Materiales metálicos de fabricación aditiva: Composición, propiedades y aplicaciones

Fabricación aditivatambién conocida como impresión 3D, está revolucionando la fabricación en sectores que van desde el aeroespacial hasta el médico. Un área clave de avance es la impresión 3D de metales, que permite crear piezas metálicas complejas directamente a partir de modelos CAD 3D sin necesidad de costosas herramientas o moldes.

La fabricación aditiva de metales requiere equipos y materiales especializados para alcanzar las temperaturas extremas necesarias para fundir y fusionar polvos metálicos en objetos sólidos. Las tecnologías de impresión 3D de metales más utilizadas en la actualidad son la fusión de lechos de polvo, la deposición de energía dirigida, el chorro de aglutinante y la laminación de láminas.

Las propiedades de los materiales de las piezas producidas mediante impresión 3D metálica dependen en gran medida de la composición y las características de los polvos metálicos y las aleaciones utilizadas. Este artículo ofrece una visión general de los materiales metálicos de fabricación aditiva más comunes, sus propiedades, aplicaciones y proveedores.

Tipos de materiales de fabricación aditiva de metales

Existe una amplia gama de aleaciones metálicas disponibles para la impresión 3D basada en polvo. Entre las más utilizadas se incluyen:

Estos materiales de base pueden mezclarse y alearse en diversas combinaciones para conseguir las propiedades específicas necesarias para las distintas aplicaciones.

Propiedades de los materiales de fabricación aditiva de metales

Las propiedades clave de los polvos metálicos utilizados en la fabricación aditiva incluyen:

Distribución granulométrica

• El tamaño de las partículas de polvo suele ser de 15-45 micras para la fusión en lecho de polvo.
• Las partículas más pequeñas <15 micras mejoran la densidad pero reducen la fluidez.
• Las partículas más grandes >45 micras reducen la precisión y el acabado superficial.
• La distribución uniforme del tamaño permite una densidad de empaquetado óptima.

Morfología y forma

• La forma esférica del polvo permite un flujo y un empaquetado suaves.
• Las formas irregulares pueden provocar una densidad aparente y una uniformidad del lecho de polvo deficientes.

Fluidez

• Los polvos deben esparcirse uniformemente por el lecho de polvo para obtener capas uniformes.
• La fluidez viene determinada por la forma, la distribución del tamaño y la textura de la superficie.
• Pueden añadirse agentes de flujo para mejorar el flujo del polvo.

Densidad

• Una mayor densidad de empaquetamiento del polvo reduce la porosidad de las piezas impresas.
• Densidad aparente típicamente 40-60% de la densidad sólida verdadera.
• La densidad del grifo indica la eficacia del flujo y del empaquetado.

Pureza

• La alta pureza reduce los defectos y la contaminación.
• Los niveles de oxígeno y nitrógeno se mantienen por debajo de 100 ppm.
• Satélites mínimos (pequeñas partículas adheridas a otras mayores).

Contenido en humedad

• La humedad puede apelmazar el polvo y reducir el flujo.
• El contenido de humedad se mantiene por debajo de 0,02% en peso.
• Polvos almacenados en vacío o en atmósfera de gas inerte.

Además de las características del polvo, la composición y microestructura de las aleaciones metálicas a granel confieren importantes propiedades de rendimiento a las piezas de AM:

Fuerza

• Límite elástico de 500 MPa a más de 1 GPa según la aleación.
• El tratamiento térmico puede aumentar la resistencia mediante el endurecimiento por precipitación.

Dureza

• Dureza Vickers de 150 HV a más de 400 HV.
• La dureza puede adaptarse localmente mediante tratamiento térmico.

Densidad

• Se puede alcanzar una densidad casi total >99%.
• La porosidad residual depende de los parámetros del proceso.

Acabado superficial

• La superficie impresa tiene una rugosidad de 10-25 micras Ra.
• Mecanizado, rectificado y pulido necesarios para un acabado de precisión.

Resistencia a la fatiga

• Comparable a los materiales forjados pero anisótropo.
• Depende de la orientación de la construcción, defectos internos.

Resistencia a la corrosión

• Varía significativamente según la composición de la aleación, de baja a muy alta.

Propiedades térmicas

• Coeficientes de conductividad y dilatación próximos a los de las aleaciones forjadas.
• Depende de la orientación de la construcción debido a la microestructura.

Resistividad eléctrica

• Dentro de 10-20% de materiales forjados.
• Una mayor porosidad aumenta la resistividad.

Mediante la selección de polvos y aleaciones optimizados, la AM metálica permite fabricar piezas densas con propiedades mecánicas comparables a las de la fabricación tradicional en muchos casos. Sin embargo, las propiedades siguen siendo anisótropas en función de la dirección de fabricación.

Aplicaciones de los materiales de fabricación aditiva de metales

Entre las principales aplicaciones que aprovechan las ventajas de la fabricación aditiva de metales figuran:

Aeroespacial: Componentes complejos de motores a reacción, cohetes y vehículos hipersónicos. Reducción del peso, aumento del rendimiento.

Médico: Implantes ortopédicos, prótesis y herramientas quirúrgicas a medida. Metales biocompatibles adaptados a la anatomía.

Automóvil: Aligeramiento de componentes, piezas de alto rendimiento y utillaje. Mayor resistencia e integración funcional.

Industrial: Piezas de producción de uso final para bombas, compresores y motores. Reducción del plazo de entrega y del inventario.

Consumidor: Joyas, accesorios de moda, pequeños artilugios. Geometrías únicas de gran valor.

Defensa: Piezas resistentes para uso sobre el terreno, equipos de protección, armamento. Fabricación bajo demanda.

Fabricación de moldes: Los canales de refrigeración conformados aumentan la productividad. Impresión directa del utillaje del molde.

Energía: Los componentes de aceite/gas resisten la corrosión y funcionan en entornos extremos.

Las excelentes propiedades mecánicas, la precisión y la libertad de diseño que permite la AM metálica la hacen valiosa para prototipos, herramientas y piezas de producción final en muchos sectores.

Capacidades del proceso de fabricación aditiva de metales

Los distintos procesos de impresión 3D en metal tienen distintas capacidades en cuanto a materiales compatibles, tamaño de las piezas, precisión, acabado superficial y mucho más:

Fusión del lecho de polvo ofrece la mejor precisión y acabado superficial, pero velocidades más lentas. Deposición de energía dirigida permite construir rápidamente grandes piezas con forma casi de red, pero con menor precisión. Chorro aglomerante es más rápido pero requiere infiltración para alcanzar la densidad total. Laminado de hojas se limita a las secciones más delgadas.

El proceso óptimo depende de los requisitos de la aplicación: elija en función del tamaño de la pieza, las opciones de material, la precisión, la velocidad y las necesidades de posprocesamiento.

Sistemas populares de aleación para fabricación aditiva de metales

A continuación se presentan algunos de los sistemas de aleaciones metálicas más comunes utilizados en la fabricación aditiva junto con sus características clave:

Aceros inoxidables

Aleaciones de aluminio

Aleaciones de titanio

Aleaciones de níquel

Aleaciones de cromo-cobalto

Al seleccionar la aleación óptima para los requisitos de la aplicación, la fabricación aditiva permite imprimir en 3D piezas metálicas de alto rendimiento bajo demanda.

Calidades populares de polvo metálico para fabricación aditiva

La mayoría de los principales proveedores de polvo metálico ofrecen ahora grados de polvo optimizados específicamente para la fabricación aditiva. Estos son algunos de los grados más utilizados:

Polvos de acero inoxidable

Polvos de aleación de aluminio

Polvos de aleación de titanio

Polvos de aleación de níquel

Polvos de aleación de cobalto y cromo

Estos grados de polvo optimizados garantizan una alta calidad y un rendimiento repetible para la fabricación aditiva de metales en las aleaciones aeroespaciales, médicas e industriales más comunes.

Costes del polvo para la fabricación aditiva de metales

Los costes de los polvos metálicos para la AM pueden variar significativamente en función de la composición de la aleación, la pureza, la distribución del tamaño de las partículas, el proveedor y el volumen de compra:

El coste del polvo es una parte importante del coste total de la pieza en la AM metálica. Los sectores que adoptan la AM son el aeroespacial, el médico, el del automóvil y el del petróleo y el gas, donde las aleaciones de alto valor justifican los costes. A medida que aumentan los volúmenes, bajan los precios. La reutilización del polvo residual mediante sistemas de recuperación de polvo también ayuda a reducir los costes globales por pieza.

Postprocesado de la fabricación aditiva de metales

La mayoría de los procesos de AM metálica producen piezas con un acabado superficial rugoso y cierta porosidad interna. Suele ser necesario un tratamiento posterior adicional:

• Extracción de la placa de impresión - Corte, esmerilado o electroerosión por hilo para retirar soportes y separar piezas.
• Acabado de superficies - Mecanizado, esmerilado, pulido, granallado para mejorar el acabado superficial.
• Alivio del estrés - Tratamiento térmico para aliviar las tensiones residuales de la construcción AM.
• Prensado isostático en caliente - Alta presión para eliminar los huecos internos y aumentar la densidad.
• Tratamiento térmico - Endurecimiento por precipitación, envejecimiento para mejorar las propiedades mecánicas.
• Revestimientos - Aplicar revestimientos funcionales para la resistencia al desgaste/corrosión si es necesario.

Con el postprocesado adecuado, las piezas metálicas de AM pueden alcanzar una densidad extremadamente alta y acabados superficiales de precisión comparables a los de los componentes metálicos fabricados tradicionalmente.

Directrices de diseño para la fabricación aditiva de metales

Para sacar el máximo partido de la AM metálica y evitar posibles escollos, se recomienda seguir unas directrices de diseño:

• Minimizar las estructuras salientes que requieren soportes
• Orientar las piezas para reducir los efectos de escalonamiento del acabado superficial
• Utilizar paredes delgadas y celosías para reducir el peso y el uso de materiales
• Consolidar ensamblajes en piezas únicas y complejas
• Incorporan canales de refrigeración conformados y diseños biónicos
• Diseñar canales internos y huecos autoportantes
• Permitir orificios de acceso para las regiones sin polvo
• Tener en cuenta las propiedades anisótropas en función de la orientación de la construcción
• Diseñe generosos filetes y radios en las esquinas

Adoptando una mentalidad de diseño para AM, los ingenieros pueden aprovechar al máximo estas capacidades innovadoras.

El futuro de la fabricación aditiva de metales

La fabricación aditiva de metales ha avanzado mucho en cuanto a materiales, procesos, aplicaciones y adopción. Sin embargo, aún existen oportunidades significativas para mejorar la velocidad, el coste, la calidad y las opciones de materiales.

Fabricantes de equipos están desarrollando envolventes de mayor tamaño y sistemas multiláser para aumentar la productividad. La supervisión en bucle cerrado y los sistemas avanzados de control de calidad contribuirán a aumentar la uniformidad y la fiabilidad.

Proveedores de material se centran en cualificar más aleaciones optimizadas para la AM, incluidos materiales de mayor temperatura como superaleaciones de níquel, aceros para herramientas y metales refractarios. Los polvos metálicos compuestos y graduados funcionalmente permitirán ajustar mejor las propiedades.

Software Los avances en materia de diseño, simulación, optimización, aprendizaje automático y automatización harán que la AM sea más accesible a un público más amplio. La conectividad de los sistemas y los enfoques de fabricación digital permitirán una producción más distribuida y ágil.

Aplicaciones seguirá creciendo rápidamente en el sector aeroespacial para motores y componentes estructurales. La adopción en automoción, petróleo y gas, dispositivos médicos y electrónica de consumo se acelerará a medida que disminuyan los costes. La fabricación rápida y la personalización masiva se harán realidad.

El sector de la AM metálica vive un momento apasionante, con la entrada de nuevos actores e innovaciones en este mercado de alto crecimiento, que se calcula alcanzará más de $15 mil millones en 2028.

Fabricación aditiva de metales - FAQ

Aquí encontrará respuestas a algunas preguntas frecuentes sobre los materiales y procesos de fabricación aditiva de metales:

¿Qué tipos de metales se pueden imprimir en 3D?

Se pueden imprimir la mayoría de las principales aleaciones industriales, como aceros inoxidables, aluminio, titanio, níquel, cromo-cobalto, aceros para herramientas, metales preciosos como el oro y la plata, y aleaciones de cobre. Constantemente se cualifican nuevas aleaciones.

¿Qué tipo de precisión y acabado se puede conseguir?

La precisión dimensional suele rondar ±0,1-0,3% con tolerancias de ±0,1-0,2mm. El acabado de la superficie impresa es rugoso, de 10-25 μm Ra, pero puede mejorarse considerablemente mediante mecanizado y pulido.

¿Cómo se comparan las propiedades del material con las de la fabricación tradicional?

La microestructura y las propiedades de la mayoría de las piezas aditivas son comparables a las de los materiales fundidos o forjados. Las propiedades mecánicas cumplen o superan las normas de materiales como el titanio de calidad aeroespacial y las aleaciones de níquel.

¿Cómo se postprocesan las piezas tras la impresión 3D?

El postprocesado incluye la eliminación de soportes, el alivio de tensiones, operaciones de acabado superficial como mecanizado CNC, esmerilado y pulido, así como cualquier tratamiento térmico necesario. Algunas aplicaciones críticas pueden requerir prensado isostático en caliente (HIP) para eliminar huecos internos y aumentar la densidad.

¿Cuáles son los principios fundamentales del diseño de piezas metálicas de AM?

Las directrices de diseño incluyen minimizar los voladizos, optimizar la orientación de la construcción, incorporar celosías y estructuras internas, utilizar paredes delgadas y consolidar los ensamblajes. El rendimiento puede mejorarse mediante diseños de refrigeración biónicos y conformados.