Polvo de titanio para impresión 3D

polvo de titanio para impresión 3D es un metal fuerte, ligero y resistente a la corrosión, ideal para la impresión 3D de piezas complejas y duraderas en aplicaciones aeroespaciales, médicas, de automoción y otras aplicaciones industriales. Este artículo ofrece una visión general de la pulvimetalurgia del titanio para la fabricación aditiva.

Visión general de polvo de titanio para impresión 3D

El titanio es uno de los metales más utilizados en las tecnologías de impresión 3D de fusión de lecho de polvo y deposición de energía dirigida. Algunas de las principales ventajas de las piezas de titanio impresas en 3D son:

• Elevada relación resistencia/peso
• Resiste temperaturas extremas y la corrosión
• Biocompatible para implantes médicos
• Geometrías complejas que no son posibles con fundición o mecanizado
• Reducción de residuos en comparación con los métodos sustractivos
• Plazos de entrega y costes más cortos que en la fabricación tradicional de titanio

Sin embargo, el titanio es reactivo a altas temperaturas y requiere entornos de cámara inerte durante la impresión utilizando gases de argón o nitrógeno. Las propiedades del titanio impreso en 3D dependen de varios factores:

Factores clave que influyen en las propiedades de impresión 3D del titanio

Con unos parámetros óptimos, las piezas de titanio impresas en 3D igualan o superan las propiedades de los productos forjados, al tiempo que permiten diseños innovadores que no son posibles con métodos sustractivos.

Tipos de polvo de titanio para impresión 3D para AM

Las aleaciones de titanio están disponibles en varios grados formulados para diferentes procesos de fabricación aditiva. Los polvos de titanio más comunes son:

Grados comunes de polvo de titanio para impresión 3D

La distribución del tamaño de las partículas es una característica clave que determina la densidad final y el acabado superficial. Los polvos más finos, de unas 10-45 micras, fluyen y se compactan mejor, mientras que los polvos más gruesos, de más de 100 micras, facilitan la eliminación del polvo y reducen los costes de material.

Especificaciones del polvo de titanio

Los fabricantes perfeccionan continuamente los métodos de producción de polvo de titanio y las composiciones de las aleaciones para satisfacer la creciente demanda de componentes de titanio de alto rendimiento fabricados de forma aditiva en todos los sectores.

Cómo se fabrica el titanio en polvo

El polvo metálico de titanio tiene una mayor relación superficie/volumen en comparación con formas sólidas como los lingotes o el alambre de alimentación. Existen varias técnicas modernas de fabricación de polvo:

• Atomización por plasma - Los chorros de gas inerte a alta velocidad rompen las corrientes de titanio fundido en finas gotas que se solidifican rápidamente en polvos esféricos con una morfología superficial suave. Esto produce partículas de tamaño uniforme con pocos satélites.
• Atomización de gases - De forma similar a la atomización por plasma, las presiones de gas más bajas generan polvos menos finos adecuados para la impresión EBM. Los polvos presentan algunas salpicaduras con formas irregulares y satélites.
• Proceso de electrodo giratorio - Las barras o alambres de aleación de titanio se funden mediante arcos en atmósfera inerte y las fuerzas centrífugas expulsan el metal, que se solidifica en partículas esféricas aplanadas. Producción económica de polvos esponjosos.
• Proceso hidruro-dehidruro - El polvo de hidruro de titanio finamente dividido se descompone en vacío, lo que provoca su desintegración en polvo fino de titanio metálico con una mayor impureza de oxígeno en torno a 0,35-0,5%.

Todos los métodos requieren un tamizado y separación exhaustivos del polvo para obtener fracciones de tamaño específicas adecuadas para la técnica de impresión 3D, normalmente en torno a 10-150 micras. Las partículas esféricas lisas ofrecen una mejor densidad de empaquetamiento y fluidez. Antes de su uso, es fundamental reacondicionar, mezclar y almacenar el polvo en una atmósfera inerte.

Fabricantes de polvo de titanio

Algunos de los principales proveedores mundiales de polvos de impresión de titanio son:

Estas empresas mejoran continuamente los procesos de producción y las normas de calidad para suministrar polvos de titanio sin defectos personalizados para las principales máquinas de impresión 3D de metales.

Costes del polvo de titanio

Como material estructural ligero, los polvos metálicos de titanio son unas 4-5 veces más caros que el aluminio y 2-3 veces más caros que los aceros comunes en peso. Los precios varían según el grado de aleación, la calidad y el tamaño del lote, desde unos pocos kg hasta una tonelada.

El polvo de titanio sobrante de la impresión 3D puede reutilizarse para compensar los costes de material tras comprobar que no está contaminado y verificar sus propiedades. Los costes totales de las piezas dependen de la velocidad de fabricación, la mano de obra, la complejidad del diseño y el procesamiento posterior, además de los gastos en materias primas.

Aplicaciones de las piezas de titanio impresas en 3D

Gracias a su durabilidad, biocompatibilidad y libertad de diseño, la impresión 3D de metales amplía el uso del titanio en diversos sectores:

Aeroespacial - Componentes de motores de aviones y cohetes, fuselajes, helicópteros, drones. Reduce el número de piezas hasta 90% frente a estructuras ensambladas.

Médico y dental - Implantes ortopédicos, prótesis, fijaciones e instrumentos en los que la alta resistencia y la biocompatibilidad son vitales. Permite diseños personalizados adaptados a la anatomía del paciente.

Automoción y deportes de motor - Aligeramiento de piezas como bielas, palancas de cambio y ejes de hélice, superando los requisitos de seguridad. Permite aumentar el rendimiento mediante la optimización de la topología.

Equipamiento industrial - Impulsores, válvulas, tuberías e intercambiadores de calor de titanio macizo resistentes a la corrosión/erosión. Los canales de refrigeración conformados minimizan el desgaste de la herramienta durante el moldeo por inyección.

Bienes de consumo - Equipamiento deportivo personalizado, como cuadros de bicicleta, cabezas de palos de golf y remos de kayak, con estructuras de celosía de titanio ergonómicas integradas.

La impresión 3D permite obtener nuevas geometrías de titanio que no son factibles con la fundición, al tiempo que admite la producción de bajo volumen típica de las aplicaciones especializadas con plazos de entrega acelerados y ahorros en los costes del ciclo de vida.

Procesos de impresión 3D de titanio

Existen varias técnicas de fabricación aditiva adecuadas para la fusión de lecho de polvo de titanio:

Procesos de fusión en lecho de polvo

Estos procesos de lecho de polvo consisten en extender una fina capa de polvo de titanio, fundirlo selectivamente mediante una fuente de calor focalizada, bajar la placa de construcción y repetir el proceso para construir piezas de abajo arriba. La cámara de gas inerte evita la oxidación a altas temperaturas. Las masas fundidas se solidifican rápidamente, dando lugar a finos granos de titanio equiaxial, con propiedades isotópicas similares a las de los productos forjados.

SLM y DMLS ofrecen mayor resolución y acabados superficiales, mientras que EBM presenta velocidades de fabricación más rápidas para prototipos de baja densidad más baratos. Los sistemas multiláser híbridos están reduciendo los costes de las piezas y los tiempos de fabricación.

Deposición de energía dirigida

Los procesos DED, como el conformado de redes por ingeniería láser (LENS), soplan polvo metálico en un baño fundido creado por un láser o arco enfocado sobre una placa de sustrato para depositar cordones uno al lado del otro. El DED es ideal para piezas grandes con forma casi de red que se someten al mecanizado final. Las aleaciones de titanio con mayor resistencia, ductilidad, tenacidad a la fractura y resistencia a la fluencia pueden fabricarse mediante parámetros LENS optimizados.

Chorro aglomerante

Mediante la tecnología de cabezal de impresión por chorro de tinta, la inyección de aglutinante deposita selectivamente un agente aglutinante líquido sobre un lecho de polvo de titanio para formar piezas compactas verdes capa a capa. La sinterización a altas temperaturas consigue una densidad de ~95% y evita las tensiones residuales durante la impresión. La inyección de aglutinante es más adecuada para componentes de titanio más pequeños con cargas estructurales moderadas y propiedades inferiores a las de los materiales forjados.

Postprocesamiento de polvo de titanio para impresión 3D Partes

Tras el proceso de fabricación, los componentes de titanio pueden someterse a varias fases de postprocesado:

• Eliminación de la estructura portante mediante corte por hilo EDM
• Tratamiento térmico antiestrés
• Prensado isostático en caliente (HIP)
• Solución de tratamiento y envejecimiento
• Granallado para inducir tensiones de compresión
• Mecanizado: torneado, taladrado y fresado para cumplir los requisitos de tolerancia en superficies de contacto críticas.
• Acabado de superficies - esmerilado, arenado, pulido, grabado para alisar superficies
• Limpieza y esterilización de piezas médicas

El tratamiento HIP aplica gas argón a alta presión bajo vacío a temperatura elevada. Esto ayuda a eliminar los huecos internos y la microporosidad, mejorando así la vida a fatiga entre 5 y 10 veces para componentes aeroespaciales de misión crítica. Sin embargo, el HIP cambia la microestructura tal como se imprimió.

Los costes totales de las piezas aumentan debido a los extensos pasos manuales de postprocesado para aplicaciones de calidad crítica. Junto a las impresoras de metal, están surgiendo estaciones de posprocesamiento integradas y automatizadas, así como esfuerzos de estandarización de la calidad en toda la cadena de valor de la AM, lo que promete una mayor consistencia y repetibilidad de los componentes de titanio de uso final.

Propiedades de las aleaciones de titanio impresas en 3D

Las propiedades mecánicas de las aleaciones de titanio más utilizadas dependen de varios factores, como la calidad del polvo, el grosor de la capa, los parámetros del láser, la orientación de la estructura, los tratamientos térmicos y el HIP.

Propiedades del Ti-6Al-4V ELI

El Ti-6Al-4V ELI muestra una resistencia a la tracción y una dureza comparables o mejores que los productos forjados tradicionales, mientras que la ductilidad y la fatiga de alto ciclo se aproximan a las propiedades de los materiales forjados tras el HIP.

Propiedades del Ti-6Al-7Nb

La adición de niobio aumenta la biocompatibilidad en comparación con el vanadio, al tiempo que proporciona una resistencia superior a la de los implantes tradicionales de Ti-6Al-4V. Los parámetros optimizados de SLM producen estructuras densas de Ti-6Al-7Nb de calidad médica que rivalizan con las propiedades del forjado.

Directrices de diseño y limitaciones

Para aprovechar al máximo las ventajas de la fusión de capas de polvo, los ingenieros deben diseñar las piezas específicamente para la fabricación aditiva:

Prácticas óptimas de diseño

• Minimización de la masa innecesaria para ahorrar peso mediante estructuras reticulares
• Consolidar subconjuntos en componentes individuales
• Incorporar formas orgánicas, contornos no disponibles en el mecanizado
• Canales de refrigeración convergentes integrados que no son posibles con piezas moldeadas
• Refuerzo de las zonas sometidas a grandes esfuerzos con relleno o textura giroide
• Normalización de interfaces, accesorios y fijaciones para conjuntos modulares
• Parametrizar familias de piezas manteniendo comunes las características críticas

Límites de diseño

• Los ángulos de voladizo superiores a 60 grados requieren soportes
• Las relaciones de aspecto extremas superiores a 5:1 corren el riesgo de colapsarse o deformarse.
• Espesor mínimo de pared ~0,8 mm, características finas > 0,4 mm
• Las bolsas estrechas pueden atrapar polvo sin sinterizar que necesita orificios de evacuación
• Evitar cavidades huecas aisladas del acceso de extracción de polvo
• Se necesitan filetes generosos para aliviar las tensiones residuales
• Mecanizado posterior esencial para ajustes, juntas y rodamientos

La formación previa en DfAM de los ingenieros, combinada con la experiencia de los diseñadores en AM, puede evitar reprocesamientos debidos a la falta de diseños listos para la producción de piezas metálicas impresas de uso final.

Análisis comparativo

Impresión 3D frente a titanio fundido o mecanizado

Profesionales de la fabricación aditiva

• Libertad de diseño para estructuras ligeras
• Reducción del número de piezas mediante consolidación
• Formas personalizadas que se ajustan a los requisitos del campo
• Elimina las herramientas necesarias para fundir matrices o CNC
• Proceso más seguro y sostenible con menos residuos
• Menor plazo de entrega para lotes de bajo volumen

Contras

• Ritmos de fabricación más lentos que la producción en serie
• Límites de tamaño impuestos por las cámaras de construcción más pequeñas
• Mayor coste por pieza en cantidades medias
• Limpieza extensiva del soporte que causa defectos superficiales
• El postprocesado reduce las propiedades del material impreso
• La anisotropía provoca debilidades direccionales
• Las normas y cualificaciones siguen madurando

Titanio impreso en 3D frente a otros metales

El titanio destaca cuando las prestaciones mecánicas a altas temperaturas se combinan con flexibilidad de diseño, baja masa y resistencia a condiciones extremas. Las capacidades ampliadas de la AM ayudan a superar los retos de fabricación tradicionales, como los elevados ratios de compra y los largos plazos de entrega, que limitaban las aplicaciones en el pasado a pesar de sus excelentes propiedades.

Perspectivas del sector y futuro del titanio AM

La fabricación aditiva es uno de los segmentos de la industria manufacturera que más rápido está creciendo, con impresoras cada vez más grandes y rápidas que utilizan múltiples láseres y brazos robóticos. Las piezas de titanio se fabrican en serie en los sectores de la aviación, el espacio, la energía, los deportes de motor y la medicina.

Algunas tendencias que influyen en la adopción de la fusión del lecho de polvo de titanio:

• La disminución de los costes del sistema mejora su asequibilidad
• Postprocesamiento automatizado que impulsa la repetibilidad
• Técnicas de fabricación aditiva de gran superficie (BAAM) para grandes estructuras de titanio
• Nuevas aleaciones especializadas con mayor resistencia a la fluencia y a la fatiga
• Simulación e IA para la predicción de defectos, la optimización de procesos y la garantía de calidad
• Impresión híbrida que combina aditivos, sustractivos, inspección y automatización
• Madurez de la cadena de suministro que garantice la trazabilidad de los materiales y las normas de los procesos

A medida que las piezas de titanio AM obtienen certificaciones médicas y de seguridad de vuelo, la impresión 3D está preparada para transformar los sectores con gran volumen de inventario, como el aeroespacial, mediante modelos de fabricación distribuida. Las empresas están colaborando en toda la cadena de valor para introducir diseños innovadores en aplicaciones de misión crítica con mayor rapidez y a menor coste que nunca.

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