metal powders for 3d printing

Polvos metálicos son una materia prima fundamental para la fabricación aditiva mediante la tecnología de fusión de lecho de polvo. Esta guía ofrece una visión general de los distintos polvos metálicos utilizados en procesos de impresión 3D como la fusión selectiva por láser (SLM) y la fusión por haz de electrones (EBM).

Introducción a los polvos metálicos para AM

Los polvos metálicos permiten imprimir piezas metálicas complejas y de alto rendimiento mediante la fabricación aditiva.

Materiales utilizados:

• Aceros inoxidables
• Aceros para herramientas
• Aleaciones de cobalto-cromo
• Titanio y aleaciones de titanio
• Aleaciones de aluminio
• Superaleaciones de níquel
• Aleaciones de cobre

Propiedades clave del polvo:

• Química - Pureza y composición
• Forma y morfología de las partículas
• Distribución granulométrica
• Densidad aparente y densidad de toma
• Fluidez
• Reutilización del polvo

Métodos de producción de polvo:

• Atomización de gas
• Atomización del agua
• Atomización por plasma
• Fusión por inducción de electrodos
• Proceso carbonílico
• Aleación mecánica

Polvos de acero inoxidable

Los polvos de acero inoxidable se utilizan habitualmente para imprimir piezas resistentes a la corrosión:

Tipos de aleación:

• Aceros austeníticos como 316L, 304L
• Aceros martensíticos como el 17-4PH
• Aceros dúplex como el 2205
• Endurecimiento por precipitación como 17-4PH, 15-5PH

Características:

• Alta resistencia a la corrosión y a la oxidación
• Buena resistencia y ductilidad
• Menos propensos al agrietamiento que los aceros de alta aleación
• Parámetros como la atmósfera crítica

Aplicaciones:

• Piezas para la industria química y de procesos
• Componentes marinos
• Implantes y dispositivos médicos
• Piezas de la industria alimentaria/farmacéutica que requieren higiene

Proveedores: Carpenter, Sandvik, Praxair, Höganäs, LPW Technology

Polvos de acero para herramientas

Los aceros para herramientas como el H13 son ideales para imprimir piezas de desgaste y alta dureza:

Tipos de aleación:

• Aceros resistentes a los golpes como el S7
• Aceros para trabajo en frío como el D2
• Aceros para trabajos en caliente como H13, H11
• Aceros rápidos como el M2

Características:

• Excelente dureza hasta 60 HRC
• Gran resistencia al desgaste
• Buena tenacidad y resistencia a la fatiga térmica
• Requieren recocido en solución a alta temperatura

Aplicaciones:

• Matrices y moldes para conformado de metales
• Herramientas de corte y brocas
• Piezas de desgaste y rodamientos
• Herramientas de alta temperatura

Proveedores: Sandvik, Erasteel, LPW Technology, Tekna Plasma Systems

Aleaciones de cobalto-cromo

Los polvos de cromo-cobalto imprimen implantes y restauraciones dentales biocompatibles:

Tipos de aleación:

• CoCrMo como Co-28Cr-6Mo
• CoNiCrMo como Co-35Ni-20Cr-10Mo
• CoCr como Co-67Cr-28Fe

Características:

• Excelente biocompatibilidad y resistencia a la corrosión
• Gran resistencia y dureza
• Resistencia al desgaste de las articulaciones
• Impresión difícil y tendencia al agrietamiento

Aplicaciones:

• Cofias, puentes y coronas dentales
• Implantes ortopédicos de rodilla y cadera
• Dispositivos de fijación como placas craneales
• Herrajes para la fusión espinal

Proveedores: Soluciones SLM, Carpenter, Arcam EBM

Titanio en polvo

Los polvos de titanio crean piezas impresas resistentes y ligeras:

Tipos de aleación:

• Titanio no aleado como Ti Grado 1-4
• Aleación Ti-6Al-4V
• Aleación Ti-6Al-7Nb
• Otras aleaciones alfa + beta

Características:

• Elevada relación resistencia/peso
• Excelente resistencia a la corrosión
• Buenas propiedades a altas temperaturas
• Baja densidad - 4,5 g/cc
• Reactivo y requiere atmósfera inerte

Aplicaciones:

• Componentes aeroespaciales y para deportes de motor
• Implantes médicos y prótesis
• Piezas para la industria alimentaria y química
• Piezas de automóviles

Proveedores: AP&C, Tekna, Aditivo Carpenter

Aleaciones de aluminio

Los polvos de aluminio imprimen piezas estructurales o funcionales ligeras:

Tipos de aleación:

• AlSi10Mg
• AlSi7Mg
• AlSi12
• Scalmalloy® y otras aleaciones de Al

Características:

• Baja densidad - 2,7 g/cc
• Buena resistencia y rigidez
• Excelente conductividad térmica
• Propenso al agrietamiento y a las tensiones residuales

Aplicaciones:

• Componentes de automoción y deportes de motor
• Aplicaciones aeroespaciales y espaciales
• Intercambiadores de calor
• Material médico como escayolas

Proveedores: AP&C, Sandvik, LPW Technology, ECKA Granules

Superaleaciones de níquel

Las superaleaciones de níquel como el Inconel 718 imprimen piezas de alta temperatura:

Tipos de aleación:

• Inconel 718
• Inconel 625
• Waspaloy
• Hastelloy X

Características:

• Excelente resistencia a altas temperaturas
• Buena resistencia a la corrosión y a la fluencia
• Capacidad para trabajar bajo estrés a altas temperaturas
• Difícil de procesar y propenso a agrietarse

Aplicaciones:

• Álabes de turbina
• Piezas de la cámara de combustión
• Componentes de la nave espacial
• Piezas para la industria nuclear/química

Proveedores: Praxair, Carpenter Additive, GE Additive

Aleaciones de cobre

Las aleaciones de cobre como CuCrZr imprimen piezas altamente conductoras:

Tipos de aleación:

• Cobre-cromo como CuCr1Zr
• Cobre-níquel como CuNi2SiCr
• Bronces como el CuSn10

Características:

• Excelente conductividad térmica y eléctrica
• Buena resistencia a la corrosión
• Propiedad antibacteriana
• Resistencia inferior a la de los aceros y aleaciones de Ni

Aplicaciones:

• Componentes eléctricos como barras colectoras
• Intercambiadores y disipadores de calor
• Guías de ondas y componentes de RF
• Instrumental médico y fijaciones

Proveedores: Sandvik, Tecnología LPW, Metalysis

Especificaciones técnicas

Especificaciones típicas del polvo metálico utilizado en AM:

Métodos de producción de polvo

1. Atomización de gases

• Polvo muy esférico
• Partículas de pequeño tamaño de 5-100 μm
• Se utiliza para aleaciones reactivas como el titanio

2. Atomización del agua

• Forma irregular del polvo
• Partículas más grandes de hasta 300 μm
• Proceso menos costoso

3. Atomización por plasma

• Formas de partículas controladas
• Tamaños submicrónicos a 150 μm
• Polvo de gran pureza

4. Aleación mecánica

• Mezcla elemental y molienda
• Rentabilidad de las aleaciones personalizadas
• Partículas de gran tamaño

Proveedores y precios

• Los polvos de acero inoxidable cuestan $45-$120 por kg
• Los polvos de aleación de titanio cuestan $150-$450 por kg
• Las superaleaciones y los aceros para herramientas cuestan $250-$600 por kg

Los precios dependen de la aleación, la calidad, el tamaño del lote y los acuerdos de compra.

Manipulación y almacenamiento de polvo

Para evitar la contaminación, es fundamental manipular el polvo correctamente:

• Utilizar zonas específicas para tamizar el polvo
• Garantizar la existencia de guanteras y tolvas de atmósfera inerte
• Utilice recipientes conductores para disipar las cargas estáticas
• Conectar a tierra todos los equipos y contenedores de transporte
• Evitar el contacto con aceite, agua u oxígeno
• Almacenar el polvo en recipientes herméticos bajo gas inerte
• Controlar la temperatura y la humedad durante el almacenamiento
• Siga las precauciones de seguridad, como los EPI, al manipular

Un almacenamiento adecuado prolonga la vida de reutilización del polvo.

Tamizado de polvo

El tamizado garantiza la homogeneidad del tamaño de las partículas:

Ventajas:

• Elimina las partículas satélites que causan defectos
• Rompe los aglomerados
• Mejora el flujo y la densidad de empaquetamiento
• Reduce los problemas de reciclabilidad
• Elimina contaminantes extraños

Procedimiento:

• Tamizar el polvo utilizando tamaños de malla en torno a 20-63 μm.
• Tamizado por rotación o vibración
• Realizar el tamizado en atmósfera inerte
• Documentar el porcentaje de peso de polvo restante

El cribado mejora la calidad de las piezas al garantizar una distribución ideal del polvo.

Instalación y puesta en marcha

La instalación de una impresora AM metálica con sistema de polvo implica:

• Limpieza de las superficies de los equipos para evitar la contaminación
• Pruebas de estanqueidad de las conexiones de gas inerte
• Comprobación de la potencia del láser o del haz de electrones
• Carga y prueba del sistema de recubrimiento con polvo
• Integración de las conexiones de refrigeración, escape y servicio
• Instalación de sensores de vigilancia y seguridad
• Verificación de los sistemas de tamizado y manipulación de polvos
• Calibración de la nivelación de la placa de impresión
• Pruebas de impresión de piezas de muestra y validación de la calidad

Los proveedores ofrecen asistencia para la instalación y la puesta en marcha.

Funcionamiento y buenas prácticas

Pautas de funcionamiento de la impresora:

• Realice comprobaciones periódicas de fugas y pruebas de pureza del gas inerte
• Preacondicionar el polvo para garantizar una textura homogénea
• Ajuste el grosor de la capa y los parámetros del láser para nuevos materiales
• Supervisar de cerca el baño de fusión y controlar la temperatura de las piezas
• Validación de dimensiones críticas mediante impresiones de prueba
• Controlar el estado del polvo y reutilizarlo sólo según las recomendaciones
• Realizar el mantenimiento periódico de la óptica, el sistema de emisión de haces y el mecanismo de recubrimiento de polvo.

Seguridad del personal:

• Utilizar los EPI adecuados, como mascarillas y guantes
• Evitar el contacto con polvos metálicos finos reactivos
• Manipular adecuadamente los residuos de polvo en atmósfera inerte

Parte de post-procesamiento:

• Utilizar las temperaturas de tratamiento térmico y envejecimiento adecuadas para la aleación y la aplicación.
• Control de la velocidad de rampa durante el tratamiento térmico para aliviar las tensiones
• Utilice el prensado isostático en caliente para piezas complejas si es necesario para mejorar las densidades
• Aplicar pasos de acabado como el mecanizado CNC y el pulido

Mantenimiento e inspección

Actividades regulares de mantenimiento:

A diario:

• Inspeccione los componentes ópticos, como espejos, lentes y ventanas, en busca de daños.
• Limpiar la cámara de impresión y el sistema de manipulación del polvo
• Comprobar los niveles de gas inerte y recargar si es necesario
• Probar el mecanismo de tamizado y el recubridor de polvo

Semanal:

• Calibrar sensores e instrumentación
• Compruebe las fijaciones, los terminales eléctricos y la conexión a tierra.
• Lubricar e inspeccionar las piezas móviles, como motores y accionamientos.
• Controlar los filtros para su sustitución

Mensual:

• Prueba de estanqueidad del sistema de gas inerte con helio
• Inspeccione los dispositivos de seguridad, como los detectores de incendios
• Comprobar el estado del sistema de cogeneración

Anuales:

• Programar el mantenimiento preventivo con el proveedor de equipos
• Calibrar el medidor de potencia láser
• Sustitución de filtros y consumibles

El mantenimiento según las directrices del proveedor es necesario para mantener la calidad de las piezas y la salud del equipo.

Elegir el sistema de impresión sobre metal adecuado

Factores a tener en cuenta al seleccionar una máquina de AM metálica:

1. Requisitos de producción

• Tipo de componentes que deben fabricarse
• Material necesario en función de las propiedades de la pieza
• Requisitos de volumen de producción
• Precisión y acabado superficial requeridos

2. Especificaciones de la impresora

• Materiales y parámetros admitidos
• Tamaño y velocidad de construcción
• Precisión y repetibilidad
• Gestión de atmósferas inertes
• Funciones y controles de automatización

3. Sistema de manipulación de polvo

• Sistema integrado o independiente
• Capacidad de tamizado, alimentación, almacenamiento y reutilización
• Contención de materiales reactivos como el titanio
• Funciones de vigilancia para evitar la contaminación

4. Cumplimiento de las normas

• Normas industriales como ASTM F3301
• Certificaciones de calidad del fabricante
• Cumplimiento de las normas de seguridad

5. Credenciales del proveedor

• Experiencia demostrada en el sector AM
• Capacidad local de ventas y asistencia técnica
• Contratos de mantenimiento y servicios ofrecidos
• Planes de formación de operadores
• Coste global de propiedad

El análisis minucioso de los requisitos y las comparaciones de las ofertas de máquinas utilizando estos criterios dan como resultado la selección del sistema de impresión 3D en metal ideal adaptado a las necesidades de producción.

Ventajas e inconvenientes de la AM metálica

Ventajas:

• Alta complejidad geométrica que se imprime fácilmente
• Menor tiempo para obtener piezas funcionales
• Reducción de residuos en comparación con los procesos sustractivos
• Producción de configuración única directamente desde CAD
• Potencial de aligeramiento y consolidación de piezas
• Mejoras de rendimiento con aleaciones de ingeniería
• Capacidades de personalización y personalización masiva

Desventajas:

• Costes elevados de maquinaria y material
• Pasos adicionales de postprocesamiento necesarios
• Tamaño limitado en función de la cámara de construcción
• El control de los defectos internos puede ser difícil
• Las propiedades del material pueden variar con respecto al forjado
• Las limitaciones de acabado de la superficie pueden requerir un acabado
• Requisitos de formación y experiencia

Solución de problemas comunes en Metal AM

Preguntas frecuentes

P: ¿Qué aleaciones metálicas en polvo pueden utilizarse para la AM?

R: Son comunes los aceros inoxidables, los aceros para herramientas, las aleaciones de titanio, las superaleaciones de níquel, las aleaciones de aluminio, el cobalto-cromo y las aleaciones de cobre.

P: ¿Cuál es la gama típica de tamaños de partículas de polvo utilizados?

R: En los procesos PBF-LB/M, lo habitual son 10-45 micras, con una distribución más ajustada en torno a 20-45 μm.

P: ¿Cuánto duran los polvos metálicos?

R: Con un almacenamiento ideal de argón, muchas aleaciones duran 1-2 años. La vida de reutilización es más corta: 20-100 impresiones en función de la aleación.

P: ¿Qué pasos de posprocesamiento son necesarios en las piezas metálicas de AM?

R: A menudo se requiere la eliminación de soportes, el tratamiento térmico, el acabado de superficies como el mecanizado CNC, el pulido y el revestimiento.

P: ¿Cómo se manipulan los polvos metálicos reactivos como el titanio y el aluminio?

R: Es necesaria una manipulación especializada del polvo en atmósfera inerte de argón para evitar la captación de oxígeno.

P: ¿Cuáles son los riesgos habituales de contaminación por polvo?

A: Exposición a una atmósfera que provoque la captación de oxígeno o nitrógeno. Partículas metálicas procedentes del mecanizado o del desgaste. Aceite y humedad.

P: ¿Qué normas se utilizan para calificar los polvos metálicos?

A: ASTM B214, ASTM B812, ASTM F3049, ASTM F3301 y normas MPIF.

P: ¿Por qué es importante tamizar el polvo?

R: Rompe los aglomerados, elimina los satélites y proporciona un tamaño de polvo óptimo y consistente para una alta densidad y acabado superficial.

Conclusión

Los polvos metálicos permiten la fabricación aditiva de componentes avanzados de alto rendimiento con propiedades mejores que las de los materiales forjados en algunos casos. Existe una amplia gama de aleaciones en polvo, desde aceros inoxidables hasta superaleaciones y titanio, adaptadas a aplicaciones exigentes en los sectores aeroespacial, médico, de automoción y general. Gracias a las continuas mejoras de las aleaciones, las normas de calidad, los procesos de producción, la maquinaria y las propiedades de las piezas, la AM metálica se está convirtiendo en una tecnología de producción fundamental en todo el mundo. Sin embargo, la experiencia en procesos y materiales y un riguroso control de calidad son esenciales para aprovechar todas sus ventajas. A medida que se adquiere más experiencia, la AM metálica proporciona capacidades sin precedentes para fabricar piezas complejas y personalizadas con mayor libertad de diseño y plazos de entrega más cortos.

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