Fabricación aditiva SLM
Índice
Visión general de Fabricación aditiva SLM
La fusión selectiva por láser (SLM) es una tecnología de fabricación aditiva que utiliza un láser para fundir y fusionar selectivamente material metálico en polvo capa a capa para construir objetos en 3D. La SLM es adecuada para procesar metales reactivos como el titanio, el aluminio y el acero inoxidable en piezas totalmente densas y funcionales con geometrías complejas.
La SLM ofrece varias ventajas en comparación con la fabricación tradicional:
Ventajas de la fabricación aditiva SLM
| Beneficio | Descripción |
|---|---|
| Libertad de diseño | La SLM puede producir geometrías complejas como celosías, canales internos y formas orgánicas que no son posibles con el mecanizado. |
| Personalización | Las piezas se pueden personalizar y optimizar fácilmente en función de las limitaciones de funcionalidad y no de fabricación. |
| Aligeramiento | Las formas orgánicas y las celosías permiten que las piezas sean ligeras sin perder resistencia |
| Ahorro de material | La SLM sólo utiliza la cantidad de material necesaria frente al mecanizado a partir de bloques macizos |
| Creación rápida de prototipos | Las piezas pueden imprimirse directamente en 3D a partir de CAD, en lugar de utilizar herramientas para la creación de prototipos. |
| Producción justo a tiempo | La impresión bajo demanda reduce los costes de inventario |
| Resistencia de la cadena de suministro | La fabricación distribuida reduce los riesgos de la cadena de suministro |
Sin embargo, el SLM también tiene algunas limitaciones:
Limitaciones de la fabricación aditiva SLM
| Limitación | Descripción |
|---|---|
| Costes de maquinaria | Las máquinas industriales de SLM tienen unos elevados costes de capital inicial de $100K-$1M+. |
| Opciones de material | Actualmente se limita a metales reactivos como el titanio, el aluminio, los aceros para herramientas y las superaleaciones. |
| Precisión | La precisión típica de 0,1-0,2 mm es inferior a las tolerancias de mecanizado |
| Acabado superficial | La superficie impresa es rugosa y requiere un tratamiento posterior |
| Tamaño del edificio | El tamaño máximo de la pieza está limitado por el tamaño de la cámara de la impresora |
| Producción de lotes pequeños | Más económico para lotes pequeños y piezas personalizadas que para la producción en serie |
| Tratamiento posterior | Se requieren pasos adicionales como la eliminación de soportes o el tratamiento térmico |
Cómo funciona la impresión 3D SLM
La SLM es una tecnología de fusión de lecho de polvo que utiliza un rayo láser focalizado para fundir y fusionar selectivamente material metálico en polvo capa por capa.
Las etapas clave del proceso de GST son:
Proceso de impresión 3D SLM
| Paso | Descripción |
|---|---|
| Modelo 3D | Un modelo CAD 3D se corta digitalmente en capas |
| Polvo para untar | Una cuchilla de recubrimiento esparce una fina capa de polvo por la plataforma de impresión. |
| Fusión por láser | Un rayo láser traza cada capa fundiendo el polvo para unirlo basándose en los datos CAD troceados |
| Plataforma inferior | La plataforma de construcción desciende y se esparce otra capa de polvo por encima |
| Repita los pasos | El proceso de fusión de capas se repite hasta que se forma la pieza completa |
| Quitar pieza | La pieza impresa en 3D se retira del lecho de polvo |
| Post-proceso | La pieza se limpia y se trata térmicamente para aliviar tensiones |
Materiales SLM
La SLM es capaz de procesar una gama de metales reactivos en piezas totalmente densas, entre las que se incluyen:
Materiales SLM
| Material | Propiedades clave | Aplicaciones |
|---|---|---|
| Aleaciones de titanio | Elevada relación resistencia/peso, biocompatibilidad | Aeroespacial, implantes médicos |
| Aleaciones de aluminio | Ligero, de gran resistencia | Automoción, aeroespacial |
| Aceros inoxidables | Resistencia a la corrosión, alta resistencia | Utillaje industrial, naval |
| Aceros para herramientas | Gran dureza, resistencia al calor | Moldes de inyección, matrices |
| Superaleaciones de níquel | Resistencia al calor y a la corrosión | Álabes de turbina, toberas de cohete |
| Cromo cobalto | Resistencia al desgaste, biocompatibilidad | Implantes dentales, ortopedia |
Los materiales de SLM más comunes son el titanio y las aleaciones de aluminio, junto con los aceros para herramientas y los aceros inoxidables. También pueden procesarse con tecnología SLM superaleaciones y compuestos metálicos más exóticos.
Directrices de diseño de SLM
Para diseñar con éxito piezas para la impresión 3D SLM, los ingenieros deben seguir estas directrices:
Directrices de diseño de SLM
| Directriz | Descripción |
|---|---|
| Evitar los voladizos | Reducir al mínimo los voladizos que requieran soportes que deban retirarse |
| Anclajes de diseño | Incluir pequeños anclajes o pestañas para fijar la pieza a la placa de construcción. |
| Orientar para la fuerza | Alinear la pieza para maximizar la fuerza en dirección funcional |
| Minimizar la altura de la pieza | Orientar para minimizar la altura Z y evitar el colapso de elementos delicados |
| Permitir el mecanizado posterior | Añada 0,1-0,3 mm de margen para el postprocesado si necesita tolerancias estrechas |
| Optimizar los diseños reticulares | Ajuste del tamaño de la célula y del puntal a las cargas de la pieza y a las restricciones del SLM. |
| Incluye orificios de ventilación | Añadir pequeños agujeros para evitar que el polvo atrapado cause defectos |
| Canales de refrigeración conformados | Diseño de canales de refrigeración internos complejos que no son posibles con taladrado/mecanizado |
| Combinar las piezas | Consolidación de conjuntos en piezas individuales para reducir los requisitos de montaje |
Seguir estas directrices ayuda a evitar defectos comunes de impresión SLM como un mal acabado superficial, distorsión, agrietamiento o polvo atrapado.
Fabricantes de impresoras SLM
Entre los principales fabricantes de sistemas SLM figuran:
Fabricantes de impresoras 3D SLM
| Empresa | Impresoras | Características principales |
|---|---|---|
| EOS | EOS M290, EOS M300 x4 | Pionero de la impresión 3D en metal, excelentes propiedades de las piezas |
| Soluciones SLM | SLM 280, SLM 500, SLM 800 | Potencia láser muy alta para productividad, grandes volúmenes de construcción |
| Sistemas 3D | Fábrica DMP 500 | Sistemas escalables para grandes volúmenes de producción |
| Aditivos GE | Concept Laser M2, X Line 2000R | Ahora parte de GE, caballos de batalla de productividad fiable |
| Renishaw | RenAM 500Q | Excelente precisión, sistema integrado de gestión de la calidad |
A la hora de elegir un sistema SLM, los factores clave son el volumen de fabricación, la potencia del láser, las capacidades de los materiales, la precisión y el flujo de trabajo del software. Los principales fabricantes ofrecen sistemas consolidados, pero también están surgiendo muchos nuevos competidores de China e India.
Precios de las impresoras SLM
Los sistemas industriales de SLM tienen unos elevados costes de capital inicial, que oscilan entre $100.000 para las máquinas básicas y $1.000.000+ para los sistemas de producción de gama alta:
Precios de las impresoras SLM
| Fabricante | Modelo de impresora | Construir volumen | Precios |
|---|---|---|---|
| EOS | EOS M100 | 95 x 95 x 95 mm | $100k - $150k |
| Soluciones SLM | SLM 125 | 125 x 125 x 125 mm | $175k - $250k |
| Sistemas 3D | Fábrica DMP 500 | 500 x 500 x 500 mm | $500k - $800k |
| Aditivos GE | Concepto Láser M2 Serie 5 | 250 x 250 x 280 mm | $700k - $900k |
| Renishaw | RenAM 500M | 250 x 250 x 350 mm | $950k - $1.2M |
Los mayores volúmenes de fabricación, la mayor potencia del láser y las funciones de productividad aumentan los costes del sistema. Pero la clave está en elegir bien en función de las necesidades de la aplicación y los requisitos de producción.
Consideraciones sobre las instalaciones de SLM
Para gestionar con éxito una instalación de GST, las empresas deben tener en cuenta:
Factores de la instalación SLM
| Factor | Descripción |
|---|---|
| Costes de las instalaciones | Contabilizar los costes de impresión, materiales y construcción de las instalaciones |
| Manipulación de materiales | Instalar equipos de manipulación de polvo y proporcionar EPI a los trabajadores |
| Tratamiento posterior | Equipos de limpieza, tratamiento térmico, HIP, acabado de superficies, etc. |
| Software | Software de flujo de trabajo para programación, anidamiento y supervisión de procesos |
| Formación | Formar a los ingenieros en el diseño y a los técnicos en el funcionamiento de las impresoras |
| Seguridad | Siga los procedimientos de manipulación de polvo y disponga de sistemas de extinción de incendios |
| Mantenimiento | Programar el mantenimiento y la calibración periódicos del sistema |
| Control de calidad | Medición de dimensiones y propiedades de materiales, pruebas de repetibilidad |
| Certificación | Certificación ISO 9001, AS9100 para industrias reguladas |
La elección de un proveedor de servicios con experiencia puede ayudar a gestionar la configuración de las instalaciones, las operaciones y la certificación para aplicaciones reguladas como los dispositivos médicos o aeroespaciales.
Ventajas de la fabricación aditiva SLM
Entre las principales ventajas de la impresión 3D SLM se incluyen:
Ventajas de la fabricación aditiva SLM
| Ventaja | Descripción |
|---|---|
| Geometrías complejas | La SLM puede producir formas orgánicas muy complejas e intrincados entramados y canales internos |
| Piezas a medida | Cree fácilmente piezas personalizadas adaptadas a las necesidades del cliente frente a las limitaciones de las herramientas. |
| Reducción de peso | Las estructuras reticulares y la optimización de la topología permiten diseños ligeros y resistentes |
| Conjuntos consolidados | Combinar varios componentes en una sola pieza compleja |
| Plazos de entrega rápidos | Imprima piezas bajo demanda directamente a partir de datos CAD, en lugar de tardar meses en mecanizarlas |
| Reducción de residuos | Sólo se utiliza la cantidad de material necesaria frente al mecanizado a partir de tocho |
| Producción a la carta | Permite la fabricación distribuida "justo a tiempo" cerca de los clientes |
| Reducción de existencias | Imprima las piezas que necesite para reducir los costes de utillaje, almacenamiento e inventario. |
| Materiales de alto rendimiento | Transformación de metales avanzados como el titanio y las superaleaciones en piezas de uso final |
La libertad de diseño, la personalización de las piezas y la capacidad de producción distribuida hacen que la SLM sea ideal para la producción de volúmenes bajos y medios en aplicaciones aeroespaciales, médicas, industriales y de automoción.
Limitaciones de la fabricación aditiva SLM
El SLM tiene algunas limitaciones:
Limitaciones de la fabricación aditiva SLM
| Limitación | Descripción |
|---|---|
| Coste de la máquina | Las impresoras SLM tienen elevados costes de capital, a menudo superiores a $500.000 |
| Disponibilidad de material | Actualmente se limita a metales estructurales reactivos frente a plásticos |
| Precisión | La precisión típica de 0,1-0,2 mm es inferior a la del mecanizado CNC |
| Acabado superficial | La superficie impresa es relativamente rugosa con efecto escalonado |
| Tratamiento posterior | A menudo es necesario retirar soportes, mecanizar y pulir |
| Velocidad de impresión | Los ritmos de fabricación típicos de 5-100 cc/hr limitan la velocidad frente a la producción en serie |
| Tamaño máximo de la pieza | Limitado por el volumen de la impresora, normalmente inferior a 500 x 500 x 500 mm |
| Supervisión de procesos | La falta de control in situ puede provocar defectos no detectados |
| Experiencia del operador | Los técnicos de SLM necesitan una formación importante sobre los procedimientos |
| Costes de material | Los metales en polvo pueden ser entre 2 y 5 veces más caros que las materias primas |
Para necesidades de muy alta precisión, piezas extremadamente grandes o volúmenes de producción masiva, los métodos sustractivos como el mecanizado CNC suelen ser más adecuados que los aditivos SLM.
El papel de la SLM en la fabricación
La SLM es más adecuada para:
Las mejores funciones para SLM en la fabricación
| Función de fabricación | Ejemplos |
|---|---|
| Creación rápida de prototipos | Rápidas iteraciones de diseño y pruebas de concepto |
| Producción de bajo volumen | Soportes aeroespaciales, impulsores, implantes médicos |
| Utillaje para puentes | Producción de las primeras unidades mientras se fabrican los moldes de inyección |
| Consolidación parcial | Combinación de varios componentes en una sola pieza |
| Personalización masiva | Productos de uso final personalizados, como alineadores dentales |
| Fabricación distribuida | Producción local bajo demanda cerca de los clientes |
Para volúmenes muy elevados, la fundición convencional a alta presión o el moldeo por inyección de plástico suelen ser más rentables que la impresión 3D SLM. Pero para la producción de tiradas cortas, la SLM destaca.
El futuro de la fabricación aditiva SLM
Se espera que la tecnología SLM se extienda a aplicaciones más amplias en el futuro:
El futuro de la SLM
| Tendencia | Descripción |
|---|---|
| Impresoras más grandes | Construir volúmenes de más de 1 metro de longitud y altura |
| Sistemas multi láser | Máquinas multiláser de más de 1 kW de potencia |
| Mayor velocidad | Velocidades de impresión de hasta 500 cc/h mediante láser galvo escaneado |
| Nuevos materiales | Aleaciones de alta temperatura, MMC, nuevos compuestos |
| Fabricación híbrida | Procesos AM y sustractivos combinados en un solo sistema |
| Postprocesamiento automatizado | Reducción del trabajo manual de retirada de soportes y acabado de superficies |
| Control durante el proceso | Control in situ del baño de fusión, el lecho de polvo y los defectos de las piezas |
| Simulación | Simulaciones basadas en la física para predecir el comportamiento y optimizar las construcciones |
| Aprendizaje automático | IA para el diseño, la optimización de procesos y la garantía de calidad |
| Cadena de suministro digital | Flujo de trabajo digital sin fisuras desde el diseño hasta la producción |
Elegir un proveedor de servicios SLM
Al seleccionar un proveedor de servicios SLM, los compradores deben evaluar:
Elegir un proveedor de servicios SLM
| Factor | Descripción |
|---|---|
| Equipos de impresión | Busque impresoras de metal industriales de renombre con una gran potencia de haz y grandes volúmenes de fabricación. |
| Materiales | Capacidad para procesar aleaciones deseadas como titanio, acero para herramientas y acero inoxidable. |
| Tratamiento posterior | Ofrecer una gama completa de procesamiento posterior a la impresión como HIP, mecanizado, pulido |
| Procedimientos de calidad | Certificación ISO 9001 o AS9100 con estrictos procesos de control de calidad |
| Experiencia en aplicaciones | Experiencia y estudios de casos en aplicaciones específicas como la aeroespacial, la automoción y la médica. |
| Apoyo al diseño | Capacidad de diseño y optimización de piezas para la fabricación AM |
| Plazos de entrega | Capacidad para entregar piezas de muestra y de producción en los plazos requeridos. |
| Preparación del expediente | Acepta formatos estándar de archivos CAD y poligonales con análisis de diseño |
| Servicios posteriores a la construcción | Servicios de limpieza, tratamiento térmico, acabado de superficies y revestimiento |
| Servicios adicionales | Inspección, prototipado rápido, utillaje puente, piezas de fundición, moldeo |
| Precios | Precios competitivos y escalables para distintos volúmenes de fabricación |
| Ubicación | Proximidad para la logística de la cadena de suministro y la comunicación |
Elegir un proveedor de servicios con capacidades integrales, desde el diseño hasta el tratamiento posterior, garantiza resultados de alta calidad. Consultar casos prácticos y visitar las instalaciones ayuda a verificar la experiencia.
Preguntas frecuentes
P: ¿Qué materiales pueden imprimirse en 3D con la tecnología SLM?
R: La SLM es capaz de procesar una gama de metales reactivos como acero inoxidable, acero para herramientas, aleaciones de titanio, superaleaciones de níquel, aleaciones de aluminio y cromo-cobalto. Los materiales SLM más populares son el titanio Ti6Al4V y el aluminio AlSi10Mg.
P: ¿Cuál es la precisión de la impresión 3D SLM?
R: La SLM suele ofrecer una precisión de entre 0,1 y 0,2 mm. Aunque es inferior a la tolerancia del mecanizado CNC, el procesamiento posterior, como el mecanizado y el pulido, puede mejorar la precisión. No se recomiendan tamaños inferiores a 0,3 mm.
P: ¿Qué industrias utilizan la fabricación aditiva SLM?
R: Los sectores aeroespacial, médico, dental, automovilístico e industrial son los principales usuarios de la tecnología SLM en la actualidad debido a ventajas como el aligeramiento, la consolidación de piezas, la personalización masiva y los plazos de entrega rápidos.
P: ¿Qué tratamiento posterior es necesario tras la impresión SLM?
R: Entre los procesos habituales posteriores a la impresión se incluyen la eliminación de soportes, el tratamiento térmico de alivio de tensiones, el prensado isostático en caliente (HIP), el mecanizado CNC, el pulido y el revestimiento. Los requisitos dependen de la aplicación, el material y las necesidades de acabado.
P: ¿Es cara la impresión 3D de metales SLM?
R: Los sistemas SLM industriales oscilan entre $100.000 y más de $1 millón en función del volumen de fabricación, la potencia del láser y las características. Los costes de material del polvo metálico pueden ser de 2 a 5 veces superiores a los de la materia prima. Pero los costes totales están bajando.
P: ¿Puede la SLM imprimir voladizos y formas complejas?
R: Sí, la SLM puede imprimir geometrías como voladizos, celosías y paredes delgadas mediante el uso de estructuras de soporte. Es necesaria una orientación cuidadosa para evitar deformaciones y equilibrar los requisitos de soporte.
P: ¿Qué software se utiliza para la impresión SLM?
R: Las impresoras SLM incluyen un software propio para la impresión. Se utiliza software adicional para el diseño, la reparación de archivos, la simulación, la preparación de la construcción, el anidamiento, la gestión de la construcción y la gestión de la calidad.
P: ¿Cuánto se tarda en imprimir una pieza en 3D con SLM?
R: Los tiempos de impresión oscilan entre horas y días en función del tamaño de la pieza, la complejidad de la geometría y los parámetros de impresión. En el caso de las piezas metálicas, las impresoras SLM suelen funcionar a una velocidad de 5 a 100 cc/hora. Las piezas más grandes tardan más.
P: ¿Produce la SLM piezas metálicas de uso final seguras y funcionales?
R: Sí, con un diseño y un procesamiento adecuados, la SLM puede producir piezas metálicas totalmente densas que cumplan o superen las propiedades de los materiales de las piezas fabricadas tradicionalmente para un uso final funcional en aplicaciones exigentes.
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