SLM de fabricación aditiva

La fusión selectiva por láser (SLM) es un proceso de fabricación aditiva de metales que utiliza un láser para fundir polvo metálico en componentes totalmente densos. Esta guía examina la tecnología SLM, los sistemas, los materiales, las aplicaciones, las ventajas y las consideraciones a tener en cuenta a la hora de implementar la fabricación aditiva con SLM.

Introducción a la SLM de fabricación aditiva

La fusión selectiva por láser (SLM) es una técnica de fabricación aditiva por fusión de lecho de polvo que utiliza un láser de alta potencia para fundir y fusionar selectivamente partículas de polvo metálico capa por capa para construir piezas 3D totalmente densas directamente a partir de datos CAD.

Atributos clave de la tecnología SLM:

• Utiliza un rayo láser focalizado para fundir metales en polvo
• Añade material sólo donde sea necesario en cada capa
• Permite geometrías complejas inalcanzables mediante fundición o mecanizado
• Crea componentes metálicos con forma casi de red y alta densidad
• Los materiales incluyen aluminio, titanio, acero inoxidable, aleaciones
• Volúmenes de fabricación de piezas pequeños y medianos
• Ideal para piezas complejas de bajo volumen
• Elimina la necesidad de herramientas duras como moldes o matrices
• Reduce significativamente los residuos en comparación con los métodos sustractivos
• Permite diseños ligeros y la consolidación de piezas
• Permite mejoras funcionales con estructuras de ingeniería

Con sus capacidades, el SLM ofrece ventajas revolucionarias para el diseño de productos innovadores y la fabricación ajustada. Sin embargo, para dominar el proceso se requieren conocimientos especializados.

Cómo funciona la fabricación aditiva SLM

El proceso de producción SLM consiste en:

1. Extender y nivelar una fina capa de polvo metálico sobre una placa de impresión
2. Escaneado selectivo de un haz láser enfocado para fundir polvo
3. Bajar la plataforma de construcción y repetir la estratificación y la fusión
4. Retirada de piezas acabadas del lecho de polvo
5. Tratamiento posterior de las piezas según sea necesario: limpieza, tratamiento térmico, etc.

Controlar con precisión el láser, los patrones de escaneado, la atmósfera de la cámara y otros parámetros es fundamental para conseguir piezas metálicas densas y de alta calidad con SLM.

Los sistemas SLM constan de un generador láser, un sistema óptico de emisión del haz, un sistema de emisión de polvo, una cámara de fabricación, un sistema de manipulación de gas inerte y controles centrales. El rendimiento depende en gran medida de la ingeniería del sistema y del ajuste de los parámetros de fabricación.

Fabricantes de equipos SLM

Entre los principales proveedores mundiales de sistemas de fabricación aditiva SLM se encuentran:

La selección del sistema depende de las necesidades de tamaño de fabricación, los materiales, la calidad, el coste y la asistencia técnica. Se recomienda asociarse con un proveedor de soluciones SLM experimentado para evaluar adecuadamente las opciones.

Características del proceso SLM

La SLM implica complejas interacciones entre diversos parámetros del proceso. He aquí algunas características clave:

Láser - Potencia, longitud de onda, modo, velocidad de barrido, distancia entre escotillas, estrategia

Polvo - Material, tamaño de las partículas, forma, velocidad de alimentación, densidad, fluidez, reutilización

Temperatura - Precalentamiento, fusión, enfriamiento, tensiones térmicas

Atmósfera - Tipo de gas inerte, contenido de oxígeno, caudales

Placa de construcción - Material, temperatura, revestimiento

Estrategia de exploración - Patrón de trama, rotación, contornos de bordes

Admite - Minimización, interfaz, eliminación

Tratamiento posterior - Tratamiento térmico, HIP, mecanizado, acabado

Comprender las relaciones entre estos parámetros es esencial para conseguir piezas sin defectos con propiedades mecánicas optimizadas.

Directrices de diseño de piezas SLM

El diseño adecuado de la pieza es fundamental para el éxito de la fabricación aditiva SLM:

• Diseñar teniendo en cuenta los principios de la AM frente a los métodos convencionales
• Optimizar las geometrías para reducir el peso, el uso de materiales y mejorar el rendimiento
• Minimizar la necesidad de soportes mediante ángulos autoportantes
• Permitir regiones de interfaz de apoyo en el diseño
• Orientar las piezas para reducir tensiones y evitar defectos
• Tener en cuenta los efectos de la contracción térmica en las características
• Diseño de canales interiores para eliminar el polvo no fundido
• Abordar posibles alabeos en voladizos o secciones delgadas
• Diseño de acabados superficiales teniendo en cuenta la rugosidad de la obra
• Considerar los efectos de las líneas de capa en el rendimiento a la fatiga
• Diseño de la interfaz de fijación para retirar piezas del lecho de polvo
• Minimizar los volúmenes atrapados de polvo sin sinterizar

El software de simulación ayuda a evaluar las tensiones y deformaciones en piezas SLM complejas antes de la impresión.

Opciones de materiales SLM

Con la tecnología SLM pueden procesarse diversas aleaciones, y las propiedades finales del material dependen de los parámetros:

La elección de aleaciones compatibles y el ajuste de parámetros de fabricación cualificados son esenciales para lograr el rendimiento requerido del material.

Principales aplicaciones de SLM

SLM permite transformar las capacidades en todos los sectores:

Las ventajas frente a la fabricación convencional incluyen:

• Capacidad de personalización masiva
• Menor tiempo de desarrollo
• Libertad de diseño para aumentar el rendimiento
• Consolidación y aligeramiento de piezas
• Eliminar el uso excesivo de material
• Consolidación de la cadena de suministro

Es necesario validar cuidadosamente el rendimiento mecánico cuando se utilizan piezas SLM en aplicaciones críticas.

Pros y contras de Fabricación aditiva SLM

Ventajas:

• Libertad de diseño gracias al proceso aditivo
• Complejidad conseguida sin mayores costes
• Elimina la necesidad de herramientas duras como moldes o matrices
• Consolida los subconjuntos en componentes individuales
• Aligeramiento a partir de estructuras orgánicas de topología optimizada
• Personalización y producción de bajo volumen
• Reducción del tiempo de desarrollo frente a la fundición/mecanizado
• Alta relación resistencia-peso gracias a microestructuras finas
• Minimiza en gran medida el desperdicio de material frente a los procesos sustractivos
• Producción justo a tiempo y descentralizada
• Reducción del plazo de entrega de las piezas y del inventario

Limitaciones:

• Menor volumen de fabricación que otros procesos de AM metálica
• Menor precisión y acabado superficial que el mecanizado CNC
• Selección limitada de aleaciones cualificadas en comparación con la fundición
• Pruebas y errores significativos para optimizar los parámetros de construcción
• Propiedades anisótropas de los materiales por acumulación capa a capa
• Posibilidad de tensiones residuales y defectos de agrietamiento
• Dificultades de eliminación de polvo de geometrías internas complejas
• A menudo requiere un tratamiento posterior para conseguir las propiedades finales
• Mayor coste del equipo que la impresión 3D de polímeros
• Se necesitan instalaciones especiales y manipulación de gases inertes

Cuando se aplica adecuadamente, la SLM permite alcanzar un rendimiento sin precedentes, imposible por otros medios.

Implantación de la fabricación aditiva SLM

Los pasos clave a la hora de adoptar la tecnología SLM incluyen:

• Identificación de aplicaciones adecuadas en función de las necesidades
• Confirmación de la viabilidad de la SLM para los diseños elegidos
• Desarrollo de protocolos rigurosos de cualificación de procesos
• Invertir en equipos SLM adecuados
• Experiencia en procesos de lecho de polvo metálico
• Establecer procedimientos estrictos de calidad del material
• Dominio del desarrollo y la optimización de parámetros
• Aplicación de métodos sólidos de postprocesamiento
• Calificación de las propiedades mecánicas de los componentes acabados

Un plan de introducción metódico centrado en aplicaciones de bajo riesgo minimiza los escollos a la hora de añadir capacidades de aditivos SLM. Asociarse con empresas de servicios de SLM o fabricantes de equipos originales con experiencia proporciona acceso a los conocimientos.

Análisis de costes de la producción de SLM

Los aspectos económicos de la producción de SLM implican:

• Alto coste del equipo de la máquina
• Mano de obra para el montaje, el procesamiento posterior y el control de calidad
• Costes de las materias primas de polvo metálico adecuadas
• Acabado de piezas: mecanizado, taladrado, desbarbado, etc.
• Gastos generales - instalaciones, gas inerte, mantenimiento
• Desarrollo inicial del proceso por ensayo y error
• Los costes disminuyen con la experiencia y el volumen de producción
• Se vuelve económico con volúmenes en torno a 1-500 unidades
• Proporciona la mayor ventaja en costes para geometrías complejas

Se recomienda elegir aleaciones cualificadas de proveedores reputados para evitar defectos. Asociarse con un proveedor de servicios ofrece una vía de adopción más rápida y de menor riesgo.

SLM comparado con otros procesos

Cada proceso ofrece ventajas específicas en función de los requisitos de la aplicación, el tamaño del lote, los materiales y las necesidades de rendimiento.

Perspectivas de futuro de la fabricación aditiva SLM

El SLM está preparado para un crecimiento significativo en los próximos años impulsado por:

• Ampliación continua de materiales con mayor disponibilidad de aleaciones
• Mayores volúmenes de construcción que permiten la producción a escala industrial
• Acabados superficiales mejorados y tolerancias más estrictas
• Mayor fiabilidad y productividad del sistema
• Nuevos sistemas híbridos que integran el mecanizado CNC
• El descenso de los costes mejora la viabilidad
• Otros algoritmos de optimización y simulación
• Eliminación automática de soportes y postprocesamiento
• Crecimiento de piezas cualificadas para industrias reguladas
• Avance continuo de los diseños de alta complejidad

La tecnología SLM se generalizará en una gama cada vez más amplia de aplicaciones en las que sus capacidades ofrecen una clara ventaja competitiva.

Preguntas frecuentes

¿Qué materiales se pueden procesar con la tecnología SLM?

Se suelen procesar titanio, aluminio, aceros inoxidables, aceros para herramientas, aleaciones de níquel y cromo-cobalto.

¿Qué grado de precisión tiene el SLM?

La precisión típica es de ±0,1-0,2%, con una resolución mínima de ~100 micras.

¿Cuál es el coste de los sistemas SLM?

Los equipos de SLM oscilan entre $300.000 y $1.000.000+ en función del tamaño, las capacidades y las opciones.

¿Qué tipos de postprocesamiento son necesarios?

Puede utilizarse tratamiento térmico, HIP, acabado superficial y/o mecanizado. También es necesario eliminar los soportes.

¿Qué industrias utilizan la fabricación aditiva SLM?

Los sectores aeroespacial, médico, automovilístico, industrial y de defensa son los primeros en adoptar la SLM.

¿Con qué materiales no funciona bien la SLM?

Los metales altamente reflectantes, como el cobre o el oro, siguen siendo un reto. Las propiedades de los materiales de algunas aleaciones aún no se conocen.

¿Qué acabados superficiales se pueden conseguir?

La rugosidad superficial de la SLM tal como se fabrica oscila entre 5 y 15 micras Ra. El acabado puede mejorarla aún más.

¿Qué tamaño de piezas se pueden fabricar con SLM?

Los volúmenes de fabricación estándar son de hasta 500 mm x 500 mm x 500 mm. Las máquinas más grandes admiten componentes de mayor tamaño.

¿Es adecuada la SLM para piezas de producción final?

Sí, la SLM se utiliza cada vez más para componentes de producción final, con ejemplos en las industrias aeroespacial y médica.

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