Polvo de fusión selectiva por láser: Una guía completa

La fusión selectiva por láser (SLM) es una fabricación aditiva o técnica de impresión 3D que utiliza un láser para fundir polvo metálico en una pieza sólida capa a capa. Las propiedades de la pieza final vienen determinadas por las características del polvo metálico utilizado. En este artículo se ofrece una visión completa de los polvos SLM que abarca composición, propiedades, aplicaciones, especificaciones, precios, ventajas e inconvenientes, etc.

Visión general del polvo de fusión selectiva por láser

El polvo de fusión selectiva por láser, también conocido como polvo SLM, es la materia prima utilizada en el proceso de fabricación aditiva SLM. La SLM utiliza un láser de alta potencia para fundir y fusionar aleaciones metálicas en polvo en piezas 3D totalmente densas.

Los polvos SLM son polvos metálicos finos cuyo tamaño suele oscilar entre 15 y 45 micras. Los polvos SLM más comunes son aleaciones basadas en aluminio, titanio, níquel, cobalto y acero inoxidable. La composición y la distribución granulométrica del polvo determinan las características de las piezas impresas mediante fusión selectiva por láser.

Elegir el polvo SLM adecuado es fundamental para producir piezas de alta calidad con las propiedades mecánicas, la precisión, el acabado superficial y la microestructura deseados. Esta guía ofrece información detallada sobre los distintos tipos de polvos SLM, sus aplicaciones, especificaciones, precios, ventajas e inconvenientes y los principales proveedores mundiales.

Principales características de los polvos SLM

• Polvo ultrafino de 15 a 45 micras para una fusión láser precisa
• Morfología esférica para la fluidez del polvo
• Composición químicamente pura para minimizar los defectos
• La distribución controlada del tamaño de las partículas evita la segregación
• Método de producción atomizado con gas inerte
• Adiciones de aleación para mejorar las propiedades
• Puede incluir revestimientos patentados para mejorar el flujo y la fusión

Tabla 1: Tipos de polvos de fusión selectiva por láser

Composición de los polvos SLM

Los polvos SLM son polvos metálicos esféricos fabricados a partir de diversas aleaciones mediante atomización con gas. La composición determina las propiedades del material de las piezas impresas.

Tabla 2: Composición de las aleaciones de polvo SLM más comunes

Los principales elementos de aleación de los polvos SLM son los siguientes:

• Aluminio - Disminuye el punto de fusión, aumenta la conductividad térmica
• Silicio - Mejora la fluidez y la soldabilidad
• Magnesio - Fortalecedor
• Titanio - Biocompatible, alta resistencia
• Aluminio - Estabilizador alfa y beta en aleaciones de titanio
• Vanadio - Estabilizador beta en aleaciones de titanio
• Níquel - Resistencia a la corrosión, ductilidad
• Cromo - Resistencia a la oxidación y la corrosión
• Hierro - Contribuye a la resistencia de las superaleaciones
• Niobio - Elemento de refuerzo en superaleaciones
• Molibdeno - Refuerzo en solución sólida en superaleaciones
• Cobalto - Aumenta la resistencia a altas temperaturas

Las trazas de impurezas se minimizan para reducir los defectos en los componentes impresos con SLM.

Propiedades de los polvos SLM

Las propiedades de los polvos SLM influyen directamente en las características de las piezas impresas en 3D. Entre las propiedades deseadas se incluyen una buena fluidez, una alta pureza y una distribución optimizada del tamaño de las partículas.

Tabla 3: Propiedades clave de los polvos SLM

Además, los polvos para SLM presentan una distribución granulométrica optimizada con un rango ajustado para evitar problemas de segregación. La mayoría de los polvos para SLM tienen valores D10 y D90 de entre 10 y 20 micras.

Las características del polvo para SLM, como la densidad del lecho de polvo, la fluidez, la dispersión y la reciclabilidad, determinan la calidad de las piezas impresas. Los polvos se diseñan para equilibrar estos factores.

Aplicaciones de los polvos SLM

Los polvos SLM se utilizan para imprimir piezas metálicas funcionales en diversos sectores:

Cuadro 4: Aplicaciones de los polvos de fusión selectiva por láser

Entre las principales ventajas de la SLM para la producción de piezas se incluyen:

• Capacidad para crear geometrías complejas que no son posibles con fundición o mecanizado
• Piezas personalizadas bajo demanda sin utillaje pesado
• Reducción del peso mediante la optimización de los diseños para la función
• Consolidación de conjuntos en piezas individuales
• Tiempo de respuesta rápido desde el diseño hasta la pieza

La SLM es adecuada para la producción de volúmenes bajos y medios de componentes metálicos de uso final en todos los sectores.

Especificaciones de los polvos SLM

Los polvos SLM deben cumplir estrictas especificaciones en cuanto a composición, distribución del tamaño de las partículas, morfología, características de flujo, densidad aparente, niveles de contaminación y microestructura.

Tabla 5: Especificaciones típicas de los polvos de fusión selectiva por láser

Los principales proveedores de polvo para SLM disponen de instalaciones internas de caracterización del polvo para garantizar el cumplimiento de estos parámetros en cada lote de polvo antes de su entrega a los clientes.

Precios de los polvos de fusión selectiva por láser

El coste de los polvos SLM depende de la composición de la aleación, la calidad, el proveedor, la cantidad de compra y la región geográfica. A continuación se muestran algunos precios típicos del polvo:

Tabla 6: Precios indicativos de las aleaciones de polvo SLM más populares

Los precios son más altos en aleaciones reactivas como el titanio y más bajos en aleaciones básicas como el aluminio y el acero inoxidable. Los grados aeroespaciales cuestan más que las aleaciones convencionales. Los proveedores de polvo para SLM ofrecen descuentos por compras al por mayor.

En general, el coste de los materiales constituye el 15-30% del coste total de la pieza en la AM de metales. El polvo en sí representa una parte importante de este coste de materiales. Optimizar la reutilización del polvo sin fundir ayuda a reducir el coste medio de las piezas.

Principales proveedores de polvos SLM

Muchas empresas ofrecen polvos metálicos atomizados por gas diseñados específicamente para la fabricación aditiva SLM. Algunos de los principales proveedores mundiales son:

Cuadro 7: Principales proveedores de polvos de fusión selectiva por láser

Estas empresas han invertido en tecnología de atomización y caracterización avanzada para garantizar que los polvos SLM cumplen los estrictos requisitos de impresión 3D de piezas de alta calidad. Ofrecen una amplia gama de materiales adaptados a la SLM.

Ventajas e inconvenientes de los polvos SLM

Cuadro 8: Ventajas y limitaciones de los polvos de fusión selectiva por láser

Pros

• El tamaño fino de 15-45 micras de los polvos SLM permite imprimir con una resolución muy alta y características pequeñas.
• La forma esférica de las partículas y su buena fluidez evitan la agregación de polvo y los problemas de alimentación durante la impresión.
• La alta pureza química minimiza defectos como inclusiones y huecos en las piezas impresas.
• La distribución del tamaño de las partículas está optimizada para evitar la segregación y garantizar una fusión homogénea.
• Los proveedores especializados diseñan aleaciones personalizadas con composiciones adaptadas a las aplicaciones de SLM.
• La atomización con gas inerte evita la oxidación del polvo.

Contras

• Hay menos aleaciones establecidas para la SLM en comparación con los métodos de fabricación tradicionales.
• Las aleaciones reactivas como el titanio requieren una manipulación especial para evitar la contaminación, lo que aumenta el coste.
• Al ser polvos finos, los materiales SLM son sensibles a la absorción de humedad durante su almacenamiento y manipulación.
• Los polvos metálicos plantean riesgos como explosiones de polvo y peligros para la salud que requieren precauciones de seguridad.
• Las aleaciones SLM cuestan bastante más que los grados de polvo estándar debido al proceso de producción especializado.
• Algunas aleaciones tienen muy pocos proveedores, lo que limita la disponibilidad y la calidad del material.
• El polvo no fundido no puede desecharse sin más y debe reutilizarse debido a factores de sostenibilidad y coste.

Cómo elegir el polvo SLM

La selección del polvo SLM óptimo para una aplicación requiere tener en cuenta factores como:

• Función parcial - Requisitos mecánicos, tensiones, condiciones de funcionamiento
• Propiedades de la aleación - Resistencia, dureza, ductilidad, resistencia al calor
• Necesidades de tratamiento posterior - Respuesta al tratamiento térmico, maquinabilidad
• Factores del proceso - Densidad del lecho de polvo, absorción láser, fluidez
• Consideraciones económicas - Precio del material, implicaciones del equipamiento

La función de la pieza guía principalmente la selección de la aleación. Las piezas críticas sometidas a grandes esfuerzos exigen polvos que puedan alcanzar la máxima densidad y propiedades mecánicas. Las aplicaciones de prototipado menos críticas permiten más flexibilidad.

Factores del proceso como la velocidad de impresión, la precisión alcanzable y el acabado superficial también dependen del polvo. La evaluación comparativa de los materiales candidatos en impresoras reales identifica la mejor combinación.

El coste desempeña un papel clave. Las aleaciones de alto rendimiento para aplicaciones aeroespaciales son mucho más caras que las calidades convencionales. Es posible que las aleaciones exclusivas sólo estén disponibles en un único proveedor.

Una evaluación exhaustiva de los requisitos de la aplicación frente a las capacidades y los costes del material conduce a la elección del polvo SLM óptimo.

Cómo almacenar y manipular el polvo SLM

La manipulación y el almacenamiento cuidadosos de los polvos SLM son esenciales para evitar la degradación del material y garantizar la alta calidad de las piezas impresas:

• Almacenar los envases sin abrir en un lugar fresco y seco, protegido de la luz solar y de la humedad. Evitar el exceso de calor.
• Abrir los envases de polvo sólo en una guantera inerte con niveles de oxígeno inferiores a 10 ppm para evitar la oxidación.
• Transfiera los polvos en una guantera utilizando una toma de tierra adecuada para evitar la acumulación de electricidad estática. Utilizar guantes de nitrilo.
• Cerrar herméticamente los envases durante el almacenamiento. Utilizar sólo los envases originales, no bolsas de plástico.
• Para grandes volúmenes, almacene el polvo en máquinas con sistemas de gas inerte integrados.
• Antes de su reutilización, tamizar el polvo a través de los tamaños de malla recomendados para romper los aglomerados y eliminar los contaminantes.
• Utilice hornos de secado de polvo y desgasificadores térmicos al vacío para reducir los niveles de humedad si es necesario.
• Cuando deseche el polvo usado, humedézcalo con agua para evitar el riesgo de polvo en suspensión y elimínelo como residuo peligroso.
• Siga todas las precauciones de seguridad para la manipulación de polvos metálicos finos, incluidos los EPI y la prevención de explosiones.

La correcta gestión del polvo mantiene la uniformidad entre tiradas y permite reutilizar hasta 80-90% de polvo sin fundir. Esto maximiza el rendimiento al tiempo que minimiza los costes de materias primas.

Polvo de fusión selectiva por láser FAQ

P: ¿Cuál es el rango típico de tamaños de partícula de los polvos SLM?

R: La mayoría de los polvos SLM tienen un tamaño de entre 15 y 45 micras, con la mayoría de las partículas en el rango de 20 a 35 micras. Los polvos más finos mejoran la resolución, mientras que los tamaños más grandes perjudican el detalle y la precisión.

P: ¿Cómo se fabrican los polvos SLM?

R: Los polvos SLM se fabrican mediante atomización con gas inerte, en la que la corriente de aleación fundida se rompe en gotas que se solidifican en partículas esféricas. Esto evita la oxidación del polvo.

P: ¿Qué se entiende por "densidad aparente" y "densidad de toma" del polvo?

R: La densidad aparente es la densidad aparente medida en condiciones normales. La densidad aparente es la densidad aparente medida en condiciones normales. Las densidades más altas mejoran las características del lecho de polvo.

P: ¿Por qué son importantes las características de fluidez de los polvos SLM?

R: Una buena fluidez y esparcimiento del polvo garantiza capas uniformes para una fusión uniforme y evita los problemas de agregación. Las partículas esféricas mejoran el flujo en comparación con las formas irregulares.

P: ¿Cómo se reutilizan los polvos SLM tras la impresión?

R: El polvo no fundido se tamiza para romper los aglomerados, se seca al vacío para reducir la humedad y se mezcla con polvo fresco antes de su reutilización. Esto permite tasas de reciclaje superiores a 80%.

P: ¿Qué precauciones de seguridad son necesarias al manipular polvos SLM?

R: Los polvos metálicos presentan riesgos de explosión, incendio y para la salud. Utilice EPI adecuados, ventilación suficiente, conexión a tierra apropiada y guanteras de gas inerte. Nunca vierta el polvo al aire libre.