Impresoras 3D de lecho de polvo

Visión general

impresora 3d de lecho de polvo es una tecnología de fabricación aditiva muy adecuada para procesar termoplásticos y metales de ingeniería de alto rendimiento que no pueden imprimirse fácilmente con métodos basados en la extrusión. Un rayo láser o un haz de electrones fusiona selectivamente regiones de un lecho de polvo capa por capa basándose en datos CAD para construir objetos 3D complejos.

Las principales subcategorías son:

Fusión de polímeros en lecho de polvo (PBF) utilizando un láser CO2 o IR, y Fusión del lecho de polvo metálico (MPBF) empleando láseres de fibra o haces de electrones. Ambos ofrecen una funcionalidad competitiva de las piezas imposible con las técnicas de fabricación tradicionales en términos de diseño ligero, consolidación del ensamblaje, personalización en masa y mejora del rendimiento.

Esta guía ofrece una descripción técnica de las distintas tecnologías y materiales de impresión 3D en lecho de polvo, junto con aplicaciones, consideraciones sobre el sistema y tendencias futuras.

Tipos de Impresoras 3D de lecho de polvo

Existen varios tipos de equipos de fabricación aditiva que aprovechan el método de fusión en lecho de polvo:

Impresoras de fusión de lecho de polvo de polímero

Sinterizado selectivo por láser (SLS) distribuyen una fina capa de polvo de polímero en una cámara de fabricación y aplican energía térmica de un rayo láser de CO2 según cada sección transversal del modelo CAD 3D. El polvo se funde o sinteriza al calentarse y se solidifica al enfriarse para convertirse en el objeto.

Entre los materiales más utilizados para el SLS se incluyen:

• Nylon (PA12, PA11, PA6)
• Elastómeros termoplásticos (TPE)
• TPU y otras resinas flexibles avanzadas

Entre las principales empresas de impresoras SLS se encuentran EOS, 3D Systems, Farsoon y Ricoh.

Fusión multichorro (MJF) también utiliza lechos de polvo de polímero, pero un agente de fusión y un agente de detallado se depositan selectivamente mediante cabezales de impresión de inyección de tinta a través de las capas junto con el calentamiento por infrarrojos para lograr impresiones de alta resolución. Permite obtener objetos multimaterial y multicolor. Resinas MJF habituales:

• HP 3D de alta reutilización PA12
• HP 3D de alta reutilización PA11
• HP 3D TPA de alta reutilización

HP es hoy el principal proveedor de tecnología MJF a través de su serie Jet Fusion. Desktop Metal también ha lanzado el sistema Fiber AM basado en MJF.

Impresoras de fusión de lecho de polvo metálico

Fusión selectiva por láser (SLM) enfoca energía láser de fibra extremadamente precisa en un entorno de gas inerte a través de finas capas de polvo metálico para fundir y fusionar completamente las partículas en estructuras densas capa a capa basadas directamente en geometrías CAD.

Fusión por haz de electrones (EBM) Las impresoras utilizan un potente haz de electrones como fuente de calor de consolidación para fundir completamente las partículas de polvo metálico de cada capa en una atmósfera de vacío. El rápido procesamiento permite obtener componentes con propiedades similares a las de los materiales fundidos.

Las aleaciones más comunes para MPBF incluyen:

• Acero inoxidable (316L, 17-4PH, 15-5)
• Acero para herramientas (H13, S7)
• Aleaciones de titanio (Ti-6Al-4V)
• Aleaciones de aluminio (AlSi10Mg)
• Superaleaciones de níquel (Inconel 718)
• Cromo-cobalto (CoCr)

Todos los principales proveedores de equipos de AM metálica, como EOS, Renishaw, 3D Systems, GE y SLM Solutions, ofrecen máquinas de fusión de lecho de polvo.

Proceso de impresión para impresora 3d de lecho de polvo

Los pasos genéricos del flujo de trabajo de fabricación aditiva comunes a todas las variantes de fusión de lecho de polvo:

1. Importe el modelo CAD y oriente la pieza de forma óptima
2. Cortar y generar virtualmente trayectorias de escaneado láser
3. Distribuir uniformemente la cantidad medida de polvo por la superficie de apoyo
4. Fusión selectiva de material según el contorno de la sección mediante láser o ebeam
5. Bajar la placa de impresión y recubrir la nueva capa de polvo
6. Repetir el ciclo de estratificación hasta que el objeto esté completo y los soportes estén construidos.
7. Retirar el objeto de la torta de polvo y recuperar las regiones no fundidas
8. Postprocesado de piezas: limpieza, tratamiento térmico, mecanizado, etc.

Todos los procesos de lecho de polvo exigen un amplio tratamiento posterior, como la eliminación de soportes, el mecanizado de superficies y los tratamientos antes del uso funcional.

Materiales para impresoras 3D de lecho de polvo

Propiedades de los polímeros en polvo

Tipos de polvo metálico

Aplicaciones de la impresora 3D de lecho de polvo

Piezas de polímero

• Prototipos funcionales con propiedades similares a los plásticos del mundo real
• Bienes de consumo personalizados, como fundas de móvil o calzado
• Interiores de automóviles y componentes de iluminación
• Moldes y plantillas de inducción
• Moldes y conductos de alta temperatura para productos químicos

Componentes metálicos

• Prototipos de álabes de turbina e inyectores de combustible para la industria aeroespacial
• Implantes de titanio biocompatibles para rodillas, caderas y cirugía craneal y espinal
• Piezas ligeras de chasis, frenos y cadena cinemática para coches y aviones de carreras
• Canales de refrigeración conformados integrados en moldes de inyección
• Cofias y puentes dentales a medida
• Colectores de escape resistentes al calor e insertos para herramientas

Guía del comprador para Impresoras 3D de lecho de polvo

La selección de un sistema de fusión de lecho pulvígeno ideal depende de:

Algunos modelos punteros abarcan:

Inicio - Sistema EOS Formiga P110 SLS, $100K

Profesional - 3D Systems DMP Factory 500, $400K

Industrial - GE Aditivo X Línea 2000R, >$1M

Perspectivas de futuro

Los sistemas de fusión de lecho de polvo seguirán evolucionando con:

• Envolventes más grandes de más de 500 mm de longitud
• Materiales poliméricos adicionales como PEKK y PPSF
• Aleaciones de mayor rendimiento mecánico
• Mejora de la reciclabilidad del polvo y del procesamiento en circuito cerrado
• Acabados superficiales revolucionarios sin mecanizado
• Control y ajustes integrados del baño de fusión en tiempo real
• Sistemas híbridos adicionales con control de calidad en línea
• Aumento espectacular de la productividad gracias a una mayor potencia láser y velocidades de escaneado más rápidas

A medida que se superen las barreras técnicas y se optimicen los costes de producción, la AM transformará la fabricación en todos los sectores, desde el aeroespacial, los dispositivos médicos y la automoción hasta los productos de consumo, al permitir la fabricación distribuida y descentralizada de componentes de uso final en volúmenes comerciales.

Preguntas frecuentes

P: ¿Cuánto cuestan las máquinas de impresión 3D de metal por fusión de lecho de polvo en comparación con los sistemas de plástico?

R: Las impresoras industriales de lecho de polvo metálico oscilan entre $300.000 y más de $1 millón, mientras que los equipos basados en polímeros empiezan en $100.000. Además, los costes operativos son entre 5 y 10 veces superiores en el caso de los materiales metálicos y el procesamiento inerte.

P: ¿Qué tamaño de piezas pueden imprimirse en 3D con la tecnología de fusión de lecho de polvo?

R: Las máquinas de metal admiten volúmenes de construcción de hasta 500 x 500 x 500 mm en cubos, mientras que las de polímeros alcanzan dimensiones de hasta 800 x 500 x 375 mm. También se pueden fabricar sobres de más de un metro de longitud.

P: ¿Qué materiales pueden procesarse con la impresión 3D en lecho de polvo?

R: Se pueden imprimir todos los termoplásticos de alto rendimiento y grado de ingeniería como PEEK, ULTEM, PPSF que son difíciles para la extrusión FDM. En metales, los aceros inoxidables, las aleaciones de titanio y níquel, los aceros para herramientas, el cromo cobalto y otros más cumplen los requisitos.

P: ¿Hasta qué punto es buena la precisión y el acabado de las superficies que salen de una impresora de lecho de polvo antes de cualquier tratamiento posterior?

R: La precisión dimensional tras el postprocesado se sitúa en torno a ±0,1-0,3%, mientras que son posibles tolerancias inferiores a 50 micras. La rugosidad de la superficie impresa oscila considerablemente entre 15 y 150 micras antes de cualquier acabado.

P: ¿Qué proceso de fusión de lecho de polvo ofrece las velocidades de fabricación más rápidas: SLS, DMLS o EBM?

R: La fusión por haz de electrones (EBM) ofrece velocidades de fabricación extremadamente altas, de hasta 40 cm3/hora, lo que permite una productividad muy elevada. El DMLS ofrece velocidades moderadas, mientras que el SLS es comparativamente bastante lento.

P: ¿Hasta qué punto es sostenible la AM de lecho de polvo en comparación con el mecanizado de metales y plásticos?

R: Todas las tecnologías de lecho de polvo reutilizan más de 90% de polvo sin fundir después de las construcciones para su reciclaje. Las geometrías optimizadas para aligerar también ahorran materiales. El consumo de energía sigue siendo un área de interés.

P: ¿Qué factores influyen en el precio de los servicios de impresión por fusión en lecho de polvo?

R: Los costes de los materiales, el tiempo de fabricación, la mano de obra, el acabado, el modelo de impresora 3D, el volumen de producción y el sector de aplicación del comprador controlan en gran medida los niveles de precios de las piezas industriales de AM en la actualidad.

P: ¿Qué sectores son los principales adoptantes de la fabricación aditiva por fusión en lecho de polvo en la actualidad?

R: Las empresas aeroespaciales, médicas, de automoción y de diseño de maquinaria centradas en plantillas, utillajes y herramientas forman más de 60% de clientes comerciales que exploran aplicaciones de producción AM con polímeros y metales.

P: ¿Qué software especializado se necesita para preparar e imprimir de forma óptima modelos CAD en 3D?

R: Los programas de corte como Materialise Magics y SLM Build Processor orientan automáticamente las piezas para obtener la mejor geometría y las mejores propiedades, y adaptan los parámetros de escaneado. Algunos proveedores de impresoras incluyen herramientas de software propias.

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