SLM para la fabricación aditiva de metales

Descripción general de la fusión selectiva por láser

Fusión selectiva por láser (SLM) es un proceso de impresión 3D de metal por fusión de lecho de polvo que utiliza un láser para fundir y fusionar selectivamente partículas de polvo metálico capa por capa para construir piezas completamente densas.

Atributos clave de la tecnología SLM:

CaracterísticaDescripción
MaterialesMetales como acero inoxidable, titanio, aluminio, aleaciones de níquel.
Tipo láserLáseres de fibra, CO2 o diodo directo
AtmósferaAtmósfera inerte de argón o nitrógeno
ResoluciónCapaz de realizar características finas de hasta 150 μm
PrecisiónPiezas con dimensiones de ±0,2% o mejores

SLM permite fabricar piezas metálicas complejas y personalizables para aplicaciones aeroespaciales, médicas, automotrices e industriales.

Cómo funciona la fusión selectiva por láser

El proceso de impresión SLM funciona de la siguiente manera:

  • Modelo 3D dividido en capas de sección transversal 2D
  • Polvo esparcido sobre la placa de construcción en una capa fina
  • El láser escanea selectivamente la capa y derrite el polvo.
  • El polvo derretido se solidifica y se fusiona.
  • La placa de construcción se baja y la nueva capa se extiende en la parte superior
  • El proceso se repite hasta que se construye toda la pieza.

El polvo sin fundir proporciona soporte durante la construcción del componente. Esto permite geometrías complejas sin estructuras de soporte específicas.

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Tipos de sistemas de fusión selectiva por láser

Hay varios SLM configuraciones del sistema:

SistemaDetalles
Láser únicoUn láser de alta potencia para fundir
Láser múltipleMúltiples láseres para aumentar la velocidad de construcción
Sistema de escaneoEspejos galvanométricos u ópticas fijas
Manipulación de polvo metálicoSistemas abiertos o de reciclaje de polvo cerrado
Control de la atmósferaCámara de construcción sellada llena de argón o nitrógeno

Los sistemas multiláser ofrecen construcciones más rápidas mientras que el manejo de polvo de circuito cerrado mejora la eficiencia y la reciclabilidad.

Materiales para fusión selectiva por láser

Los materiales metálicos comunes utilizados para SLM incluyen:

MaterialBeneficios
Aleaciones de aluminioLigero y con buena resistencia.
Aleaciones de titanioElevada relación resistencia/peso
Aceros inoxidablesResistencia a la corrosión, alta tenacidad
Aceros para herramientasGran dureza y resistencia al desgaste
Aleaciones de níquelResistencia a altas temperaturas
Cobalto-CromoBiocompatible con buen desgaste.

Una gama de polvos de aleación permite propiedades como resistencia, dureza, resistencia a la temperatura y biocompatibilidad necesarias en todas las aplicaciones.

Aplicaciones de la fusión selectiva por láser

Las aplicaciones típicas de la impresión de metal SLM incluyen:

IndustriaAplicaciones
AeroespacialComponentes de motor, estructuras ligeras
MédicoImplantes, prótesis e instrumentos personalizados
AutomociónPiezas ligeras, herramientas personalizadas
IndustrialComponentes aligerados, producción para uso final
Petróleo y gasVálvulas resistentes a la corrosión, piezas de cabezal de pozo

SLM permite fabricar piezas metálicas complejas y personalizadas consolidadas en una sola pieza y optimizadas en cuanto a peso y rendimiento.

Beneficios de la fusión selectiva por láser

Ventajas clave de la tecnología SLM:

BeneficioDescripción
Geometrías complejasLibertad de diseño ilimitada para formas orgánicas
Consolidación parcialConjuntos impresos como un solo componente
PersonalizaciónFácilmente adaptable para producir piezas personalizadas.
AligeramientoEstructuras reticulares y optimización topológica.
Ahorro de materialReducción de residuos en comparación con los métodos sustractivos
Tratamiento posteriorPuede requerir la eliminación del soporte y el acabado de la superficie.

Estas ventajas permiten fabricar piezas metálicas de uso final de mayor rendimiento con plazos de entrega y costes competitivos y con volúmenes de producción más bajos.

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Limitaciones de la fusión selectiva por láser

Las limitaciones del SLM incluyen:

LimitaciónDescripción
Tamaño de la piezaRestringido al volumen de construcción de la impresora, normalmente menos de 1 m3
ProductividadLas tasas de producción relativamente lentas limitan los grandes volúmenes
Tratamiento posteriorPuede requerir eliminación de soporte, mecanizado y acabado.
AnisotropíaLas propiedades mecánicas varían según la orientación de la construcción.
Acabado superficialLa superficie impresa es relativamente rugosa
Experiencia del operadorRequiere amplia experiencia en impresión.

La tecnología es más adecuada para volúmenes de producción bajos a medianos de piezas metálicas complejas.

Proveedores de impresoras SLM

Fabricantes líderes de sistemas SLM:

EmpresaSistemas notables
EOSSerie EOS M
Sistemas 3DSerie DMP
Aditivos GELínea X 2000R
trompetaTruPrint 1000, 3000
Soluciones SLMSLM 500, SLM 800
RenishawAM500, AM400

La gama de máquinas va desde volúmenes de construcción más pequeños de alrededor de 250 x 250 x 300 mm hasta sistemas grandes de 800 x 400 x 500 mm para una alta productividad.

Selección de una impresora 3D SLM

Consideraciones clave a la hora de seleccionar un sistema SLM:

FactorPrioridad
Volumen de construcciónAdaptarse a los tamaños de piezas requeridos
Materiales de apoyoSe necesitan aleaciones como Ti, Al, acero inoxidable y aceros para herramientas.
Sistema de gas inerteManipulación automatizada y sellada de argón o nitrógeno
Tecnología láserLáseres de fibra, CO2 o diodo directo
Método de escaneoEscaneo por galvanoplastia o espejo fijo
Manipulación del polvoSe prefiere el reciclaje de circuito cerrado

El sistema SLM óptimo proporciona los materiales, el volumen de construcción, la velocidad y las características de manejo de polvo necesarias para las aplicaciones.

Requisitos de las instalaciones SLM

Para operar una impresora SLM, la instalación debe cumplir:

  • Niveles de potencia eléctrica típicos de 20 a 60 kW
  • Temperatura estable alrededor de 20-25°C
  • Humedad baja por debajo de 70% RH
  • Control de partículas y manejo de polvo metálico
  • Suministro y ventilación de gas inerte
  • Filtración de gases de escape para partículas liberadas
  • Sistemas de monitorización de la atmósfera
  • Procedimientos estrictos de seguridad del personal

Los sistemas SLM requieren una infraestructura importante para energía, refrigeración, manipulación de polvo y suministro de gas inerte.

Parámetros del proceso de impresión SLM

Parámetros típicos de impresión SLM:

ParámetroAlcance típico
Potencia del láser100-400 W
Velocidad de escaneo100-2000 mm/s
Grosor de la capa20-100 μm
Distancia entre escotillas50-200 μm
Tamaño del punto50-100 micras
Patrón de escaneoAlternando, rotando para cada capa

Se requiere un ajuste preciso de estos parámetros para lograr piezas completamente densas para cada polvo de aleación.

SLM Directrices de diseño y limitaciones

Las pautas clave de diseño de SLM incluyen:

DirectrizRazón
Espesor mínimo de paredEvite la acumulación de calor y la deformación.
Voladizos soportadosPrevenir el colapso sin apoyos
Evite los rasgos delgadosPrevenir la fusión o vaporización
Orientar para la fuerzaOptimizar para la dirección de carga
Minimizar el uso del soporteSimplificar el posprocesamiento

El proceso SLM impone requisitos geométricos como ángulos de voladizo y tamaños mínimos de características que deben tenerse en cuenta.

Requisitos de posprocesamiento de SLM

Pasos comunes de posprocesamiento para piezas SLM:

ProcesoPropósito
Eliminación de soportesEliminar los soportes generados automáticamente del software
Eliminación de polvoLimpie el polvo restante de los conductos internos
Acabado de superficiesMejorar el acabado superficial y la rugosidad mediante el mecanizado.
Alivio del estrésReducir las tensiones residuales mediante tratamiento térmico
Prensado isostático en calienteMejorar la densidad y reducir los huecos internos

El nivel de posprocesamiento depende de los requisitos de la aplicación en cuanto a tolerancias, acabados superficiales y propiedades del material.

Pruebas de calificación para piezas SLM

Pruebas de calificación típicas para componentes SLM:

Tipo de pruebaDescripción
Análisis de densidadMedir la densidad en comparación con los materiales forjados
Pruebas mecánicasEnsayos de tracción, fatiga y tenacidad a la fractura
MetalografíaImágenes de microestructura y análisis de defectos
Análisis químicosComprobar que la composición coincida con las especificaciones
No destructivoTomografía computarizada o inspección por rayos X para detectar huecos

Pruebas exhaustivas garantizan que las piezas SLM cumplan con los requisitos antes de incorporarlas a aplicaciones de producción.

Beneficios de SLM Tecnología

La fusión selectiva por láser ofrece ventajas clave:

  • Geometrías orgánicas complejas que no son posibles con fundición o CNC
  • Estructuras más ligeras mediante optimización topológica
  • Consolidación de piezas en componentes impresos individuales
  • Reducción de residuos en comparación con los métodos sustractivos
  • Personalización e iteraciones rápidas de diseño
  • Producción justo a tiempo de piezas metálicas
  • Alta resistencia y dureza próxima a la de los materiales forjados.

Estos beneficios hacen que SLM sea adecuado para producir piezas de alto valor y bajo volumen según demanda en todas las industrias.

Desafíos de la adopción de la impresión SLM

Las barreras para la adopción de SLM incluyen:

DesafíoEstrategias de mitigación
Alto costo de la impresoraAprovechar las agencias de servicios y validar el ROI
Opciones de materialNuevas aleaciones en desarrollo, proveedores especializados
Conocimiento del procesoProgramas de formación, curva de aprendizaje
NormasProtocolos de calificación de piezas en desarrollo
Tratamiento posteriorProcesos automatizados en desarrollo

A medida que la tecnología madura, estas barreras se reducen mediante mejores materiales, equipos, capacitación y esfuerzos de estandarización en toda la industria.

El futuro de la fusión selectiva por láser

Tendencias emergentes en la tecnología SLM:

  • Volúmenes de construcción mayores de 500 x 500 x 500 mm
  • Sistemas multiláser para velocidades de construcción más rápidas
  • Aleaciones expandidas, incluidas superaleaciones de alta temperatura
  • Mejora de la reciclabilidad y la manipulación del polvo
  • Eliminación automática de soportes y postprocesamiento
  • Fabricación híbrida que combina AM y CNC
  • Software especializado para la optimización del diseño
  • Estandarización de parámetros de proceso y calificación de piezas

Los sistemas SLM seguirán avanzando en términos de tamaño de construcción, velocidad, materiales y confiabilidad para satisfacer las necesidades de producción en más aplicaciones industriales.

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Resumen de puntos clave

  • SLM fusiona selectivamente polvo metálico con un láser para lograr una impresión 3D de densidad completa
  • Proceso de fusión de lecho de polvo capaz de lograr detalles finos y geometrías complejas
  • Adecuado para aplicaciones aeroespaciales, médicas, automotrices e industriales.
  • Utiliza metales como acero inoxidable, titanio, aluminio y aleaciones de níquel.
  • Proporciona beneficios de consolidación de piezas, personalización y aligeramiento.
  • Requiere atmósfera controlada y sistemas robustos de manipulación de polvo.
  • Es posible que sea necesario un posprocesamiento significativo en las piezas impresas
  • Tecnología líder para aplicaciones de producción de volumen bajo a medio
  • Mejoras continuas en materiales, tamaño de construcción, velocidad y calidad.
  • Permite componentes metálicos impresos de alto rendimiento

La fusión selectiva por láser seguirá creciendo como solución de fabricación industrial para piezas metálicas personalizadas bajo demanda.

PREGUNTAS FRECUENTES

PreguntaRespuesta
¿Qué materiales son compatibles con SLM?La mayoría de las aleaciones soldables como acero inoxidable, titanio, aluminio, acero para herramientas, aleaciones de níquel y cobalto-cromo.
¿Cuál es la precisión típica de las piezas SLM?Se puede lograr una precisión dimensional de alrededor de ±0,2% para la mayoría de las geometrías.
¿Qué tratamiento posterior es necesario?Son habituales la eliminación de soporte, la eliminación de polvo, el acabado de superficies, el alivio de tensiones y el prensado isostático en caliente.
¿Cuáles son los defectos más comunes del SLM?Porosidad, agrietamiento, delaminación de capas, deformación, mal acabado superficial, partículas no fundidas.
¿Qué tipos de láseres se utilizan en SLM?Se utilizan habitualmente láseres de fibra, láseres de CO2 o diodos de alta potencia.

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