Fabricación aditiva de metales: Una guía completa

Panorama de la fabricación aditiva de metales

Metal fabricación aditivaLa fabricación aditiva, también conocida como impresión 3D de metales, es una tecnología transformadora para producir rápidamente piezas metálicas directamente a partir de datos de modelos 3D. A diferencia de los métodos de fabricación sustractivos, como el mecanizado CNC, que eliminan material, la fabricación aditiva crea componentes capa a capa utilizando metales como acero inoxidable, aluminio, titanio, aleaciones de níquel, etc.

En comparación con la fabricación tradicional, la AM metálica permite una mayor libertad de diseño, personalización y optimización que puede reducir el peso, el uso de materiales y los plazos de entrega. Las piezas pueden consolidarse en una sola pieza, incorporarse con canales de refrigeración conformados o diseñarse con formas orgánicas que no son posibles con fundición o mecanizado. La impresión metálica en 3D ofrece nuevas posibilidades de innovación en sectores como el aeroespacial, el médico, el automovilístico y el energético.

Esta completa guía ofrece detalles técnicos sobre los distintos procesos, materiales, aplicaciones, ventajas y limitaciones de la AM metálica. La información clave se presenta en tablas fáciles de comparar para destacar las capacidades y las ventajas y desventajas de las distintas tecnologías de impresión 3D en metal. Siga leyendo para conocer en profundidad cómo la fabricación aditiva está revolucionando la fabricación de metales.

Principales aspectos de la fabricación aditiva de metales:

• Produce piezas metálicas de uso final totalmente densas a partir de modelos digitales CAD en 3D.
• Añade material capa por capa, a diferencia de los métodos sustractivos como el mecanizado.
• Permite geometrías complejas y optimizadas que no son posibles con fundición o mecanizado
• Reduce los residuos, el consumo de energía y los plazos de entrega frente a las técnicas tradicionales
• Facilita la creación rápida de prototipos y la producción directa de piezas
• Aplicaciones en expansión en los sectores aeroespacial, médico, automovilístico y otros.

Tipos de procesos de fabricación aditiva de metales

Existen varios métodos para imprimir piezas metálicas de forma aditiva. Las principales categorías de procesos de AM metálica son la fusión de capas de polvo, la deposición de energía dirigida, el chorro de aglutinante y la laminación de láminas. Cada uno tiene sus propias características en cuanto a materiales, precisión, costes, etc.

Tabla 1: Resumen de los principales procesos de fabricación aditiva de metales

Fusión del lecho de polvo técnicas como la fusión selectiva por láser (SLM) y la fusión por haz de electrones (EBM) son actualmente los procesos de AM de metales más utilizados. Ofrecen una alta resolución equiparable a la del mecanizado, buenas propiedades de los materiales y una amplia gama de metales, desde aceros inoxidables a aleaciones con base de níquel. La materia prima es un fino polvo metálico que se extiende en capas y se funde selectivamente mediante una fuente de calor focalizada en una cámara de atmósfera controlada.

Deposición de energía dirigida Métodos como el conformado de redes por ingeniería láser (LENS) concentran un baño de material fundido en un sustrato, añadiendo material de forma continua. Esto permite construir piezas de mayor tamaño depositando polvo fundido o alambre de alimentación. La resolución es menor, pero el tamaño de la pieza no está limitado como en los métodos de lecho de polvo. Se requiere menos postprocesado, pero el acabado superficial es peor.

Chorro aglomerante utiliza un aglutinante líquido para unir capas de polvo metálico. Las piezas "verdes" resultantes deben sinterizarse e infiltrarse con cobre o bronce para alcanzar la densidad total. Aunque actualmente las opciones de materiales son limitadas, el chorro de aglutinante puede producir grandes cantidades de pequeñas piezas metálicas intrincadas de forma más asequible.

Laminado de hojas Une finas capas de chapa metálica mediante adhesivo o soldadura. A continuación, los láseres o el mecanizado CNC cortan la pila en una forma tridimensional. Proporciona una buena precisión, pero tiene limitaciones geométricas en función del grosor de la chapa.

Cada proceso tiene sus ventajas y sus aplicaciones más adecuadas. La elección de la tecnología de AM metálica adecuada depende de factores como los requisitos del material, la precisión, el acabado superficial, el tamaño del lote y el coste.

Materiales para la fabricación aditiva de metales

Es posible imprimir una amplia gama de metales, desde acero inoxidable hasta superaleaciones, utilizando métodos de fusión de lecho de polvo, deposición de energía dirigida, inyección de aglutinante y laminación de láminas. Los materiales metálicos de AM más utilizados son:

Tabla 2: Materiales comunes de fabricación aditiva de metales

Aceros inoxidables como el 316L y el 17-4PH se utilizan ampliamente en todos los sectores gracias a su solidez, resistencia a la corrosión y relativa facilidad de impresión y tratamiento posterior.

Aleaciones de aluminio como AlSi10Mg permiten fabricar piezas ligeras aeroespaciales y de automoción difíciles de mecanizar o fundir.

Aleaciones de titanio como el Ti64 poseen una elevada relación resistencia-peso, ideal para componentes estructurales, además de biocompatibilidad.

Superaleación de níquel polvo como Inconel 718 y 625 tienen excelentes propiedades mecánicas a altas temperaturas para aplicaciones exigentes.

Polvo de aleación de cobalto y cromo presentan una elevada rigidez, biocompatibilidad y resistencia al desgaste adecuadas para implantes y herramientas médicas.

Aceros para herramientas como el H13, el D2 y el acero martensítico envejecido ofrecen una dureza, resistencia y estabilidad térmica muy elevadas para utillajes como moldes de inyección o matrices de forja.

Los esfuerzos de I+D están ampliando la lista de metales compatibles con los procesos de AM. También se están adoptando aleaciones más exóticas, como el oro precioso o el platino, para aplicaciones especializadas como la joyería o la electrónica.

Especificaciones de la fabricación aditiva de metales

Los factores clave que definen las capacidades de cualquier máquina de AM metálica son el volumen de fabricación, la resolución de las capas, la precisión y los materiales admitidos. Requisitos como la precisión, el acabado superficial y el tratamiento térmico dependerán de la aplicación específica.

Tabla 3: Especificaciones y capacidades de los equipos de AM metálica

Volumen de construcción para la mayoría de los sistemas de lecho de polvo y energía dirigida oscila entre unas pocas pulgadas cúbicas y aproximadamente un pie cúbico. Existen equipos de mayor tamaño para procesos de inyección de aglutinante o laminación de láminas.

Grosor de la capa durante el proceso de fabricación puede variar de 20 a 100 micras para obtener una resolución fina del orden del acabado de un maquinista. Las capas más finas mejoran el acabado superficial, pero también aumentan el tiempo de fabricación.

Precisión es de ±0,1-0,2 mm para la fusión de lecho de polvo y de ±0,5 mm para la deposición de energía dirigida, en función de la máquina de AM utilizada.

Realizable acabado superficial en el estado as-built oscila entre 10-25 micras (Ra) y 20-100 micras (Rz), pero requerirá un tratamiento posterior como el acabado abrasivo para mejorar.

Prácticamente cualquier aleación metálica de aceros inoxidables a titanio y aleaciones de níquel se pueden imprimir, y las opciones de materiales se han duplicado en los últimos años.

Proveedores de equipos de fabricación aditiva de metales

Varias empresas ofrecen sistemas industriales de AM metálica, así como servicios de impresión. Los principales proveedores de equipos de fusión de lecho de polvo, deposición de energía dirigida, inyección de aglutinante y laminación de láminas son:

Cuadro 4: Principales proveedores de sistemas de fabricación aditiva de metales

Empresa alemana EOS fue pionera en la tecnología de sinterizado directo de metales por láser (DMLS) y ofrece una amplia gama de impresoras industriales para metales como titanio, aluminio y aleaciones de níquel.

Soluciones SLM también ofrece equipos de fusión de lecho de polvo que pueden procesar aceros, titanio, aluminio y más metales con volúmenes de construcción de hasta 500 pulgadas cúbicas.

HP, Desktop Metal, y ExOne chorro de aglomerante de palanca centrado en la producción de grandes volúmenes de componentes pequeños y complejos de acero inoxidable o acero aleado.

sciaky y Optomec suministro de sistemas de deposición de energía dirigida para la impresión de metales a gran escala utilizando superaleaciones de titanio, aluminio y níquel.

Fabrisonic utiliza un sistema patentado de fabricación aditiva por ultrasonidos capaz de incrustar cables, sensores y otros elementos en el interior de piezas metálicas.

Los equipos de AM metálica suelen oscilar entre $100.000 y $1 millón+ de inversión de capital inicial en función de la capacidad de producción, aunque los precios están bajando rápidamente. El coste de los materiales varía mucho en función de la aleación utilizada.

Aplicaciones de la fabricación aditiva de metales

La fabricación aditiva de metales aporta una nueva libertad de diseño y capacidades muy adecuadas para aplicaciones aeroespaciales, médicas, de automoción e industriales en general, como:

Aeroespacial: Soportes ligeros y estructuras complejas, componentes de motor con refrigeración conformada y consolidación de piezas para reducir el peso, el uso de materiales y los plazos de entrega.

Médico: Implantes ortopédicos personalizados, instrumentos quirúrgicos con paredes finas y estructuras reticulares para mejorar la osteointegración con el hueso, restauraciones dentales...

Automoción: Estructuras de celosía ligeras, personalización masiva de componentes, herramientas como plantillas y dispositivos para mejorar los flujos de trabajo en las fábricas.

Industria/Consumo: Iluminación, mobiliario, artículos deportivos e instrumentos musicales con formas orgánicas, personalización masiva y estructuras de celosía ligeras.

Herramientas: Los canales de refrigeración conformados pueden incrustarse en moldes de inyección, matrices e insertos de utillaje para reducir los tiempos de ciclo. Rápida entrega de piezas de repuesto de utillaje.

Petróleo y gas: Accesorios personalizados para tuberías, componentes estructurales como aparejos y bloques de válvulas para entornos de alta presión/corrosivos.

Esta tecnología también se utiliza para la fabricación rápida de herramientas, utillajes y prototipos para el desarrollo de productos en muchos sectores. A continuación se muestran algunos ejemplos de aplicaciones y ventajas de la AM metálica frente a la fabricación convencional:

Cuadro 5: Aplicaciones y ventajas de la fabricación aditiva de metales

La fabricación aditiva ofrece a los ingenieros una libertad de diseño sin precedentes para fabricar componentes metálicos que no son posibles ni económicos con fundición, mecanizado u otras técnicas de fabricación convencionales.

Ventajas y desventajas de la AM metálica

En comparación con la fabricación sustractiva y otros métodos tradicionales de fabricación de metales, la AM ofrece varias ventajas clave, pero también limitaciones a tener en cuenta:

Cuadro 6: Fabricación aditiva de metales: pros y contras

Las principales ventajas de la AM metálica son libertad de diseño, consolidación de partes, personalizacióny desarrollo de productos más rápido ciclos. El aligeramiento y el ahorro de material también son posibles en industrias como la aeroespacial y la automovilística.

Sin embargo, los más pequeños construir volúmenessuperior costesy la falta de material disponibilidad a escala comercial siguen siendo barreras frente a la fabricación tradicional. La mayoría de las aplicaciones de AM metálica son más adecuadas para volúmenes de producción bajos o medios, en los que las ventajas de la personalización y la reducción de los plazos de entrega compensan los mayores costes actuales de las piezas impresas.

A medida que bajen los precios de los equipos y materiales de AM metálica, los volúmenes de producción y las aplicaciones seguirán aumentando en más sectores. Con los avances en calidad y los mayores tamaños de construcción, la adopción se acelerará para la fabricación de grandes volúmenes.

El futuro de la fabricación aditiva de metales

Aunque todavía es una tecnología emergente, la fabricación aditiva de metales está preparada para un crecimiento significativo en los próximos años. La expansión de las aplicaciones, los nuevos actores y el aumento de la adopción en las cadenas de suministro impulsarán la expansión del mercado.

• Se prevé que el mercado mundial de la AM metálica supere los $15.000 millones en 2028, más del doble que en 2021. Se prevé que los sectores aeroespacial y médico representen más de 50% de la demanda.
• Los fabricantes de sistemas están desarrollando máquinas de mayor volumen de fabricación, equipos multiláser y de mayor productividad centrados en aplicaciones de producción en serie.
• Cada vez hay más materiales disponibles, además de las superaleaciones de níquel, como aluminio y aceros de mayor resistencia, metales preciosos, magnesio, acero para herramientas, etc.
• La calidad y la repetibilidad siguen mejorando gracias a los controles avanzados de las máquinas, el software y los flujos de trabajo racionalizados para minimizar el ensayo y error.
• La optimización de la cadena de suministro a través de la AM está ganando adeptos en todos los sectores a medida que se reducen los plazos de entrega y la tecnología resulta más rentable para los componentes de uso final que para la creación de prototipos.
• La fabricación personalizada y descentralizada podría reducir los riesgos de la cadena de suministro y los costes logísticos. Crecerá la producción localizada bajo demanda.
• Los gobiernos están invirtiendo de forma significativa en la investigación industrial de la AM metálica, en programas de desarrollo de la mano de obra y en la promoción de ecosistemas de fabricación regionales en torno a esta tecnología.

Aunque aún se encuentra en fase de maduración, la metalurgia aditiva ha demostrado claras ventajas sobre la fabricación convencional en diversas aplicaciones, desde motores aeroespaciales hasta implantes adaptados a pacientes. A medida que más partes interesadas de las cadenas de suministro adopten la AM, se posicionará para transformar la fabricación y permitir una nueva era de innovación en el diseño.

Preguntas frecuentes sobre Metal AM

P: ¿Qué materiales son compatibles con la impresión 3D en metal?

R: Pueden imprimirse la mayoría de los metales industriales, como aceros inoxidables, aleaciones de aluminio, titanio, aceros para herramientas, superaleaciones de níquel y otros. Algunos procesos también admiten metales preciosos como el oro, la plata y el platino.

P: ¿Qué grado de precisión tiene la fabricación aditiva de metales?

R: La precisión dimensional de la mayoría de los procesos de fusión de lecho de polvo es de ±0,1-0,2 mm, similar a la del mecanizado CNC. La deposición de energía dirigida es de ±0,5 mm o más.

P: ¿Requiere la AM metálica algún tratamiento posterior?

R: Suele ser necesario cierto tratamiento posterior, como el acabado superficial y el tratamiento térmico. Se retiran las estructuras de soporte y se mecaniza, lija o trata químicamente la superficie para alisar y acabar las piezas.

P: ¿Cuáles son las ventajas de la AM metálica frente a la fundición o el mecanizado?

R: Las ventajas incluyen libertad de diseño, estructuras ligeras, consolidación de piezas, reducción de herramientas, plazos de entrega más rápidos, personalización masiva y mucho más. La AM permite formas optimizadas que no son posibles con técnicas sustractivas.

P: ¿Qué sectores están impulsando la adopción de la impresión 3D en metal?

R: Los sectores aeroespacial, médico/dental, automovilístico e industrial son los que más están adoptando esta tecnología en la actualidad. La tecnología es ideal para producciones complejas de bajo volumen, en las que la personalización y la reducción de peso son ventajas.

P: ¿Es la AM metálica más cara que la fabricación convencional?

R: Las piezas metálicas impresas siguen siendo más caras para la producción en serie. Para lotes pequeños de menos de 1000 unidades, la AM puede ser competitiva en costes y compensarse con las ventajas de la flexibilidad de diseño, la mayor rapidez de comercialización, la consolidación de piezas y la personalización.