Introducción
La tecnología de impresión 3D ha revolucionado los procesos de fabricación en todos los sectores, permitiendo la creación rápida de prototipos y la producción de componentes intrincados y ligeros. Uno de los materiales más utilizados en la impresión 3D de metales es el aluminio debido a su elevada relación resistencia-peso, su resistencia a la corrosión, su excelente conductividad térmica y eléctrica y su facilidad de posprocesamiento.
Entre las diversas aleaciones de aluminio, Polvo de aleación de aluminio 7050 está ganando popularidad en aplicaciones de impresión 3D que requieren una gran resistencia y una dureza moderada. El aluminio 7050 contiene zinc, magnesio y cobre como principales elementos de aleación y ofrece resistencias comparables a las de algunos aceros. Este artículo ofrece una visión general del polvo de aleación de aluminio 7050 y sus aplicaciones en impresión 3D.
Polvo de aleación de aluminio 7050
El polvo de aleación de aluminio 7050 se desarrolló inicialmente en la década de 1950 para aplicaciones estructurales aeronáuticas de alta resistencia. Forma parte de la serie 7xxx de aleaciones de aluminio, conocidas por su mayor resistencia entre todas las aleaciones de aluminio.
La composición típica del polvo de aleación de aluminio 7050 es:
- Zinc: 6.2%
- Magnesio: 2,3%
- Cobre: 2.2%
- Hierro: 0,15%
- Silicio: 0,12%
- Manganeso: 0,10%
- Cromo: 0,05%
- Circonio: 0,25%
Los principales elementos de aleación, el zinc y el magnesio, aportan resistencia mediante el endurecimiento por precipitación, mientras que el cobre mejora la resistencia a la corrosión. El circonio se añade para controlar la estructura del grano.
Las principales propiedades del polvo de aleación de aluminio 7050 son:
- Alta resistencia: límite elástico de 500 MPa y resistencia a la tracción de 570 MPa en el temple T651.
- Buena tenacidad a la fractura - Alrededor de 33 MPa√m en el temple T7351.
- Excelente resistencia a la fatiga - Resistencia a la fatiga de unos 310 MPa a 107 ciclos en el temple T7351.
- Buena resistencia a la corrosión - Debido a la aleación de cobre.
- Densidad media - Alrededor de 2,83 g/cm3.
- Excelente maquinabilidad y estabilidad dimensional durante el tratamiento térmico.
La combinación de alta resistencia, buena tenacidad y densidad moderada hace del 7050 una opción ideal para piezas estructurales y componentes destinados a ahorrar peso.
Ventajas de la aleación de aluminio 7050 para la impresión 3D
La aleación de aluminio 7050 ofrece varias ventajas que la hacen idónea para aplicaciones de impresión 3D:
Elevada relación resistencia/peso
La resistencia relativamente alta unida a la densidad media da como resultado una excelente relación resistencia-peso para el aluminio 7050. Esto permite diseñar piezas impresas en 3D ligeras con propiedades mecánicas suficientes.
La alta resistencia del 7050 permite la impresión 3D de componentes destinados a soportar altas tensiones, presiones y cargas de funcionamiento. Al mismo tiempo, su menor densidad en comparación con los aceros y las aleaciones de titanio permite ahorrar peso.
Buena imprimibilidad
Las partículas de polvo 7050 pueden moldearse de forma óptima para obtener una morfología esférica o casi esférica con técnicas de atomización adecuadas. Esto permite un flujo suave del polvo y una distribución uniforme de las capas de polvo durante la impresión 3D.
La excelente conductividad térmica del aluminio también evita problemas como el alabeo y las tensiones residuales durante la impresión. El resultado es una buena imprimibilidad y precisión dimensional de las piezas impresas en polvo de aleación de aluminio 7050.
Tratabilidad térmica
El polvo de aleación de aluminio 7050 puede tratarse térmicamente para conseguir las propiedades deseadas, como una alta resistencia. La impresión en estado recocido seguida de un tratamiento térmico posterior permite adaptar las propiedades a los requisitos de la aplicación.
El tratamiento por disolución, el enfriamiento rápido y el envejecimiento pueden utilizarse para conseguir una resistencia óptima en los revenidos T6 y T7. El trabajo en frío entre los ciclos de envejecimiento del 7050 también puede aumentar el límite elástico por encima de 550 MPa.
Resistencia a la corrosión
La adición de cobre proporciona una buena resistencia a la corrosión al aluminio 7050 en muchas aplicaciones estructurales. Esto evita la necesidad de revestimientos especializados en algunos casos, simplificando la impresión y el postprocesado.
Soldabilidad
El polvo de aleación de aluminio 7050 tiene mejor soldabilidad que muchas otras aleaciones 7xxx de alta resistencia. Esto permite soldar piezas impresas en 3D con 7050 entre sí o con componentes fabricados de forma tradicional, lo que aumenta la flexibilidad del diseño.
La soldadura por fricción y la soldadura por arco de gas tungsteno pueden utilizarse para unir aluminio 7050 sin pérdida significativa de las propiedades del metal base.
Rentabilidad
El polvo de aleación de aluminio 7050 es más asequible que otras aleaciones aeroespaciales de alta resistencia, como el titanio. Esto convierte a la 7050 en una opción económica para muchas industrias que buscan reducir el peso y los costes de material.
La buena reciclabilidad del aluminio y la posibilidad de reutilizar el polvo de desecho mejoran aún más la rentabilidad. La relación entre compra y vuelo de los componentes de aluminio impresos en 3D puede ser tan baja como 1:1.
Aplicaciones de los componentes de aluminio 7050 impresos en 3D
Las propiedades únicas del polvo de aleación de aluminio 7050 lo hacen adecuado para las siguientes aplicaciones:
Aplicaciones aeroespaciales
La industria aeroespacial es uno de los principales adoptantes de la impresión 3D metálica con aleaciones de aluminio. El aluminio 7050, con su alta resistencia, tenacidad a la fractura y resistencia a la fatiga, puede utilizarse para imprimir los siguientes componentes aeroespaciales:
- Marcos estructurales y soportes
- Juntas, conductos y carcasas de aeronaves
- Álabes de turbina, intercambiadores de calor y piezas del tren de potencia
- Componentes de UAV/drones, como soportes de motor y trenes de aterrizaje
La impresión 3D ayuda a fabricar piezas aeroespaciales ligeras con diseños optimizados y geometrías complejas. GE y Safran utilizan la aleación 7050 para imprimir piezas de motores a reacción y consiguen un ahorro de peso de 50% respecto a la fabricación tradicional.
Piezas de automóviles
Las aleaciones de aluminio como la 7050 pueden sustituir a los pesados componentes de acero en los automóviles y contribuir a aligerar su peso. Algunos ejemplos de piezas de automoción impresas en 3D con aluminio 7050 son:
- Componentes del chasis, la cadena cinemática y la suspensión, como los brazos de suspensión.
- Llantas
- Pinzas y discos de freno
- Cárteres y cajas de transmisión
- Intercambiadores de calor e intercooler
La impresión 3D permite consolidar conjuntos de varias piezas en componentes únicos impresos para automóviles. Ford y Bugatti han probado piezas de aluminio impresas en 3D para vehículos de carreras y de producción.
Electrónica de consumo
El sector de la electrónica de consumo utiliza la impresión 3D para carcasas, marcos y piezas de disipación de calor ligeras y de alta resistencia en productos como:
- Portátiles, teléfonos móviles, tabletas, wearables
- Impresoras 3D de sobremesa y equipos informáticos
- Consolas de videojuegos y accesorios
- Dispositivos audiovisuales de gama alta
Apple utiliza una aleación de aluminio 7050 para fabricar la carcasa de los portátiles Mac Pro con impresión 3D por sinterizado selectivo por láser para maximizar la resistencia y la gestión térmica.
Componentes robóticos
Varios actuadores, piezas del tren de potencia, articulaciones, soportes y efectores finales de robots pueden imprimirse en 3D a partir de aleaciones de aluminio para obtener un rendimiento ligero y de alta resistencia bajo cargas dinámicas. El polvo de aleación de aluminio 7050 es adecuado para piezas robóticas en:
- Robots industriales
- Robots colaborativos
- Exoesqueletos
- Vehículos aéreos no tripulados y drones
- Robots y vehículos espaciales
Productos sanitarios
Los instrumentos quirúrgicos, implantes dentales, prótesis y herramientas médicas impresos en 3D con aluminio 7050 proporcionan la resistencia necesaria para las aplicaciones de carga, al tiempo que son biocompatibles.
Material de defensa
El aligeramiento de vehículos y equipos militares como portaaviones, tanques y artillería mediante componentes 7050 impresos en 3D mejora la movilidad. El blindaje de aluminio también puede proporcionar protección al tiempo que ahorra peso respecto al blindaje de acero tradicional.
Parámetros de proceso para la impresión 3D de aluminio 7050
El proceso de impresión 3D más adecuado para las aleaciones de aluminio es la fusión en lecho de polvo, que utiliza una fuente de calor focalizada, como un láser o un haz de electrones, para fundir y fusionar selectivamente las partículas de polvo capa por capa.
Las diferentes tecnologías de lecho de polvo utilizadas para el aluminio 7050 son:
- Sinterización directa de metales por láser (DMLS)
- Fusión selectiva por láser (SLM)
- Fusión por haz de electrones (EBM)
La gama típica de parámetros de proceso para el aluminio 7050 son:
Láser y óptica
- Potencia del láser: 100-500 W
- Velocidad de escaneado láser: 100-1000 mm/s
- Distancia entre escotillas: 0,1-0,2 mm
- Grosor de la capa: 20-100 μm
Cama de polvo
- Granulometría del polvo: 15-45 μm
- Temperatura del lecho de polvo: Temperatura ambiente para SLM/DMLS, 600-850°C para EBM
Atmósfera inerte
- Contenido de oxígeno inferior a 0,1% para SLM/DMLS
- Vacío para EBM
Para el DMLS/SLM, el precalentamiento justo por debajo del punto de fusión, es decir, alrededor de 500 °C, ayuda a reducir las tensiones residuales. La elevada temperatura del lecho de polvo en EBM también minimiza las tensiones.
La orientación de la pieza, las estructuras de soporte y las estrategias de escaneado también influyen en las tensiones residuales y la calidad de impresión. Tanto la SLM como la EBM permiten imprimir rápidamente piezas densas de aluminio 7050 con propiedades cercanas a la fabricación tradicional.
Postprocesado de piezas de aluminio 7050 impresas en 3D
Tras la impresión, suelen utilizarse los siguientes pasos de postprocesado:
- Extracción de la placa de montaje: Métodos tradicionales como la sierra de cinta, el corte y el mecanizado por descarga eléctrica. Minimizado para facilitar el desprendimiento de la pieza mediante el uso de interfaces como capas de desprendimiento.
- Eliminación del soporte: Los soportes se retiran mediante pinzas, cúteres o disolución en baños cáusticos.
- Tratamiento térmico: Para conseguir las propiedades mecánicas y la microestructura del material deseadas. En el caso del 7050, esto implica el tratamiento por disolución, el templado y el envejecimiento.
- Acabado superficial: Consiste en eliminar las irregularidades de la superficie mediante técnicas como el chorro de arena, el esmerilado, el lijado y el pulido. También puede realizarse granallado para inducir tensiones de compresión.
- Inspección de calidad: Garantiza que las dimensiones, las tolerancias y las propiedades finales del material se ajustan a los requisitos especificados. Se utilizan métodos de ensayo como la metrología por coordenadas, los ensayos de tracción y la evaluación no destructiva.
- Certificación parcial: Valida la calidad de las piezas de aviación para garantizar el cumplimiento de las normas reglamentarias del sector aeroespacial. Reduce drásticamente los plazos de entrega en comparación con los flujos de trabajo tradicionales.
La automatización de las operaciones de postprocesado mejora la repetibilidad y reduce el tiempo total de producción de las piezas. La integración de la impresión y el posprocesamiento en una única máquina herramienta es una tendencia emergente.
Ventajas y retos de la impresión 3D en aluminio 7050
Algunas de las principales ventajas de la impresión 3D de piezas de aluminio 7050 son:
- Reducción de peso - Reduce el peso en más de 50% en comparación con las piezas de acero, mejora la eficiencia del combustible
- Rentabilidad - Menores costes en comparación con las aleaciones de titanio, menores pérdidas por chatarra
- Consolidación parcial - Permite geometrías complejas y optimizadas, combina conjuntos en piezas únicas
- Fabricación rápida - Los plazos de entrega se acortan significativamente, lo que acelera el desarrollo de productos
- Alta resistencia - Las propiedades mecánicas superan a las del aluminio fabricado tradicionalmente
- Personalización - Facilita piezas con características de diseño específicas del cliente
- Sostenibilidad - Reutiliza el polvo de aluminio, relativamente respetuoso con el medio ambiente
Sin embargo, hay que tener en cuenta ciertos retos:
- Elevados costes de equipamiento - Las impresoras y los sistemas de manipulación de polvo requieren grandes inversiones
- Optimización del proceso - Es necesario ajustar varios parámetros para obtener impresiones de alta calidad
- Cualificaciones del material - Las propiedades mecánicas dependen del proceso de impresión optimizado
- Tratamiento posterior - Implica múltiples pasos y requiere mucho tiempo y dinero
- Limitaciones del tamaño de las piezas - Limitado por las dimensiones del sobre de la impresora
- Acabado superficial - Puede requerir mecanizado tradicional u otros acabados
En general, las ventajas de la construcción ligera, la consolidación de piezas y la flexibilidad del diseño superan los retos señalados anteriormente para la mayoría de las aplicaciones.
Perspectivas de futuro de la impresión 3D en polvo de aleación de aluminio 7050
Se prevé que el uso de aleaciones de aluminio ligeras y de alta resistencia crezca exponencialmente en la impresión 3D en los sectores de la aviación, la automoción y otras industrias que buscan diseños ligeros.
Dentro de las aleaciones de aluminio, la 7050 seguirá encontrando cada vez más aplicaciones debido a sus propiedades de resistencia superiores, cercanas a las de los aceros, combinadas con una densidad moderada. Se prevé que las aleaciones de aluminio representen más de 25% del total de piezas metálicas de AM producidas en 2025.
Las tendencias clave que ampliarán la adopción de la impresión 3D de aluminio 7050 son:
- Mejora de los procesos - La optimización de parámetros, el posprocesamiento integrado y el control de calidad permitirán una impresión 3D equiparable a la fabricación tradicional.
- Reducción de costes - El aumento de la productividad, las mejoras en la cadena de suministro y el reciclaje reducirán los costes.
- Nuevas aplicaciones - La innovación en sectores como la medicina, la marina, el espacio o la defensa impulsará la demanda de piezas de aluminio impresas en 3D.
- Capacidades ampliadas - Los mayores volúmenes de fabricación, la impresión multimaterial y la certificación rápida facilitarán las aplicaciones.
- Integración de la automatización - La integración de la impresión 3D en los ecosistemas de fabricación digital mejorará su adopción.
A largo plazo, la impresión 3D con polvo de aleación de aluminio 7050 se convertirá en una tecnología de producción generalizada en varios sectores industriales debido a sus ventajas únicas.
Conclusión
La aleación de aluminio 7050 proporciona una combinación óptima de alta resistencia, tenacidad a la fractura, soldabilidad y resistencia a la corrosión necesaria en componentes estructurales y de carga para aviación, automoción y otras aplicaciones exigentes.
La impresión 3D con polvo de aluminio 7050 facilita geometrías complejas, estructuras ligeras y una fabricación rápida inalcanzable con las técnicas tradicionales. Ofrece importantes oportunidades de reducción de peso, ahorro de costes, reducción del plazo de entrega y flexibilidad de diseño en múltiples sectores.
Con las continuas mejoras en los procesos de impresión 3D, las propiedades de los materiales, los estándares de calidad y la certificación de piezas, la aleación de aluminio 7050 está llamada a convertirse en un material muy valorado para la fabricación digital en los próximos años. Sus aplicaciones seguirán aumentando debido a la necesidad de diseños ligeros en los sectores del transporte, la defensa, los bienes de consumo y la industria.