Tecnología de impresión 3D SLM
Índice
Visión general de Impresión 3D SLM
La SLM (fusión selectiva por láser) es una tecnología de fabricación aditiva o impresión 3D que utiliza un láser para fundir polvos metálicos en objetos sólidos 3D. La SLM es adecuada para procesar metales reactivos y de alta resistencia como el titanio, el aluminio, el acero inoxidable, el cromo-cobalto y las aleaciones de níquel en piezas funcionalmente densas con geometrías intrincadas.
Impresión 3D SLM funciona fundiendo selectivamente capas sucesivas de polvo metálico unas sobre otras mediante un rayo láser focalizado. El láser funde y fusiona completamente las partículas en los lugares definidos por el corte del modelo CAD. Después de escanear cada capa, se aplica una nueva capa de polvo y el proceso se repite hasta construir la pieza completa. Las piezas fabricadas mediante SLM presentan propiedades comparables o superiores a las de la fabricación tradicional.
La SLM se valora por su capacidad para producir componentes metálicos densos, ligeros y complejos con propiedades mecánicas mejoradas y formas que no son factibles con los métodos convencionales. Siga leyendo para obtener una guía detallada sobre la impresión 3D SLM que abarca sus características clave, aplicaciones, especificaciones, proveedores, costes, ventajas e inconvenientes, etc.
Principales características de la tecnología SLM
| Característica | Descripción |
|---|---|
| Precisión | La SLM puede construir estructuras extremadamente intrincadas y delicadas con pequeñas características de hasta 30 μm de resolución. |
| Complejidad | Sin restricciones de utillaje, la SLM puede crear formas complejas como celosías, canales internos y topología optimizada. |
| Densidad | La SLM produce más de 99% de piezas metálicas densas con propiedades materiales que se aproximan a las de los metales forjados. |
| Acabado superficial | Aunque puede ser necesario un tratamiento posterior, la SLM ofrece una rugosidad superficial de 25-35 μm Ra. |
| Precisión | La SLM presenta una precisión dimensional de ±0,1-0,2% y tolerancias de ±0,25-0,5%. |
| Un solo paso | La SLM forma piezas totalmente funcionales directamente a partir de un modelo 3D sin pasos adicionales de utillaje. |
| Automatización | El proceso SLM está automatizado y requiere un mínimo de trabajo manual. También se generan menos residuos. |
| Personalización | SLM permite una personalización e iteraciones rápidas, flexibles y rentables. |
Principales aplicaciones de la impresión 3D SLM
La SLM es más adecuada para volúmenes de producción pequeños y medianos en los que se requiere complejidad y personalización. Se utiliza ampliamente para prototipos metálicos y piezas de producción de uso final en diversos sectores. Algunas de las principales aplicaciones son:
| Zona | Utiliza |
|---|---|
| Aeroespacial | Álabes de turbina, piezas de motor, estructuras reticulares. |
| Automoción | Componentes aligerados, soportes personalizados, diseños de puertos complejos. |
| Médico | Implantes, prótesis y herramientas quirúrgicas específicas para cada paciente. |
| Dental | Coronas, puentes, implantes de cromo-cobalto biocompatibles. |
| Herramientas | Herramientas de moldeo por inyección con canales de refrigeración conformados. |
| Joyería | Intrincados diseños y estructuras con metales preciosos. |
| Defensa | Componentes ligeros para vehículos, aeronaves e inserciones para chalecos antibalas. |
Esta tecnología se utiliza ampliamente en sectores como el aeroespacial, defensa, automoción y sanidad por su capacidad de producir piezas metálicas totalmente funcionales con propiedades mecánicas mejoradas y geometrías complejas.
Directrices de diseño y especificaciones de SLM
Un diseño adecuado de la pieza es fundamental para evitar problemas de producción con la SLM, como tensiones residuales, distorsión, mal acabado superficial y falta de defectos de fusión. Entre los elementos a tener en cuenta se incluyen:
| Aspecto del diseño | Directrices |
|---|---|
| Espesor mínimo de pared | ~0,3-0,5 mm para evitar el colapso y el exceso de tensión residual. |
| Tamaño del agujero | >1 mm de diámetro para permitir la eliminación del polvo sin fundir. |
| Ángulos soportados | Evitar ángulos inferiores a 30° respecto a la horizontal que requieran soportes. |
| Secciones huecas | Incluyen orificios de escape para eliminar el polvo de las cavidades internas. |
| Acabado superficial | Orientación del diseño y tratamiento posterior necesarios para las superficies críticas. |
| Admite | Utilice soportes cilíndricos o de celosía conductores del calor para evitar la deformación de las piezas. |
| Texto | Texto en relieve a 0,5-2 mm de altura para mayor legibilidad. |
| Tolerancias | Tener en cuenta una precisión de tamaño de +/- 0,1-0,2% y los efectos anisótropos. |
Siguiendo los principios del diseño para la fabricación aditiva (DFAM), las piezas pueden optimizarse para aprovechar al máximo las ventajas de la SLM en cuanto a complejidad, reducción de peso, aumento del rendimiento y consolidación de componentes.
Especificaciones de tamaño del sistema SLM
| Parámetro | Alcance típico |
|---|---|
| Construir la envoltura | 100-500 mm x 100-500 mm x 100-500 mm |
| Potencia láser | 100-500 W |
| Espesor de capa | 20-100 μm |
| Tamaño del haz | 30-80 μm |
| Velocidad de escaneado | Hasta 10 m/s |
| Tamaño de la cámara inerte | 0,5-2 m de diámetro |
Los sistemas SLM cuentan con una cámara llena de gas inerte, un mecanismo de recubrimiento de polvo y un láser de alta potencia enfocado a un punto diminuto para fundir las capas de polvo metálico. Los volúmenes de fabricación más grandes y la mayor potencia del láser permiten fabricar piezas más grandes y a mayor velocidad.
Parámetros del proceso SLM
| Variable | Papel |
|---|---|
| Potencia láser | Fundición y fusión de las partículas de polvo. |
| Velocidad de exploración | Controlar el aporte global de energía y los índices de refrigeración. |
| Espacio entre escotillas | Piscinas de fusión superpuestas para una consolidación uniforme. |
| Espesor de capa | Resolución y rugosidad superficial. |
| Desplazamiento de enfoque | Tamaño del punto láser y profundidad de penetración. |
| Estrategia de escaneado | Distribución uniforme del calor y las tensiones residuales. |
La optimización de los parámetros del proceso de SLM ayuda a conseguir la máxima densidad de piezas, defectos mínimos, microestructura y propiedades mecánicas controladas, buen acabado superficial y precisión geométrica.
Requisitos del polvo SLM
| Característica | Especificación típica |
|---|---|
| Material | Acero inoxidable, aluminio, titanio, cromo-cobalto, aleaciones de níquel. |
| Tamaño de las partículas | Rango típico de 10-45 μm. |
| Distribución por tamaños | Relación D90/D50 < 5. Distribución estrecha para mayor fluidez. |
| Morfología | Partículas esferoidales o en forma de patata con satélites bajos. |
| Pureza | >99,5% con bajo contenido de oxígeno, nitrógeno e hidrógeno. |
| Densidad aparente | 40-60% para una buena fluidez del polvo y densidad de empaquetado. |
Para obtener piezas de alta densidad y calidad mediante SLM se necesitan polvos esféricos de gran pureza con una distribución del tamaño de las partículas y una morfología controladas. Los polvos que cumplen estos criterios permiten un recubrimiento suave durante el proceso de construcción por capas.
Pasos del postprocesado SLM
Aunque la SLM produce piezas de forma casi neta, suele ser necesario cierto tratamiento posterior:
| Método | Propósito |
|---|---|
| Eliminación de polvo | Limpiar el polvo suelto de las cavidades internas. |
| Retirada del soporte | Cortar las estructuras de soporte utilizadas para anclar la pieza. |
| Acabado de superficies | Reducir la rugosidad mediante granallado, mecanizado CNC, pulido, etc. |
| Tratamiento térmico | Aliviar las tensiones y conseguir las propiedades mecánicas deseadas. |
| Prensado isostático en caliente | Cerrar la porosidad residual, homogeneizar la estructura. |
El posprocesamiento mediante mecanizado CNC multieje, esmerilado, pulido, grabado y otros métodos de acabado superficial ayudan a conseguir las dimensiones críticas, el acabado superficial liso y la estética requerida por la aplicación final.
Análisis de costes de la impresión SLM
| Factor de coste | Alcance típico |
|---|---|
| Precio de la máquina | $100.000 a $1.000.000+ |
| Precio del material | $100 a $500 por kg |
| Costes de explotación | $50 a $500 por hora de construcción |
| Trabajo | Funcionamiento de la máquina, tratamiento posterior |
| Reciclaje de polvo | Puede reducir considerablemente los costes de material |
Los principales costes de la impresión SLM proceden de la compra inicial del sistema, los materiales, el funcionamiento de la máquina y la mano de obra. Las grandes series de producción ofrecen ventajas de economía de escala. El reciclaje del polvo no utilizado reduce los gastos de material.
Elegir un proveedor de impresoras 3D SLM
| Consideraciones | Orientación |
|---|---|
| Modelos de impresoras | Compare el volumen de fabricación, los materiales, la precisión y las especificaciones de velocidad. |
| Reputación del fabricante | Experiencia en investigación, opiniones de clientes y estudios de casos. |
| Servicio y asistencia | Considere la formación, los contratos de mantenimiento y la capacidad de respuesta. |
| Funciones de software | Evalúe la facilidad de uso, la flexibilidad y las funciones. |
| Producción | Adecuar los volúmenes de producción a las necesidades de plazos de entrega. |
| Procedimientos de calidad | Revisar la repetibilidad, los pasos de garantía de calidad y la validación de piezas. |
| Postprocesado ofrecido | Disponibilidad de prensado isostático en caliente, acabado de superficies, etc. |
Entre los principales fabricantes de sistemas SLM se encuentran EOS, 3D Systems, SLM Solutions, Renishaw y AMCM. Al seleccionar un proveedor, evalúe las especificaciones de la máquina, la reputación del fabricante, los procedimientos de calidad, los servicios y los costes.
Ventajas e inconvenientes de la impresión SLM
| Ventajas | Desventajas |
|---|---|
| Geometrías complejas más allá de otros métodos | Los pequeños volúmenes de fabricación limitan el tamaño de las piezas |
| Rápidas iteraciones de diseño | Proceso lento para la producción en serie |
| Componentes ligeros consolidados | Costes elevados de maquinaria y material |
| Propiedades mecánicas excepcionales | Opciones de material limitadas |
| Reducción de residuos | Puede requerir estructuras de apoyo |
| Fabricación justo a tiempo | A menudo es necesario el postprocesado |
La impresión 3D SLM ofrece una libertad de diseño, una consolidación de piezas, una resistencia ligera y un potencial de personalización sin precedentes. Las desventajas son los costes del sistema, la lentitud, las restricciones de tamaño y las limitaciones de material.
PREGUNTAS FRECUENTES
Aquí encontrará respuestas a algunas preguntas frecuentes sobre la tecnología de fusión selectiva por láser:
¿Qué materiales se pueden imprimir con SLM?
La SLM es adecuada para metales reactivos y de alta resistencia, como acero inoxidable, aluminio, titanio, cromo-cobalto, aleaciones de níquel y otros. Cada sistema está diseñado para unas capacidades de material específicas.
¿Cuál es la precisión de la impresión SLM?
La SLM ofrece precisiones de alrededor de ±0,1-0,2% con acabados superficiales de 25-35 μm Ra en función del material, los parámetros y la geometría de la pieza. La resolución puede llegar a 30 μm.
¿Qué resistencia tienen las piezas impresas con SLM?
La SLM produce más de 99% de piezas metálicas densas con resistencias de material comparables o superiores a los métodos convencionales de fabricación de metales.
¿Cuáles son algunos ejemplos de componentes fabricados por SLM?
La SLM se utiliza ampliamente en los sectores aeroespacial, médico, dental, automovilístico y otros, para artículos como álabes de turbina, implantes, moldes de inyección y soportes ligeros.
¿Qué tamaño de piezas puede imprimir la SLM?
Los volúmenes de fabricación típicos de las SLM oscilan entre 100-500 mm x 100-500 mm x 100-500 mm. Existen sistemas más grandes para piezas de mayor tamaño. El tamaño está limitado por la cámara y los soportes necesarios.
¿Cuánto dura la impresión SLM?
Los tiempos de construcción oscilan entre horas y un par de días en función de factores como el tamaño de la pieza, el grosor de la capa y el número de componentes empaquetados en la plataforma. La SLM imprime metal a una velocidad de 5-100 cm3/hora.
¿Necesita soportes el SLM?
A menudo se necesitan estructuras de soporte mínimas durante la impresión SLM. Actúan como anclajes y conductores térmicos para evitar la deformación durante la construcción. Los soportes se retiran después de la impresión.
¿Qué temperaturas alcanza la SLM?
El láser localizado en SLM puede alcanzar brevemente hasta 10.000 °C en el baño de fusión, enfriándose rápidamente para formar metal solidificado. La cámara funciona por debajo de 100 °C.
¿Qué diferencia a la SLM del resto de impresoras 3D?
La SLM utiliza un láser para fundir completamente el polvo metálico en piezas densas y funcionales. Otros métodos de impresión 3D en metal, como el chorro de aglutinante, utilizan colas y sinterización que producen resultados más porosos.
¿Cuáles son las principales etapas del proceso de GST?
- El modelo CAD se corta digitalmente en capas
- El polvo se hace rodar por la plataforma de construcción
- El láser escanea cada capa fusionando las partículas de polvo
- Los pasos 2-3 se repiten hasta completar la pieza
- Postprocesado como eliminación de soportes y acabado de superficies
¿Qué polvo se utiliza en la SLM?
La SLM utiliza polvos metálicos finos de 10-45 μm con morfología esférica y una distribución controlada del tamaño de las partículas. Los materiales más comunes son el acero inoxidable, el titanio, el aluminio y las aleaciones de níquel, entre otros.
¿Qué sectores utilizan la impresión SLM?
Las industrias aeroespacial, médica, dental, automovilística, de herramientas y joyera utilizan la tecnología SLM por su capacidad para producir piezas metálicas complejas y personalizables con gran precisión y resistencia.
¿Cuánto cuesta la impresión SLM?
La SLM tiene unos costes de sistema elevados, de $100.000 - $1.000.000+. Los materiales cuestan $50-500/kg. Las economías de escala entran en juego para volúmenes de producción mayores. Los costes operativos oscilan entre $50-500/hora.
¿Qué precauciones de seguridad son necesarias con la SLM?
La SLM implica riesgos de láser, superficies calientes, polvos metálicos finos reactivos y posibles emisiones. Deben utilizarse equipos de seguridad láser, ventilación de gas inerte y protección personal adecuados.
Conclusión
La fabricación aditiva SLM ofrece capacidades extraordinarias para producir componentes metálicos densos y robustos con una integridad estructural similar a la de las piezas mecanizadas. Aumenta la libertad de diseño, la complejidad, la personalización, el aligeramiento y la consolidación en comparación con los métodos de fabricación tradicionales. Sin embargo, el proceso conlleva unos costes de sistema significativos y velocidades de fabricación lentas.
Con los continuos avances en materiales, calidad, tamaño de construcción, precisión, software y parámetros, la adopción de la SLM para aplicaciones de producción de uso final en los sectores aeroespacial, médico, dental, automovilístico y otros se está acelerando. Aprovechando las ventajas de la SLM y teniendo en cuenta sus limitaciones, los fabricantes pueden utilizarla para obtener ventajas competitivas.
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