Polvo metálico SLS: Propiedades, aplicaciones y proveedores
Índice
El sinterizado selectivo por láser (SLS) es una técnica de fabricación aditiva que utiliza un láser para fundir pequeñas partículas de polvos de plástico, metal, cerámica o vidrio en un objeto 3D. Polvos metálicos SLS con las características adecuadas son fundamentales para fabricar piezas metálicas de alta calidad con geometrías complejas mediante este proceso.
Visión general de los polvos metálicos SLS
Los polvos metálicos SLS son polvos metálicos optimizados para su uso en impresoras 3D de sinterizado selectivo por láser para producir piezas y prototipos metálicos. Los polvos metálicos SLS más utilizados son:
Tipos de polvo metálico SLS
| Tipo | Composición | Características principales |
|---|---|---|
| Acero inoxidable | Aleaciones de Fe, Cr, Ni | Resistencia a la corrosión, alta resistencia |
| Acero para herramientas | Aleaciones de Fe, Cr, Mo | Gran dureza, tratable térmicamente |
| Acero aleado | Aleaciones de Fe, Cr, Ni | Tratable térmicamente, mecanizable |
| cromo cobalto | Aleaciones de Co, Cr | Biocompatible, resistente al desgaste y a la corrosión |
| Titanio y aleaciones | Aleaciones de Ti, Al, V | Ligero, biocompatible, resistente |
| Inconel | Aleaciones de Ni, Cr | Resistente al calor y a la corrosión |
| Aleaciones de aluminio | Aleaciones de Al, Cu, Mg | Ligero, resistente |
Estos polvos metálicos deben tener propiedades como la fluidez, la forma de las partículas y una distribución de tamaños adaptada para producir piezas SLS de alta densidad con exactitud, precisión y las propiedades mecánicas deseadas.
Propiedades clave de los polvos metálicos SLS
| Parámetro | Descripción | Requisitos |
|---|---|---|
| Tamaños | Dimensiones de las partículas de polvo | 10-45 micras común |
| Distribución por tamaños | Gama de tamaños de polvo | Mayoritariamente esférico con algunos satélites permitidos |
| Morfología | Forma de las partículas de polvo | Esférico es óptimo, los satélites pueden causar defectos |
| Caudal | Fluidez del polvo | 35-40 s/50g del caudalímetro Hall |
| Densidad aparente | Densidad de empaquetamiento del polvo | Alrededor de 60% de densidad real |
| Densidad verdadera | Densidad del material | Varía según la composición |
| Área de superficie | Superficie de las partículas por unidad de masa | Más bajo es mejor para reducir la oxidación |
| Gases residuales y humedad | Impurezas presentes en el polvo | Minimizado para piezas de alta calidad |
Características del polvo metálico SLS
| Característica | Papel en el proceso SLS |
|---|---|
| Forma de las partículas y textura de la superficie | Afectan al flujo de polvo en cada nueva capa, a la absorción láser, a la reflectividad |
| Distribución granulométrica | Influye en la densidad de empaquetamiento, la dinámica del baño de fusión y la extensibilidad. |
| Características del flujo | Permite un esparcimiento uniforme, consistencia de capa |
| Densidad aparente | Controla la separación entre partículas y el aporte de energía necesario |
| Densidad verdadera | Determina la densidad final máxima alcanzable de la pieza |
| Adiciones de aleación | Permite propiedades específicas de los materiales, como resistencia, dureza, etc. |
Aplicaciones de Polvos metálicos SLS
El polvo metálico SLS permite la impresión de piezas metálicas funcionales de densidad completa que satisfacen las necesidades de prototipado, utillaje y producción de tiradas cortas en sectores como:
Aplicaciones industriales de las piezas metálicas impresas por SLS
| Industria | Aplicaciones | Materiales habituales |
|---|---|---|
| Aeroespacial | Álabes de turbina, componentes estructurales y del motor | Aceros inoxidables, superaleaciones, aleaciones de titanio |
| Automoción | Piezas prototipo, herramientas personalizadas | Aceros inoxidables, aceros para herramientas, aleaciones de aluminio |
| Implantes médicos | Implantes y guías específicos para cada paciente | Cromo-cobalto, aleaciones de titanio, acero inoxidable |
| Industrial | Herramientas de precisión, pinzas robóticas | Aceros inoxidables, aceros para herramientas |
| Joyería | Anillos, cadenas, piezas personalizadas | Metales preciosos como aleaciones de oro, plata |
Algunas ventajas exclusivas frente a las vías de fabricación tradicionales:
Ventajas de SLS para la producción de piezas metálicas
| Beneficio | Descripción |
|---|---|
| Libertad de geometría | Sin restricciones en la geometría de las piezas, a diferencia de los métodos sustractivos/de fundición |
| Entrega rápida | Impresión rápida a partir de datos CAD |
| Ligereza | Las estructuras reticulares reducen el peso en >30% |
| Consolidación parcial | Los conjuntos impresos integralmente sustituyen a las juntas |
| Personalización masiva | Dispositivos médicos específicos para el paciente |
| Estructuras híbridas | Posibilidad de piezas multimaterial de metal y polímero |
Aplicaciones habituales de las piezas metálicas impresas por SLS en distintos sectores:
Aplicaciones típicas de las piezas metálicas impresas por SLS
| Aplicación | Ejemplos | Materiales utilizados |
|---|---|---|
| Prototipos funcionales | Componentes del motor, implantes | Aceros aleados, aleaciones de Ti |
| Herramientas | Guías de taladro, fijaciones, plantillas | Aceros inoxidables |
| Herramientas de moldeo | Herramientas de moldeo por inyección | Aceros para herramientas como el H13 |
| Producción en serie | Componentes aeroespaciales y médicos | Aleaciones de Ti y Ni, CoCr |
| Estructuras ligeras | Paneles de celosía, tirantes | Aleaciones de Al, aleaciones de Ti |
Especificaciones del polvo metálico SLS
Los fabricantes de sistemas SLS como EOS, 3D Systems y Renishaw proporcionan especificaciones cualificadas de polvo metálico SLS adaptadas a sus modelos de impresora. Algunos polvos metálicos y tamaños habituales son:
Tipos y tamaños de polvo metálico SLS
| Material | Tipos de polvo disponibles | Gama de tamaños de partículas |
|---|---|---|
| Acero inoxidable | 316L, 17-4PH, 303, 410 | 15-45 micras |
| Acero martensítico envejecido | MS1, 18Ni300, 18Ni350 | 15-45 micras |
| Cromo cobalto | CoCr, CoCrMo | 15-45 micras |
| Aleación de aluminio | AlSi10Mg, AlSi12 | 15-45 micras |
| Aleación de titanio | Ti6Al4V Grado 5 | 15-45 micras |
| Aleación de níquel | Inconel 718, Inconel 625 | 15-45 micras |
Las organizaciones de normalización han definido clasificaciones para los distintos grados de polvo metálico utilizados en los procesos de AM:
Grados de polvo metálico según las normas ISO/ASTM
| Estándar | Grados | Descripción |
|---|---|---|
| ISO 17296-2 | PA1 a PA6 | Define requisitos cada vez más estrictos para las impurezas de P1 a P6 |
| ISO 17296-3 | PM1 a PM4 | Define los parámetros de forma y tamaño de las partículas de PM1 a PM4 |
| ASTM F3049 | Clases 1 a 4 | Define los límites permitidos en los rangos de composición de 1 a 4 |
| ASTM F3056 | Tipo 1 a Tipo 3 | Define los parámetros estadísticos de distribución del tamaño de 1 a 3 |
Estos sistemas de clasificación contribuyen a establecer niveles de calidad de referencia y ayudan a los compradores en la adquisición. El polvo de grado PA5 de alta pureza garantizaría una contaminación mínima. Del mismo modo, el control químico más estricto de la Clase 4 reduce la variabilidad.
Polvo metálico SLS Proveedores
Diversos proveedores suministran polvos SLS listos para usar en todo el mundo. Algunos de los principales proveedores mundiales son:
Principales proveedores de polvo metálico SLS
| Proveedor | Materiales ofrecidos | Geografías atendidas |
|---|---|---|
| Sandvik | Acero inoxidable, aleaciones de Ni, CoCr, acero para herramientas, aleaciones de aluminio | Europa, Asia |
| Praxair | Aleaciones de Ti, aleaciones de Ni, acero inoxidable, aceros para herramientas | Norteamérica |
| Tecnología LPW | Acero inoxidable, aleaciones de aluminio, CoCr | Reino Unido, Europa |
| Aditivo para carpinteros | Aceros inoxidables, CoCr, Cu, aleaciones de aluminio | Global |
| Hoganas | Aceros inoxidables, aceros para herramientas | Europa, Asia |
Los suministros mínimos habituales rondan los 10 kg por grado de material, aunque también existen contratos de gran volumen para compradores OEM. Las opciones de envasado van desde latas selladas al vacío hasta cartuchos especializados para máquinas de SLS que contienen entre 700 g y 1 kg de polvo cada uno.
Tipos de envases de polvo metálico SLS
| Tipo | Rangos de volumen | Características |
|---|---|---|
| Bidones de vacío | Lotes de 500 g a 20 kg | Caducidad hasta 1 año |
| Cartuchos de impresora | Lotes de 700 a 1000 g | Exposición mínima a la manipulación |
| Torres de material | Cartuchos de 700 a 1200 g | Alimentación automática a la impresora |
Los rangos de precios de los materiales comunes en pequeñas cantidades son:
Costes del polvo metálico para la impresión SLS
| Material | Gama de precios para pequeñas cantidades*. |
|---|---|
| Acero inoxidable 316L | $60-$100 por kg |
| Aluminio AlSi10Mg | $80-$130 por kg |
| Acero martensítico envejecido | $90-$140 por kg |
| Titanio Ti6Al4V | $200-$350 por kg |
| Cromo cobalto | $300-$500 por kg |
| Metales preciosos | $3000+ por kg |
Comparación de materiales de polvo metálico SLS
Para la impresión SLS se utilizan diversas aleaciones metálicas, cada una con sus propias propiedades y ventajas:
Comparación de materiales de polvo metálico SLS
| Parámetro | Aceros inoxidables | Aceros para herramientas | Aleaciones de titanio | Aleaciones de níquel | Cromo cobalto | Aleaciones de aluminio |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Densidad | Medio | Más alto | Baja | Alta | Alta | Más bajo |
| Fuerza | Medio | Más alto | Medio-Alto | Medio-Alto | Medio | Medio |
| Dureza | Baja | Muy alta | Medio | Medio | Más alto | Bajo-Medio |
| Resistencia a la corrosión | Excelente | Medio | Excelente | Excelente | Excelente | Medio-Bueno |
| Biocompatibilidad | Bien | Limitado | Excelente | Limitado | Excelente | Bien |
| Resistencia al calor | Medio | Medio-Alto | Medio | Muy alta | Muy alta | Baja |
| Coste | Más bajo | Medio | Alta | Muy alta | Alta | Bajo |
Podemos ver que los aceros inoxidables ofrecen las mejores propiedades combinatorias cuando el coste es un factor a tener en cuenta, mientras que los aceros para herramientas proporcionan una dureza extrema. El titanio aporta biocompatibilidad y resistencia con baja densidad. Las superaleaciones como el Inconel y el CoCr ofrecen estabilidad térmica y biocompatibilidad. Las aleaciones de aluminio son la opción ligera más rentable.
Ventajas e inconvenientes de los polvos metálicos SLS habituales
| Material | Ventajas | Desventajas |
|---|---|---|
| Aceros inoxidables | Rentable, fácilmente mecanizable | Menor dureza y resistencia |
| Aceros para herramientas | Extremadamente duro y tratable térmicamente | Menor resistencia a la corrosión, biocompatibilidad |
| Aleaciones de titanio | Resistente, ligero y respetuoso con el medio ambiente | Caro, puede arder en atmósfera de oxígeno |
| Aleaciones de níquel | Excelente resistencia al calor y a la corrosión | Pesado, tóxico, muy caro |
| Cromo cobalto | Biocompatible, resistente a la corrosión | Pesado, coste medio |
| Aleaciones de aluminio | Ligero, buena resistencia | Menor punto de fusión, dureza |
Criterios del cliente para seleccionar el polvo metálico SLS
| Criterios de selección | Preguntas clave |
|---|---|
| Propiedades mecánicas | ¿Cumple los objetivos de resistencia a la aplicación, resistencia al desgaste y otras especificaciones mecánicas? |
| Coste del material | ¿Se ajusta el tipo de polvo metálico deseado a los presupuestos de la aplicación? |
| Tratamiento posterior | ¿Son necesarias operaciones secundarias como el prensado isostático en caliente o el tratamiento térmico? |
| Tamaño de la tirada de producción | ¿Es el volumen objetivo demasiado alto para la impresión SLS de producción? |
| Dimensiones de la pieza | ¿Es suficiente el volumen máximo de impresión para las piezas de mayor geometría? |
| Resolución, acabado superficial | ¿Puede el proceso SLS cumplir los requisitos de detalle y calidad superficial? |
| Plazo de entrega | ¿Es aceptable el plazo de entrega del proveedor teniendo en cuenta el calendario de producción? |
La aplicación de la pieza final guía la selección óptima del material equilibrando las necesidades de rendimiento y la economía.
Descripción general del proceso de impresión metálica SLS
Comprender la impresión 3D SLS ayuda a apreciar cómo las propiedades del polvo afectan a la calidad de las piezas:
Etapas del proceso de impresión 3D SLS
| Escenario | Descripción |
|---|---|
| Modelado 3D | El software CAD crea un modelo sólido/malla de la pieza a imprimir |
| Rebanar | El modelo se corta digitalmente en capas para generar el archivo de impresión |
| Distribución de polvo | El rodillo o la cuchilla extienden una fina capa de polvo sobre la plataforma de construcción |
| Escaneado láser | El láser de CO2 escanea el lecho de polvo para fundir las partículas. |
| Plataforma de descenso | La plataforma de construcción baja 1 capa de grosor (~50 micras) |
| Repetir el esparcimiento/fundido | Los pasos se repiten hasta que el objeto completo se construye capa por capa |
| Tratamiento posterior | Se elimina el exceso de polvo, se realizan los tratamientos finales para acabar la pieza |
Cómo influyen las características del polvo en los resultados de impresión
| Propiedad del polvo | Influencia en la calidad de impresión |
|---|---|
| Geometría del polvo | Partículas esféricas con buena fluidez permiten capas uniformes sin defectos |
| Gama de tamaños de partículas | Los polvos demasiado finos tienen mala fluidez, los demasiado grandes crean mala resolución |
| Distribución por tamaños | Una distribución demasiado amplia puede segregar o crear una fusión variable |
| Densidad aparente | A mayor densidad, mayor densidad final de la pieza tras la sinterización |
| Densidad verdadera | Limita al máximo la densidad de piezas alcanzable |
| Textura de la superficie | Las partículas más rugosas pueden atrapar gases o dificultar el flujo de polvo |
Vemos que varias propiedades físicas de los polvos influyen directamente en los resultados de impresión, por lo que es crucial un control estricto por parte de los proveedores.
Postprocesado de piezas metálicas impresas por SLS
Tras el proceso de impresión SLS, otros pasos de acabado ayudan a mejorar las propiedades finales de la pieza:
Pasos comunes del postprocesado de piezas SLS
| Proceso | Descripción | Beneficios |
|---|---|---|
| Eliminación de polvo | Eliminación del exceso de polvo | Revela el objeto impreso |
| Alivio del estrés | Calentamiento para eliminar tensiones residuales | Mejora la precisión dimensional |
| Acabado de superficies | Lijado, pulido, granallado | Alisa la superficie, facilita la adherencia del revestimiento |
| Infiltración | El líquido rellena la porosidad residual | Aumenta aún más la densidad y mejora la resistencia |
| Tratamiento térmico | Ciclos térmicos de temple y revenido | Aumenta la dureza de los aceros |
Efectos del postprocesado en las propiedades de las piezas
| Propiedad | Influencia del postprocesamiento |
|---|---|
| Densidad | La infiltración con epoxi o bronce rellena los poros aumentando la densidad 5-15% |
| Rugosidad de la superficie | El pulido manual/automatizado puede alcanzar una rugosidad inferior a 2 micras |
| Precisión dimensional | El ciclo térmico de alivio de tensiones reduce el alabeo y mejora la precisión |
| Resistencia a la tracción | La infiltración mejora el UTS, mientras que el tratamiento térmico puede duplicar el límite elástico. |
| Ductilidad | Compensación con la mejora de la resistencia de los tratamientos posteriores |
| Dureza | Las aleaciones endurecibles por precipitación como el 17-4PH responden bien a los tratamientos de envejecimiento |
Así, el tratamiento posterior permite adaptar aún más las propiedades del metal en función de las necesidades de la aplicación.
Control de calidad de la impresión SLS en metal
La alta calidad constante de la materia prima en polvo, unida a la supervisión del proceso SLS, garantiza la fiabilidad de las piezas:
Control de calidad para Polvo metálico SLS
| Parámetro | Especificación típica | Métodos de ensayo |
|---|---|---|
| Distribución granulométrica | Caudal Hall > 35s/50g | Tamizado, difracción láser |
| Densidad aparente | 65-80% de densidad real | Medición gravimétrica |
| Composición del polvo | Rangos de aleación según ISO 27296 | Fluorescencia de rayos X |
| Morfología de la superficie | Circularidad mediana > 0,75 | Micrografías, análisis de imágenes |
| Contaminación | < 50 ppm de oxígeno, < 150 ppm de nitrógeno | Análisis de fusión de gases inertes |
Supervisión durante el proceso de impresión SLS
| Métrica | Sensor utilizado | Propósito |
|---|---|---|
| Potencia del láser | Fotodiodo incorporado | Mantiene la coherencia de la fusión |
| Temperatura del lecho de polvo | Sensor IR | Garantiza la integridad de la pieza, sin alabeos |
| Atmósfera | Analizador de oxígeno | Evita la ignición de la pólvora en la cámara de acumulación |
| Grosor de la capa | Codificador del eje Z | Capas precisas y reproducibles |
Un control tan estricto del polvo de entrada y de los ajustes del proceso da como resultado piezas metálicas de alta calidad en cada tirada de producción.
La impresión SLS en metal comparada con otras alternativas
Otras alternativas de impresión 3D en metal al SLS son:
Comparación de los métodos de impresión 3D en metal
| Métrica | Chorro aglomerante | DMLS | SLM | EBM |
|---|---|---|---|---|
| Materia prima | Polvo de mezcla de metal y polímero | Polvo metálico | Polvo metálico | Alambre metálico/polvo |
| Fuente de energía | Aglutinante líquido | Láser de fibra | Potente láser de fibra de Yb | Haz de electrones |
| Velocidad de construcción | Moderado, más rápido que los métodos láser | Lento debido a la exploración punto por punto | Muy rápido, se produce la fusión completa | Método más rápido |
| Resolución, acabado superficial | Más pobre debido al aglutinante, el post-procesado ayuda | Muy bueno gracias al fino punto láser | Excelente gracias a la fusión completa | Moderado debido a la fusión parcial |
| Precisión dimensional | +/- 0,3% con proceso CTQ | +/- 0.1-0.2% | +/- 0.1-0.2% | +/- 0.2-0.3% |
| Tratamiento posterior | Se necesita curado y sinterización | Sólo admiten la retirada | Puede ser necesario algún mecanizado | Se necesita más trabajo secundario |
| Costo por pieza | El menor coste de los materiales ayuda a reducir el precio | Coste de explotación mucho más elevado | Elevados costes de equipamiento y material | Alto costo del equipo |
Entre todos los métodos, el chorro de aglutinante se ha revelado como el más rentable para la producción de piezas metálicas en volúmenes más bajos, de hasta 10.000 unidades. El SLS ofrece el postprocesado más sencillo combinado con una buena precisión y acabado superficial.
Preguntas frecuentes
¿Qué industrias utilizan la impresión de metales por SLS?
La impresión metálica SLS se utiliza en los sectores aeroespacial, automovilístico, médico y muchos otros en los que se requieren piezas metálicas de precisión.
¿Cuál es la precisión y la resolución de la impresión metálica SLS?
La precisión y la resolución dependen de varios factores, como la máquina, el material y los parámetros del proceso, pero la impresión metálica SLS puede alcanzar altos niveles de precisión.
¿Es necesario el posprocesamiento para las piezas impresas en metal por SLS?
Sí, puede ser necesario un tratamiento posterior para eliminar las estructuras de soporte, mejorar el acabado superficial y cumplir los requisitos específicos de la aplicación.
¿Cuáles son las limitaciones de la impresión metálica SLS?
Algunas limitaciones son el coste del equipo, el tamaño limitado de las cámaras de fabricación y la necesidad de medidas de seguridad adecuadas debido al uso de láseres y polvos metálicos.
¿Puede utilizarse la impresión metálica SLS para la producción en serie?
Sí, la impresión metálica SLS puede utilizarse tanto para la creación de prototipos como para la producción de piezas metálicas de volumen bajo a medio.
¿Es la impresión metálica SLS respetuosa con el medio ambiente?
Aunque puede reducir los residuos de material en comparación con los métodos de fabricación tradicionales, la eliminación de los polvos metálicos y el consumo de energía son factores a tener en cuenta en cuanto a su impacto medioambiental.
¿Hay alguna precaución de seguridad al trabajar con la impresión de metales SLS?
Sí, deben tomarse medidas de seguridad al manipular polvos metálicos, y los operarios deben recibir formación para trabajar con sistemas basados en láser de forma segura.
¿Cuánto cuestan los servicios de impresión metálica SLS?
El coste varía en función de factores como la elección del material, la complejidad de la pieza y la cantidad. Lo mejor es pedir presupuestos a proveedores de servicios para proyectos concretos.
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