Fabricación aditiva de aluminio
Índice
Panorama de la fabricación aditiva de aluminio
Fabricación aditiva de aluminio, también conocido como aluminio impreso en 3D, se refiere al proceso de creación de piezas de aluminio capa a capa mediante tecnologías de impresión 3D. Permite crear geometrías complejas y piezas de aluminio personalizadas sin necesidad de recurrir a los métodos de mecanizado tradicionales.
Algunos detalles clave sobre la fabricación aditiva de aluminio:
- Se utiliza en sectores como el aeroespacial, automoción, médico y productos de consumo para prototipos, herramientas y piezas de uso final.
- Proporciona libertad de diseño, reduce el peso y consolida los ensamblajes en una sola pieza.
- Produce piezas de aluminio resistentes y duraderas con propiedades de material similares a las de la fabricación tradicional.
- Utiliza tecnologías de impresión 3D de metales como la fusión de lecho de polvo, la deposición de energía dirigida
- Se suelen utilizar aleaciones de aluminio como AlSi10Mg, Scalmalloy, Al6061
- Post-procesamiento como prensado isostático en caliente, mecanizado CNC necesario para conseguir la calidad final de la pieza.
Tipos de equipos de fabricación aditiva de aluminio
| Tipo de equipo | Descripción | Materiales | Tamaño del edificio | Precisión | Acabado superficial | Coste |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Cama de polvo Fusion | Utiliza un láser o un haz de electrones para fundir y fusionar selectivamente capas de polvo metálico. | Aleaciones de aluminio, titanio, aceros, superaleaciones | Pequeña a mediana | Alta (hasta 0,1 mm) | Áspero como impreso, bueno después del mecanizado | Alta (>1 máquinaTP4T500K) |
| Deposición de energía dirigida | Enfoca una fuente de energía, como un rayo láser o de electrones, en puntos específicos mientras se añade polvo de metal de relleno para construir la pieza. | Aleaciones de aluminio, titanio, aceros, superaleaciones | Mediana a grande | Media (0,5 mm a 1 mm) | Áspero como impreso, justo después del mecanizado | Alta (>1 máquinaTP4T500K) |
| Chorro aglomerante | Une el polvo metálico mediante un agente adhesivo líquido, sinteriza la pieza tras la impresión | Aleaciones de aluminio, aceros | Medio | Media (0,5 mm a 1 mm) | Áspero (requiere aleación infiltrante) | Inferior (máquina $150K a $300K) |
Aplicaciones de la fabricación aditiva de aluminio
| Industria | Ejemplos de aplicación | Beneficios |
|---|---|---|
| Aeroespacial | Piezas de motores de aviones y cohetes, soportes, estructuras de apoyo | Aligeramiento, geometrías personalizadas |
| Automoción | Soportes a medida, intercambiadores de calor, plantillas y accesorios | Ensamblajes consolidados, prototipado rápido |
| Médico | Cofias dentales, implantes ortopédicos, instrumental quirúrgico | Biocompatible, tallaje personalizado |
| Productos de consumo | Monturas de drones, artículos deportivos, accesorios de moda | Producción de tiradas cortas, iteración rápida del diseño |
| Herramientas | Moldes de inyección, plantillas, dispositivos, calibres | Más rápido y barato que el utillaje tradicional |
Especificaciones de la fabricación aditiva de aluminio
| Parámetro | Detalles |
|---|---|
| Materiales | Aleaciones de aluminio: AlSi10Mg, Al6061, Scalmalloy, aleaciones a medida |
| Tamaños de las piezas | Hasta 500 mm x 500 mm x 500 mm para fusión de lecho de polvo <br> 1m x 1m x 1m para deposición de energía dirigida |
| Resolución de capas | De 20 micras a 100 micras típicas |
| Acabado superficial | Como impreso: Ra 10-25 micras <br> Mecanizado: Ra 0,4 - 6,3 micras |
| Propiedades mecánicas | Resistencia a la tracción: 330-470 MPa <br> Límite elástico: 215-350 MPa <br> Alargamiento a la rotura: 3-8% |
| Precisión | ± 100 micras para fusión en lecho de polvo <br> ± 300 micras para chorro de ligante <br>± 500 micras para deposición de energía dirigida |
| Normas de diseño | ISO/ASTM 52900: Requisitos de diseño para la fabricación aditiva <br> ISO/ASTM 52921: Norma para el proceso de fusión de lechos de polvo metálico |
Proveedores y costes de la fabricación aditiva de aluminio
| Proveedor | Marcas de equipos | Coste medio de las piezas |
|---|---|---|
| Sistemas 3D | DMP, Figura 4 | $8-$12 por cm3 |
| EOS | Serie EOS M | $6-$10 por cm3 |
| Aditivos GE | Concept Laser M2, X Line 2000R | $8-$15 por cm3 |
| Velo3D | Velo3D Zafiro | $20+ por cm3 |
Los costes de las piezas dependen de la velocidad de fabricación, los materiales utilizados, la complejidad geométrica, las necesidades de postprocesado y la cantidad de los pedidos. En general, la fabricación aditiva de aluminio permite ahorrar costes en la producción de bajo volumen, normalmente menos de 10.000 unidades.
Requisitos de la instalación de fabricación aditiva de aluminio
| Parámetro | Requisitos |
|---|---|
| Tipo de instalación | Instalaciones dedicadas a la AM de metales con control climático y estaciones de manipulación de polvos |
| Fuente de alimentación | De 200 V a 480 V, de 30 a 150 kW, de 30 a 70 A por máquina |
| Suministro de gas | Argón, nitrógeno para la fusión del lecho de polvo <br> Argón para deposición de energía dirigida |
| Sistemas de escape | Sistemas de extracción de humos, filtros HEPA para partículas en polvo |
| Software | CAD, software de control de máquinas de AM como Materialise Magics, Autodesk Netfabb |
| Tratamiento posterior | Prensa isostática en caliente, cabina de granallado, mecanizado CNC |
Para la fabricación aditiva de metales se recomienda un entorno limpio y a temperatura controlada, entre 15 y 30 °C. También deben preverse instalaciones adecuadas para el almacenamiento, la manipulación y la gestión de residuos del polvo.
Funcionamiento y mantenimiento de la fabricación aditiva de aluminio
| Actividades | Frecuencia |
|---|---|
| Calibración | Comprobaciones diarias de la potencia del láser, calibración trimestral |
| Gestión del material | Control del polvo Análisis granulométrico, morfología trimestral |
| Servicio de equipos | Limpieza de la óptica y los filtros, de diaria a semanal <br> Sustitución de consumibles como escobillas, filtros <br> Mantenimiento preventivo según el programa OEM |
| Actualizaciones de software | Actualizaciones periódicas de firmware y software |
| Mantenimiento de las instalaciones | Compruebe los sistemas de calefacción, refrigeración y escape <br> Estaciones de manipulación de polvo limpias |
La limpieza diaria de los equipos y la supervisión de todos los sistemas son fundamentales. Es obligatoria la formación del personal y el uso de EPI para la manipulación de polvos metálicos. Siga las directrices del OEM para el mantenimiento preventivo y la calibración.
Elección de un socio de fabricación aditiva de aluminio
Al seleccionar un proveedor de servicios AM para piezas de aluminio, tenga en cuenta lo siguiente:
- Experiencia en procesos AM: busque años en el negocio, estudios de casos en aluminio específicamente.
- Materiales y capacidades de postprocesado: aleaciones de aluminio, HIP, tratamientos térmicos, mecanizado
- Certificaciones de calidad - ISO 9001, ISO/IEC 17025, Nadcap
- Experiencia en diseño: ¿pueden optimizar las piezas para la AM?
- Equipos instalados: máquinas modernas y bien mantenidas
- Equipos de postprocesado: ¿de qué disponen?
- Rapidez en la creación de prototipos
- Escalabilidad para la producción: ¿pueden satisfacer los volúmenes?
- Ubicación y logística: ayuda si está cerca
- Competitividad de costes: presupuestos transparentes, económicos para el alcance del proyecto
- Opiniones de clientes: busque en Internet o pida referencias
Ventajas e inconvenientes de la fabricación aditiva de aluminio
| Ventajas | Desventajas |
|---|---|
| Geometrías complejas, consolida conjuntos | Tamaño limitado en función del volumen de construcción |
| Aligeramiento y reducción del número de piezas | El tratamiento posterior aumenta el plazo de entrega |
| Creación rápida de prototipos, inventario digital | Mayor coste que los métodos tradicionales para grandes volúmenes |
| Libertad de diseño, formas optimizadas | Menor alargamiento en comparación con las aleaciones forjadas |
| Mínimo desperdicio de material | Propiedades anisotrópicas en horizontal frente a vertical |
| Acortar los plazos de desarrollo | Los problemas de porosidad pueden requerir prensado isostático en caliente |
| Fabricación sin herramientas, no se necesitan utillajes | Formación e instalaciones específicas para el metal AM |
La AM de aluminio ofrece ventajas como flexibilidad de diseño, consolidación de piezas y plazos de entrega rápidos. Pero también requiere equipos y conocimientos especializados. Para producir piezas de uso final es necesario conocer a fondo el proceso.
Preguntas frecuentes
¿Cuáles son las diferentes aleaciones de aluminio utilizadas en la fabricación aditiva?
Algunas aleaciones de aluminio comunes utilizadas son:
- AlSi10Mg - Excelente resistencia y acabado superficial. La aleación de aluminio más popular en AM.
- Al6061 - Aleación de mayor resistencia con buena resistencia a la corrosión. Fácilmente disponible.
- Scalmalloy - Aleación de aluminio desarrollada por Airbus con gran resistencia y ductilidad.
- Aleaciones personalizadas - Pueden diseñarse para optimizar determinadas propiedades. Requiere I+D.
¿Qué tratamiento posterior requieren las piezas de aluminio AM?
Entre los pasos habituales del postprocesado se incluyen:
- Retirar de la placa de montaje
- Granallado para alisar la superficie
- Prensado isostático en caliente para mejorar la densidad
- Tratamientos térmicos para optimizar las propiedades mecánicas
- Mecanizado CNC - taladrado, roscado, fresado para precisión dimensional
- Tratamientos superficiales: anodizado, revestimiento en polvo para estética
¿Cómo se compara el coste del aluminio AM con el del mecanizado CNC?
Para la producción de bajo volumen (menos de 100 piezas), la AM suele ser más rentable que el mecanizado CNC. No se necesitan herramientas y los plazos de entrega son más cortos. Para volúmenes superiores a 1.000 unidades, el mecanizado CNC tiene costes más bajos debido al desperdicio de material con AM. Los enfoques híbridos que combinan AM y mecanizado pueden ofrecer soluciones rentables para volúmenes medios.
¿Qué tamaño de piezas de aluminio pueden fabricarse con impresión 3D metálica?
En tecnologías de lecho de polvo como DMLS y EBM, el tamaño máximo de las piezas es de unos 500 mm x 500 mm x 500 mm. Las máquinas de gran formato superan las dimensiones de 1 m x 1 m x 1 m. El chorro de aglutinante y la deposición de energía dirigida tienen menos limitaciones de tamaño, y algunas máquinas permiten fabricar piezas a escala de un metro.
¿Qué acabado superficial cabe esperar con la fabricación aditiva de aluminio?
El acabado de la superficie tal como se imprime con AM es relativamente rugoso, en torno a Ra 10-25 micras. Diversas operaciones de acabado pueden mejorarlo significativamente:
- Mecanizado CNC - Ra 0,4 a 6,3 micras
- Pulido - Ra < 1 micra
- Anodizado: superficie lisa y uniforme para mejorar la resistencia a la corrosión
Con el postprocesado adecuado, las piezas de aluminio AM pueden lograr un acabado superficial liso comparable al de la fabricación tradicional.
¿Qué industrias utilizan la fabricación aditiva de aluminio?
Entre las industrias clave que adoptan el aluminio AM se incluyen:
- Aeroespacial - Componentes de aeronaves, soportes, piezas de motores
- Automoción - Intercambiadores de calor, soportes a medida, utillaje
- Médico - Cofias dentales, implantes, instrumental quirúrgico
- Bienes de consumo - Componentes de drones, equipamiento deportivo, gadgets
- Industrial - Plantillas y dispositivos de uso final para fabricación y montaje
El aluminio AM permite diseños ligeros y optimizados en todos estos segmentos.
¿Qué conocimientos técnicos se necesitan para la AM de aluminio interna?
Para implantar con éxito la AM de aluminio en la empresa es necesario:
- Ingenieros de AM para optimizar las construcciones y cualificar los procesos
- Técnicos para el funcionamiento y mantenimiento de los equipos
- Equipo de calidad para validar piezas y procedimientos
- Técnicos de manipulación de polvos formados en salud y seguridad
- Equipo de instalaciones para suministrar energía, refrigeración, gas y gases de escape
- Software y soporte de red para la gestión de datos AM
Se recomienda un enfoque de equipo interfuncional para crear experiencia en AM en toda la organización.
¿Qué normas se aplican a la fabricación aditiva de aluminio?
Entre las normas clave figuran:
- ISO/ASTM 52900 - Terminología estándar para AM
- ISO/ASTM 52921 - Norma para equipos de proceso de fusión en lecho de polvo
- ASTM F3001 - Norma para piezas médicas AM
- ASTM F3301 - Norma para la deposición de energía dirigida de metales AM
- ASTM F3302 - Norma para la inyección de ligante en metales AM
La certificación de piezas conforme a estas normas demuestra la gestión de la calidad y el cumplimiento de las mismas.
Conclusión
La fabricación aditiva de aluminio permite fabricar componentes de aluminio ligeros y optimizados en los sectores aeroespacial, automovilístico, médico y de bienes de consumo. Con los conocimientos y la experiencia adecuados sobre el proceso, se pueden producir piezas de aluminio de uso final utilizando la flexibilidad basada en capas de la impresión 3D. A medida que la tecnología de AM de aluminio madure, los costes disminuirán y seguirá aumentando la adopción de este versátil material metálico.
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