenas propiedades mecánicas y calidad para los componentes fabricados aditivamente.

Especificaciones del polvo metálico

Los polvos metálicos utilizados en la fabricación aditiva deben cumplir determinadas especificaciones en cuanto a composición, distribución del tamaño de las partículas, velocidad de flujo, densidad aparente y microestructura. Algunas especificaciones comunes de los polvos metálicos son:

Especificaciones típicas de los polvos metálicos para fabricación aditiva

La distribución de tamaños es crítica, con tamaños comunes de partículas D10, D50 y D90 entre 5-100 micras. Las distribuciones más ajustadas mejoran la densidad y la resolución del lecho de polvo. Normas como ASTM F3049, F3301 e ISO/ASTM 52921 especifican normas estrictas para las materias primas de polvo metálico utilizadas en la fabricación aditiva.

Aplicaciones de los polvos metálicos en la fabricación aditiva

Los polvos metálicos se utilizan en varias tecnologías de fabricación aditiva para imprimir piezas metálicas funcionales en diversos sectores:

Aplicaciones del polvo metálico en la fabricación aditiva

La fabricación aditiva con polvos metálicos es ideal para producir componentes complejos y personalizados con propiedades mecánicas y formas mejoradas que no son posibles con la fabricación convencional. La creciente gama de aleaciones metálicas disponibles sigue aumentando las aplicaciones en todos los sectores.

Análisis de costes de Polvos metálicos

El tipo de polvo metálico y la calidad requerida tienen un impacto significativo en el coste del material en la fabricación aditiva. Algunos costes típicos del polvo metálico son:

Precios de los polvos metálicos para fabricación aditiva

Los precios varían en función de la composición de la aleación, las características de las partículas, la calidad del polvo y el volumen de compra. Reducir el desperdicio de material reciclando el polvo no utilizado puede mejorar la rentabilidad de la impresión con aleaciones caras.

Desglose detallado de precios de los polvos metálicos

Los costes asociados a los polvos metálicos pueden suponer una parte significativa de los gastos totales en la fabricación aditiva. En esta sección se ofrecen más detalles sobre los rangos de precios actuales de diversas aleaciones metálicas:

Precios del polvo de aleación de titanio

La aleación Ti-6Al-4V más utilizada en aplicaciones aeroespaciales oscila entre $250-500/kg. Las aleaciones de titanio más avanzadas pueden costar más de $800/kg.

Precios del polvo de aleación de aluminio

Las aleaciones de aluminio suelen tener un precio de $80-150/kg, mientras que las composiciones especializadas y los polvos nanorreforzados tienen un precio superior, de $250-500/kg.

Precios del polvo de aleación de níquel

Las superaleaciones de níquel oscilan entre $120-800/kg en función de la composición de la aleación, las características de las partículas y el volumen de los pedidos a granel.

Los metales preciosos utilizados en joyería y productos sanitarios alcanzan precios muy elevados, de $1500-3000/kg para el oro, la plata y las aleaciones de platino.

Conocer los niveles de precios actuales de las aleaciones más comunes permite seleccionar con conocimiento de causa materiales rentables para aplicaciones específicas.

Precios del polvo de acero inoxidable

Los polvos de acero inoxidable oscilan entre $30-200/kg según el grado. Las aleaciones más especializadas y las composiciones con especificaciones más estrictas tienen precios más altos.

Precios del polvo de acero para herramientas

Los precios del polvo de acero para herramientas oscilan entre $80-250/kg en función de la dureza, la composición de la aleación y las características de las partículas.

Precios de la aleación de cobre en polvo

Los polvos de cobre y aleaciones de cobre utilizados por sus propiedades térmicas y eléctricas son $50-150/kg.

Precios de la aleación de cromo-cobalto en polvo

Las aleaciones de cobalto-cromo para uso médico oscilan entre $170-300/kg en función de la composición y las características de las partículas.

En general, los precios del polvo metálico varían mucho en función de la aleación, el método de producción, la calidad y el volumen de pedidos. Sin embargo, conocer los precios actuales del mercado es una guía útil para el diseño de productos y la selección de materiales para la fabricación aditiva.

En la fabricación aditiva, existen dos enfoques principales que utilizan materias primas de polvo metálico: los procesos de fusión de lecho de polvo y los procesos de deposición de energía dirigida. En esta sección se comparan los diferentes requisitos y características del polvo entre los enfoques de lecho de polvo y de polvo soplado.

Procesos de fusión en lecho de polvo

En los procesos de fusión de lecho de polvo, como el sinterizado selectivo por láser (SLS) y la fusión por haz de electrones (EBM), el polvo metálico se extiende en capas finas sobre una placa de impresión y se funde selectivamente capa a capa mediante una fuente de calor para fabricar una pieza. Algunas diferencias clave en las propiedades del polvo son:

Requisitos de polvo para la fusión de lechos de polvo

Los polvos esféricos atomizados por gas con distribución de tamaño controlada y buena fluidez son ideales para los procesos de AM por fusión de lecho de polvo.

Deposición de energía dirigida por polvo soplado

En las técnicas DED, como la conformación de redes por ingeniería láser (LENS) y la fabricación aditiva por haz de electrones (EBAM), el polvo metálico se inyecta directamente en un baño fundido creado por una fuente de calor láser o de haz de electrones. Diferencias clave entre polvo y lecho de polvo:

Requisitos para el polvo soplado DED

Con la DED de polvo soplado, los requisitos de la materia prima en polvo son más flexibles en comparación con los procesos de fusión de lecho de polvo. Una ventaja clave del DED es la posibilidad de utilizar métodos de producción de polvo más económicos.

Consideraciones sobre la calidad y el coste de la pólvora

En resumen, la fusión en lecho de polvo impone requisitos más estrictos a las características del polvo para evitar defectos y conseguir piezas de alta densidad. Esto suele requerir el uso de polvos atomizados con gas más caros. La DED de polvo soplado ofrece más flexibilidad para utilizar polvos más baratos, pero esto puede afectar a las propiedades mecánicas y a la precisión. El tamaño de la pieza, los requisitos de acabado superficial, el rendimiento mecánico y el presupuesto son factores clave a la hora de seleccionar un proceso de fabricación aditiva y una materia prima en polvo adecuados.

Fabricación aditiva de compuestos de matriz metálica

Los compuestos de matriz metálica (MMC) con refuerzos cerámicos son un área emergente en la fabricación aditiva basada en polvo. Esta sección ofrece una visión general de la impresión de MMC mediante fusión de lecho de polvo y deposición de energía dirigida por polvo soplado.

Fabricación aditiva de MMC mediante fusión en lecho de polvo

Refuerzos como carburos, boruros y óxidos pueden mezclarse con polvos de aleaciones metálicas para imprimir compuestos de matriz metálica reforzados con partículas con propiedades mejoradas:

Polvos MMC para fusión en lecho de polvo AM

Sin embargo, factores como la diferencia en los puntos de fusión, la escasa humectabilidad y la aglomeración de los refuerzos pueden causar defectos y dificultar la impresión de piezas MMC de alta calidad. Para imprimir con éxito MMC densos e isótropos mediante AM por fusión en lecho de polvo se necesitan refuerzos a nanoescala y parámetros de mezcla y dispersión de polvo adaptados.

Fabricación aditiva de MMC mediante polvo soplado DED

Los métodos de polvo soplado DED ofrecen ventajas para la impresión de MMC:

• Los refuerzos pueden inyectarse directamente en el baño de fusión evitando problemas de aglomeración
• La fusión y solidificación rápidas mejoran la distribución de la cerámica
• Pueden utilizarse partículas de mayor tamaño y fracciones de refuerzo más elevadas

Pero controlar el contenido de refuerzo en toda la altura de construcción y lograr una distribución uniforme sigue siendo un reto. Los sistemas híbridos de AM que combinan la fusión del lecho de polvo y el DED permiten imprimir metales de alta densidad, como el cobre, como una matriz continua mediante la fusión del lecho de polvo, mientras que los refuerzos cerámicos se inyectan simultáneamente para reforzar o endurecer regiones localmente.

En general, la fabricación aditiva permite fabricar componentes de MMC de formas complejas con composiciones y propiedades adaptadas localmente, lo que no es posible con la fabricación convencional de materiales compuestos. Sin embargo, el desarrollo de polvos como materia prima y de parámetros de impresión adaptados a sistemas metalocerámicos específicos es esencial para aprovechar todo el potencial de la impresión de MMC reforzados con partículas mediante AM.

Preguntas frecuentes sobre polvos metálicos para fabricación aditiva

He aquí las respuestas a algunas preguntas habituales sobre los polvos metálicos utilizados en los procesos de fabricación aditiva:

Preguntas frecuentes sobre polvos metálicos para AM

P: ¿Cuál es el polvo metálico más utilizado para la impresión 3D?

R: Las aleaciones de aluminio, en particular AlSi10Mg, son uno de los metales más populares para la AM basada en polvo en aplicaciones aeroespaciales, automovilísticas e industriales debido a su ligereza, resistencia a la corrosión y ventajas de coste frente a las aleaciones de titanio y níquel.

P: ¿Cuál es el polvo metálico más caro?

R: Los metales preciosos como el oro, la plata y el platino tienen los costes de material más elevados: $1500-3000 por kilogramo. Las aleaciones de titanio también son relativamente caras: más de $200/kg. Las superaleaciones de níquel oscilan entre $100-300/kg dependiendo de la composición.

P: ¿Cuál es la diferencia entre polvo metálico virgen y reciclado?

R: El polvo virgen es polvo recién producido que no se ha utilizado antes en la impresión. El polvo reciclado es polvo recuperado después de una impresión y reutilizado. El polvo reciclado puede ser 20-30% más barato, pero corre el riesgo de contaminación y cambios de propiedades después de múltiples ciclos de reutilización.

P: ¿Qué es fundamental para determinar la distribución del tamaño del polvo metálico?

R: Una distribución ajustada del tamaño de las partículas es fundamental para la fusión por fusión en lecho de polvo AM a fin de permitir un espesor de capa uniforme, una alta densidad de empaquetamiento, un buen flujo y una buena resolución. Las distribuciones típicas son D10: 20-40 micras, D50: 20-45 micras, D90 por debajo de 100 micras.

P: ¿Cómo afecta la humedad del polvo metálico a los procesos de AM?

R: La humedad absorbida en las partículas de polvo puede hacer que los polvos se apelmacen y dificulten el flujo. El exceso de humedad también provoca porosidad en las piezas impresas. La mayoría de los procesos requieren un contenido de humedad inferior a 0,2 wt% mediante secado.

P: ¿Qué papel desempeña la reciclabilidad del polvo en la AM?

R: El reciclaje del polvo no utilizado después de las impresiones reduce el desperdicio de material y el coste, especialmente en el caso de las aleaciones caras. Pero puede producirse contaminación tras la reutilización. Los procesos con atmósferas inertes o al vacío minimizan la oxidación y mejoran la reciclabilidad.

P: ¿Cómo se utilizan los polvos metálicos con distribuciones bimodales en AM?

R: Los polvos bimodales con dos fracciones distintas de polvo grueso y fino pueden mejorar la densidad de empaquetado y la resolución de impresión. El polvo más fino se empaqueta entre las partículas más grandes. Pero estos polvos requieren experiencia para garantizar una mezcla y manipulación adecuadas.

P: ¿Permite la AM el uso de polvos de menor calidad y más baratos que otros procesos?

R: La tecnología DED AM de polvo soplado puede utilizar polvos de menor coste procedentes de otros métodos de producción que pueden no cumplir las estrictas especificaciones para la fusión de lechos de polvo. Pero esto puede comprometer las propiedades mecánicas y la precisión frente a los polvos atomizados con gas.

Conclusión

En resumen, los polvos metálicos son una materia prima fundamental para fabricar componentes metálicos impresos en 3D mediante tecnologías de fabricación aditiva por fusión de lecho de polvo y deposición de energía dirigida. Las características y la calidad de la materia prima de los polvos metálicos ejercen una gran influencia en las propiedades, la precisión, el acabado superficial y el rendimiento de la pieza final en aplicaciones aeroespaciales, médicas, automovilísticas e industriales. Los principales métodos de producción son la atomización con gas y la atomización con agua. Los atributos clave del polvo, como la distribución del tamaño de las partículas, la morfología, la densidad aparente, las características de flujo y la microlimpieza, deben cumplir estrictas especificaciones para los procesos de AM y los requisitos de la pieza final. Los continuos avances en ingeniería, modelado y caracterización de polvos metálicos a medida serán fundamentales para liberar todo el potencial de la fabricación aditiva con metales.