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En lo que respecta a la impresión 3D, merece la pena hablar de la impresión 3D metálica por la gran resistencia y durabilidad de los metales. Principalmente, la impresión 3D metálica es sinónimo de fabricación aditiva, que consiste en crear productos construyendo capas una a una.
Existen varias técnicas de impresión 3D en metal. Así, puede elegir entre distintos tipos de materiales para obtener una combinación perfecta de durabilidad, coste, acabado superficial y velocidad. Aquí tienes una guía completa sobre el proceso, el funcionamiento, los tipos y las aplicaciones de la impresión 3D en metal.
¿Qué es la técnica de impresión 3D sobre metal y cómo funciona?
La impresión 3D sobre metal es una tecnología de fabricación aditiva que produce piezas metálicas en forma de capas mediante sinterización, fusión y soldadura. La impresión 3D sobre metal suele utilizar polvo metálico para su funcionamiento. Por lo general, en la impresión 3D sobre metal interviene una amplia gama de aleaciones metálicas y metales, como el acero inoxidable, el aluminio, el cromo-cobalto y el titanio.
El trabajo del metal para impresoras 3D gira principalmente en torno a SLM y DMLS. Así pues, veamos cómo funciona:
Antes de pasar al proceso de impresión 3D en metal, permítanme presentarles la plataforma de construcción. Normalmente, las piezas metálicas se fijan a ellas mediante estructuras de soporte fabricadas con el mismo material que las piezas. La plataforma de construcción evita principalmente que se deformen o se doblen debido a las altas temperaturas.
Primer paso
El primer paso consiste en minimizar la probabilidad de oxidación del polvo metálico llenando la cámara de impresión con gas inerte, es decir, argón. A continuación, la cámara de impresión se calienta a la temperatura óptima.
Paso 2
Tras extender la fina capa de polvo metálico, se escanea la sección transversal del componente con un láser de alta potencia.
En consecuencia, las partículas metálicas se funden y dan lugar a otra capa. Asimismo, se vigila toda la superficie de la pieza metálica para garantizar la formación de un producto totalmente sólido.
Paso 3
En cuanto finaliza el proceso de escaneado, la plataforma de construcción se desplaza hacia abajo y extiende una segunda capa fina de metal mediante un recubridor. El proceso se repite hasta la formación del producto final.
Paso 4
Una vez que el producto está formado y el contenedor se enfría a temperatura ambiente, los técnicos deben retirar manualmente el polvo metálico sobrante. A continuación, la pieza se somete a tratamiento térmico sin separarla de la plataforma de construcción. Aquí, la plataforma de construcción sirve para aliviar las tensiones residuales de la pieza.
Por último, es hora de separar el componente de la plataforma de construcción mediante mecanizado o corte. Ahora, puede utilizar la pieza para su posterior procesamiento.
¿Cuáles son los distintos tipos de técnicas de impresión 3D en metal?
Como ya se ha comentado, el polvo metálico es un elemento clave de las máquinas de impresión sobre metal. Por lo tanto, la diferencia entre todos los tipos de técnicas de impresión 3D de metal radica en la fusión del polvo en piezas metálicas. Estas técnicas implican diferentes fuentes para el funcionamiento de una impresora 3D metálica.
|
Clasificación de las técnicas de impresión 3D en metal |
|||||||
| Tipos |
Cama de polvo Fusion |
Chorro aglomerante | Chorro de material | Extrusión de materiales | Polimerización en cuba | Deposición directa de energía |
Laminación de hojas |
| Subtipos |
DMLS SLS MJF |
Chorro aglomerante | Material Jetting DOD | FDM
FFF |
SLA
DLP CLIP |
Láser DED
Arco DED Haz de electrones DED |
LOM SLCOM PSL SDL |
| Materiales | EBM de acero,
Acero inoxidable, Titanio, Cobre de cobalto, Aluminio |
Carburo de wolframio, aleaciones a base de níquel Acero inoxidable |
Acero inoxidable |
Aleaciones de titanio, aleaciones de níquel, aleaciones de aluminio, cobre, acero inoxidable |
Resinas |
Acero inoxidable, aleaciones de níquel, aleaciones de titanio, aleaciones de cobalto |
Papel, metales, cerámica, polímeros, |
A continuación, veremos sus tipos más significativos, su funcionamiento y sus usos:
1. Fusión del lecho de polvo
La fusión de lecho de polvo es la técnica de impresión 3D directa de metal más utilizada. El principio de funcionamiento de estas máquinas es que extienden una fina capa de polvo y utilizan una fuente térmica para fundir una sección transversal de la pieza en una capa de polvo.
Para conocer en profundidad este proceso, conviene echar un vistazo a sus tipos más populares. Siempre que se habla de las mejores impresoras 3D de metal, las primeras imágenes que aparecen en la mente son DMLS y SLS. Normalmente, SLM (Sinterizado Láser Selectivo), DMLS (Sinterizado Láser Directo de Metal) y MJF (Fusión de Chorro Múltiple) son tipos de fusión de lecho de polvo. Analicemos estos tipos uno por uno:
● DMLS
El Sinterizado Directo de Metal por Láser destaca porque con él se pueden fabricar piezas de cualquier aleación metálica. Mientras que otros métodos de impresión 3D sólo son compatibles con aleaciones metálicas específicas o materiales basados en polímeros. Aunque el funcionamiento del DMLS es bastante similar al del SLS, la diferencia radica en el nivel molecular. En lugar de fundir el polvo metálico, sólo se sinteriza. En última instancia, se obtienen piezas menos porosas en comparación con la técnica de fusión.
Además, esta impresora 3D de sinterización de metal requiere menos energía, ya que no necesita calor para fundir el polvo metálico. El proceso se utiliza específicamente para crear productos con muescas, cavidades y ángulos de inclinación. Sus principales aplicaciones se encuentran en prototipos funcionales, herramientas y dispositivos o instrumentos médicos.
● SLS
Con este método se obtienen objetos impresos extremadamente densos y resistentes. Normalmente, se utiliza un láser de alta potencia para unir las pequeñas partículas de polvo en una pieza tridimensional. Una vez fusionada una capa, se desplaza un rodillo sobre el lecho para garantizar la distribución de la siguiente capa de polvo. Posteriormente, la mayor parte del polvo suelto se retira mediante cepillado manual.
Las impresoras SLS de metal son ideales para tratar piezas mecánicas, como hélices y engranajes. Además, con este proceso se fabrican piezas para la industria automovilística, aeroespacial y médica.
● MJF
La tecnología Multi Jet Fusion funciona con brazos de barrido. En primer lugar, un brazo de barrido aplica la capa de polvo y, a continuación, el segundo brazo, formado por inyectores de tinta, deposita selectivamente un agente aglutinante sobre la pieza de trabajo concreta. Además, el chorro de tinta proporciona superficies lisas y precisas aplicando un agente de detallado alrededor del aglutinante.
Ventajas del PBF
A continuación se enumeran algunas ventajas comunes del método de fusión en lecho de polvo:
- Puede fabricar una amplia gama de geometrías.
- Proporciona las mejores propiedades mecánicas a los productos.
Desventajas
Este método tiene algunos inconvenientes, como los elevados costes, los tamaños de construcción limitados, la producción de residuos y la manipulación peligrosa de los polvos metálicos.
2. Chorro de ligante
La técnica de inyección de aglutinante en impresión 3D se desarrolló en la década de 1990. El objetivo era conseguir un metal imprimible de bajo coste que fuera también muy eficaz.
El método comienza cuando el tipo de material de impresión 3D inicial se deposita en la impresora en forma de polvo, como arena, polvo metálico, cerámica o polímero. A continuación, se aplica el agente aglutinante mediante inyección de tinta y se imprime cada capa en la plataforma de construcción. A medida que se repite el proceso, el polvo se recubre después de cada capa hasta que se completa la impresión.
Esta técnica puede producir un gran número de piezas y herramientas de mecanizado de alta calidad en poco tiempo. Además, puede encontrar sus aplicaciones en la fabricación de moldes de fundición en arena, modelos realistas y prototipos de bajo coste.
Ventajas
Al utilizar esta técnica puede esperar los siguientes beneficios:
- Bajo coste.
- Precisión dimensional de 2 mm.
- Excelente producción de color.
Desventajas
A pesar de sus notables ventajas, los resultados no están a la altura. Sólo se puede utilizar para aplicaciones de baja intensidad.
3. Chorro de material
El chorro de material, también conocido como chorro de polietileno, es una técnica bastante popular en las impresoras 3D de chapa metálica. Utiliza materiales fotoreactivos viscosos como ceras y fotopolímeros (líquidos) como materiales de uso común debido a su viscosidad. Debido a su naturaleza viscosa, forman finas gotitas para formar capas. Generalmente, el método utiliza luz UV para solidificar el material en las piezas. El producto se fabrica principalmente capa a capa hasta completarlo.
Esta técnica puede emplearse en aplicaciones como la creación de prototipos de diferentes marcas y modelos médicos.
Ventajas
- La precisión puede llegar a 0,01 milímetros por capa fina.
- Proporciona un acabado de superficie lisa.
- El proceso ofrece una amplia gama de colores para las piezas de material.
Desventajas
Los inconvenientes del chorro de material son que no es adecuado para aplicaciones mecánicas y que es un proceso de impresión de baja velocidad.
4. Extrusión de material
Como su nombre indica, esta técnica de impresión 3D funciona según el principio de extrusión, en el que el material próximo a su punto de fusión se hace pasar a través de una pequeña abertura. Esta técnica funciona depositando filamentos 3D de metal compuesto y materiales termoplásticos en una trayectoria predeterminada para formar capas. Los materiales habituales para la extrusión de materiales son PLA, PA, ABS, TPU, fibra de carbono, etc.
Normalmente, la extrusión de material en piezas metálicas impresas en 3D se aplica a carcasas electrónicas, patrones de fundición a la cera perdida, accesorios, etc.
Existen dos subtipos de extrusión de material:
- FDM (modelado por deposición fundida)
- FFF (fabricación de filamento fundido)
1) FDM
La tecnología FDM utiliza un filamento de plástico que primero se licua y luego se vuelve a solidificar para darle la forma deseada (ya definida por un modelo CAD). Normalmente, el calentamiento de una boquilla de extrusión se encarga de fundir el plástico. El material fundido tiende a formar capas y, tras endurecerse, da lugar a un objeto 3D.
2) FFF
La tecnología FFF es exactamente similar a la FDM. Sin embargo, las piezas FDM se consideran más resistentes que las FFF. En cuanto al funcionamiento de la FFF, carece de un entorno de impresión calentado, lo que es un factor clave para que los resultados de los productos sean menos precisos.
Ventajas
Estas son algunas de las grandes ventajas de la extrusión metálica:
- Bajo coste
- Puede manejarlo fácilmente con gran seguridad.
- Impresión rápida de piezas delicadas.
Desventajas
La extrusión de material no es preferible en términos de precisión y velocidad debido al radio limitado de la boquilla. Además, los técnicos tienen que mantener la calidad del acabado final del producto.
5. Polimerización en cuba
La fotopolimerización en cuba es uno de los procesos de fabricación aditiva que sólo utiliza el fotopolímero como material significativo para esta técnica. Normalmente, la resina de fotopolímero está disponible en varios colores. Normalmente, utiliza luz UV para curar la resina y proporciona un acabado superficial perfecto.
Además, el proceso de fotopolimerización se produce cuando las moléculas de los fotopolímeros líquidos se exponen a diferentes longitudes de onda de luz. Como resultado, se unen rápidamente y se endurecen formando un sólido.
Las técnicas de polimerización en cuba son habituales para producir piezas con detalles finos, como trabajos de joyería y diferentes aplicaciones dentales y clínicas.
Esta técnica 3D tiene otros tipos diferentes:
- SLA (estereolitografía)
- DLP (procesamiento digital de la luz)
- CDLP (Procesamiento Digital Continuo de la Luz)
1) SLA
La SLA es más conocida por ofrecer resistencias ajustadas, elevados niveles de detalle y acabados superficiales suaves. El trabajo de este tipo implica una plataforma de construcción que se sumerge en un recipiente lleno de resina. Durante este proceso, sólo se deja una capa de altura entre el fondo del depósito de resina y la plataforma de construcción. Después, un galvanómetro con ayuda del código G traza el rayo láser en la trayectoria, que se encarga de crear una capa sobre la pieza.
Posteriormente, la sección transversal de una pieza concreta se vuelve a recubrir con material fresco. Siguiendo los mismos pasos, se pueden formar nuevos revestimientos sobre esta superficie revestida de nuevo.
2) DLP
Como su nombre indica, el método Digital Light Processing utiliza luz y polímeros fotosensibles para imprimir. Se diferencia del SLA únicamente por la fuente de luz. Utiliza diferentes fuentes de luz proyectada, como las lámparas de arco. Además, se considera más rápido que el SLA.
DLP es ideal para imprimir patrones intrincados en resinas con el fin de formar juguetes, moldes dentales, moldes de joyería, figuritas y muchos otros productos de detalles finos.
3) CDLP
CLIP es la técnica de polimerización por IVA más rápida que produce objetos de caras lisas de diversas formas. Esta tecnología utiliza explícitamente un proyector UV, oxígeno y resina fotosensible para producir un objeto 3D.
La plataforma de construcción está ligeramente sumergida en un pozo de resina fotosensible. Cuando esta plataforma de construcción se eleva, la luz UV reacciona con la resina, lo que provoca el endurecimiento del material. En este punto, la luz UV y el oxígeno se ajustan para alterar la forma de la pieza mientras se eleva del pozo de resina. Uno de los propósitos significativos del CDLP es generar propiedades mecánicas en piezas verdaderamente isótropas.
Ventajas
- Proporciona un trabajo detallado y de alta calidad.
- Además, ofrece una impresión rápida.
Desventajas
Además de las ventajas de la polimerización en cuba, también carece de resistencia, y la luz ultravioleta puede afectar a la resina incluso después de la impresión. Además, con el tiempo, la resina puede deformarse y doblarse.
6. Deposición directa de energía:
La deposición directa de energía en la impresión 3D es una técnica compleja que suele utilizarse en la reparación de piezas industriales. En este proceso sólo se utiliza metal en forma de alambre o polvo. Además, no requiere ninguna estructura de soporte adicional y utiliza una fuente de alta energía como un láser o un haz de electrones para fundir el material simultáneamente mientras se produce la impresión.
Sin embargo, dependiendo de las distintas aplicaciones, esta técnica también se conoce como DMD, LENS, EBAM, etc.
Las aplicaciones de esta técnica en el sector industrial son la reparación de paletas o álabes de turbina dañados.
Ventajas
- Las piezas más grandes pueden fabricarse con mayor eficacia.
- Permiten una impresión rápida en comparación con otros servicios de impresión 3D en metal.
- El proceso crea productos de alta densidad con excelentes propiedades mecánicas.
Desventajas
Sin duda, el rendimiento global de este método es excepcional, pero es relativamente muy caro. Además, funciona sin utilizar estructuras de soporte, lo que elimina la posibilidad de voladizos.
7. Laminación de hojas
La laminación de láminas sigue el fenómeno de capa por capa para formar una pieza metálica en 3D. En este método, se apilan y laminan finas láminas metálicas que terminan en una sola pieza que puede convertirse en un objeto 3D mediante corte. La laminación puede incluir soldadura ultrasónica, soldadura fuerte o unión. Una vez finalizado el proceso de impresión con este método, los productos resultantes se modifican mediante mecanizado o taladrado.
Ventajas
- Los materiales son fáciles de manejar
- No se necesita ningún sistema de apoyo adicional
- El uso de material estándar ahorra costes
- Tras el posprocesamiento, ofrece un tiempo de impresión más rápido
Desventajas
La tecnología de laminado de láminas ofrece opciones de material limitadas. Además, puede resultar difícil retirar el material sobrante una vez realizada la laminación. Sobre todo, este método genera muchos residuos.
Características de la impresión 3D de metales con respecto a SLM y DMLS
1. Parámetros de la impresora 3D
Los fabricantes de máquinas ya establecen los parámetros en una impresora. Normalmente, se utiliza una altura de capa de 20 a 50 micras. Por otra parte, el tamaño de construcción general del sistema es de casi 250 * 150 * 150 mm, aunque también existen en el mercado sistemas de mayor tamaño.
Además, durante la SLM y el DMLS, se desperdicia menos de 5% de metal en polvo en forma de estructuras de soporte. Sin embargo, el máximo de polvo puede reciclarse.
2. Adhesión de capas
Las piezas producidas por las impresoras 3D DMLS y SLM que pueden imprimir metal tienen unas características térmicas y mecánicas isótropas elevadas. Estas piezas sólidas presentan una porosidad interna muy leve. Además, poseen una mayor resistencia y dureza en comparación con otras técnicas tradicionales.
Sin embargo, su elevada rugosidad superficial las hace propensas a la fatiga.
3. Estructuras ligeras
En la impresión 3D sobre metal, se suele utilizar una estructura reticular para obtener piezas ligeras. También se puede recurrir a algoritmos de optimización topológica para obtener diseños orgánicos y ligeros.
4. Estructuras de apoyo
Las estructuras de soporte son cruciales para que las impresoras 3D SLM y DMLS puedan hacer frente a las consecuencias de las altas temperaturas de procesamiento. Las tres funciones significativas de estas estructuras son las siguientes:
- Sirven para sujetar la pieza a las placas de construcción y evitar el alabeo.
- Ayuda a formar la siguiente capa sobre la que construir.
- Desempeñan un papel fundamental a la hora de extraer el calor del componente. De este modo, se enfría rápidamente.
Veredicto final
Es posible que haya observado que, junto con varias ventajas de las diferentes técnicas de impresión 3D sobre metal, existen ciertos inconvenientes. Especialmente si se tiene en cuenta el coste relativamente elevado de las impresoras 3D y los polvos metálicos, la mejor solución es obtener impresiones 3D personalizadas bajo demanda.
