Visión general de Fabricación aditiva en polvo
La fabricación aditiva, también conocida como impresión 3D, utiliza diversos materiales en forma de polvo para construir piezas y productos capa a capa. El tipo de polvo seleccionado depende del proceso específico de fabricación aditiva que se utilice, así como de las características deseadas de la pieza acabada.
Algunos de los principales tipos de polvos de fabricación aditiva son:
- POLVOS METÁLICOS - Se utiliza en los procesos de fusión de lecho de polvo y de deposición de energía dirigida. Los materiales más comunes son el titanio, el aluminio, el acero, las aleaciones de níquel y el cobalto-cromo.
- Polvos de polímero - Se utiliza en procesos de fusión de lecho de polvo y de inyección de materiales. Los materiales más comunes son nailon, ABS, policarbonato, poliestireno y poliuretano termoplástico.
- Polvos cerámicos - Se utiliza en procesos de inyección de aglutinante y extrusión de materiales. Los materiales más comunes son sílice, alúmina, circonio y porcelana.
- Arena y polvos de moldeo - Se utiliza en los procesos de inyección de aglutinante para crear moldes y machos para fundiciones metálicas. Normalmente a base de sílice.
- Polvos biocompatibles y bioactivos - Se utiliza en aplicaciones médicas. Los materiales más comunes son el titanio, la hidroxiapatita y el fosfato tricálcico.
Las características de los polvos de fabricación aditiva pueden influir significativamente en las propiedades, la calidad, la precisión y el rendimiento de las piezas impresas. Entre las propiedades clave de los polvos se incluyen:
Composición del polvo para fabricación aditiva
La fabricación aditiva utiliza materiales metálicos, poliméricos, cerámicos, arenosos y otros materiales en polvo con composiciones específicas adaptadas a diversos procesos de impresión.
POLVOS METÁLICOS
| Tipo | Composiciones comunes |
|---|---|
| Aleaciones de titanio | Ti-6Al-4V, Ti-6Al-7Nb, Ti-Al-Fe, Ti-Al-Mn, Ti-Al-Sn |
| Aleaciones de aluminio | AlSi10Mg, AlSi12, Scalmalloy |
| Aleaciones de acero | 17-4PH, 316L, 304L, 4140 |
| Aleaciones de níquel | Inconel 625, 718; Hastelloy X |
| Cromo-cobalto | CoCrMo |
Polvos de polímero
| Tipo | Composiciones comunes |
|---|---|
| Nylon | Nylon 11, Nylon 12 |
| ABS | Acrilonitrilo butadieno estireno |
| Policarbonato | Policarbonato de bisfenol A |
| Poliestireno | PS, PS de alto impacto |
| Poliuretano termoplástico | TPU |
Polvos cerámicos
| Tipo | Composiciones comunes |
|---|---|
| Sílice | Cuarzo fundido, cristobalita |
| Alúmina | Al2O3 |
| Zirconia | ZrO2, YSZ (estabilizado con itria) |
| Porcelana | Mezcla de vidrio, arcilla y feldespato |
Arena y polvos de moldeo
| Tipo | Composiciones |
|---|---|
| Arena de sílice | Mayoritariamente SiO2, con trazas de óxidos metálicos y óxidos no metálicos. |
| Arena de circón | Silicato de circonio |
| Arena de olivino | Silicato de magnesio y hierro |
| Arena de cromita | Óxido de hierro y cromo |
Polvos bioactivos y biocompatibles
| Tipo | Composiciones comunes |
|---|---|
| Titanio y aleaciones | Titanio puro, Ti-6Al-4V |
| Hidroxiapatita | Ca10(PO4)6(OH)2 |
| Fosfato tricálcico | Ca3(PO4)2 |
Fabricación aditiva en polvo Propiedades
Entre las propiedades clave de los polvos de fabricación aditiva que influyen en la calidad de las piezas y el rendimiento del proceso se incluyen:
| Propiedad | Descripción | Significado |
|---|---|---|
| Distribución granulométrica | Gama y distribución de las dimensiones de las partículas de polvo | Afecta a la fluidez del polvo, la densidad de empaquetamiento, la uniformidad de la capa, la resolución |
| Morfología y forma | Relación de aspecto y factores de forma de las partículas de polvo | Impacta el esparcimiento, la densidad de empaquetamiento, el flujo de polvo |
| Densidad | Relación masa/volumen del polvo a granel | Determina el peso y la precisión dimensional de las piezas |
| Fluidez | Capacidad del polvo para fluir libremente bajo tensión aplicada | Vital para un esparcimiento y recubrimiento uniformes de las capas de polvo |
| Contenido en humedad | Porcentaje de agua en el polvo | La humedad elevada provoca aglomeraciones de polvo y defectos de impresión |
| Composición química | Composición elemental y fases presentes | Define las propiedades mecánicas, la microestructura y el rendimiento de las piezas acabadas. |
Fabricación aditiva Aplicaciones del polvo
Los polvos de fabricación aditiva se utilizan para imprimir componentes funcionales en las principales industrias:
| Industria | Aplicaciones | Materiales utilizados |
|---|---|---|
| Aeroespacial | Palas de turbina, componentes aeronáuticos, motores de cohetes | Aleaciones de titanio, aleaciones de níquel, aleaciones de aluminio, cromo-cobalto |
| Automotor | Creación de prototipos, producción de piezas como engranajes, soportes | Aleaciones de aluminio, nailon, ABS |
| Médico | Cofias dentales, implantes, instrumental quirúrgico | Aleaciones de titanio, cromo-cobalto, acero inoxidable |
| Consumidores | Joyas, objetos de decoración, aparatos de iluminación | Metales preciosos como el oro y la plata; polímeros |
Especificaciones del polvo para fabricación aditiva
Los materiales en polvo utilizados en procesos específicos de fabricación aditiva se ajustan a determinados umbrales de tamaño, composición y propiedades:
| Proceso | Tamaño de partícula | Grado de aleación | Normas |
|---|---|---|---|
| Fusión del lecho de polvo | 15-45 micras | Ti-6Al-4V ELI según ASTM F3001 | ASTM F3049, ASTM F2924, ASTM F2971 |
| Chorro aglomerante | 20-60 micras | Acero inoxidable 420 o 316 | ASTM F3301, MPIF 35 |
| Chorro de material | 5-25 micras | Poliuretano 60-65 Shore D | – |
| Deposición de energía dirigida | 45-150 micras | Inconel 718, acero inoxidable 316L | ASTM F3055, ASTM F3302 |
Proveedores de polvo para fabricación aditiva
Existe una sólida red de proveedores que ofrecen una amplia gama de polvos para fabricación aditiva de metales, polímeros, cerámicas y materiales compuestos:
| Compañía | Materiales en polvo | Coste |
|---|---|---|
| Tecnología LPW | Aleaciones de titanio, aleaciones de aluminio, acero inoxidable, aleaciones de níquel | $100-$500 por kg |
| Sandvik Osprey | Aleaciones de acero inoxidable, aleaciones de níquel, aleaciones de cobalto | $50-$250 por kg |
| Polvos y revestimientos avanzados | Polímeros a base de nailon, PEEK, PEKK | $80-$600 por kg |
| La empresa ExOne | Acero inoxidable, acero para herramientas, carburo de tungsteno, Inconel 625 | $75-$1000 por kg |
| Höganäs | Acero inoxidable, aleaciones a base de hierro | $30-$150 por kg |
| Kennametal | Carburo de tungsteno-cobalto, inoxidable 17-4PH | $100-$1200 por kg |
| 3DCeram | Cerámica de alúmina, cerámica de circonio, sílice | $100-$250 por kg |
Comparación entre Polvos de fabricación aditiva
Existen diferencias considerables entre las distintas opciones de polvo en cuanto a procesos de producción, coste, propiedades de las piezas y calidad:
| Parámetro | Polvo de polímero | Polvo metálico | Polvo cerámico |
|---|---|---|---|
| Tasa de construcción | Medio | Lento | Rápido |
| Resolución | Medio | Alta | Media a baja |
| Resistencia parcial | Bajo a medio | Muy alta | Media a alta |
| Precisión de las piezas | Medio | Media a alta | Bajo a medio |
| Acabado superficial | Medio | Alta | Bajo a medio |
| Propiedades térmicas | Bajo punto de fusión, baja conductividad | Alto punto de fusión, alta conductividad | Alto punto de fusión, baja conductividad |
| Coste por pieza | Bajo a medio | Alta | Medio |
| Tratamiento posterior | Mínimo | Amplia | Medio |
Ventajas de la fabricación aditiva con lecho de polvo
Algunas de las principales ventajas de utilizar la tecnología de lecho de polvo para la fabricación de piezas son:
- Capacidad para crear geometrías complejas y ligeras que no son posibles con fundición o mecanizado.
- Mínimo desperdicio de materia prima, ya que el polvo no utilizado se recicla
- No requiere herramientas ni moldes específicos, lo que permite la creación rápida de prototipos.
- Las piezas presentan una gran solidez, durabilidad y resistencia al calor y a la corrosión, igual que los materiales forjados.
- La porosidad y la microestructura pueden controlarse fácilmente
- Se pueden imprimir múltiples materiales y aleaciones, incluso composiciones graduadas
- Producción "justo a tiempo" con plazos de entrega mínimos
Limitaciones de la fabricación aditiva en lecho de polvo
Algunos inconvenientes asociados a la fabricación aditiva en lecho de polvo que deben tenerse en cuenta:
- Costes operativos y de equipamiento elevados en comparación con otros procesos
- A menudo es esencial un tratamiento posterior adicional, como el prensado isostático en caliente.
- Los procedimientos y equipos de manipulación del polvo requieren una atención especial
- La impresión de determinados polímeros flexibles y materiales similares al caucho plantea dificultades
- No es ideal para la producción en serie y de gran volumen.
- Las limitaciones de tamaño impuestas por las dimensiones de la cámara de fabricación pueden obligar a rediseñar piezas grandes.
Preguntas más frecuentes
P: ¿Cuál es el polvo metálico más utilizado para la fabricación aditiva?
R: Las aleaciones de titanio, como Ti-6Al-4V, son uno de los polvos metálicos más populares, debido a su elevada relación resistencia-peso y a su biocompatibilidad. Las aleaciones de aluminio, los aceros inoxidables, el cromo-cobalto y las superaleaciones de níquel también se utilizan con mucha frecuencia.
P: ¿Qué grado de finura tienen los polvos utilizados en los procesos de AM?
R: El rango de tamaño típico es de 10-100 micras, aunque algunos procesos pueden utilizar nano polvos ultrafinos de 1-10 micras. Los polvos más finos, por debajo de 20 micras, dan como resultado una mejor resolución y precisión.
P: ¿Qué influye en el precio de los polvos de fabricación aditiva?
R: Los precios vienen determinados por el coste de las materias primas, la composición, el tipo de aleación, las características de las partículas, como la distribución del tamaño, la fluidez y la morfología, los niveles de pureza y el volumen de compra. Las aleaciones complejas son más caras que las simples.
P: ¿Importa la forma de las partículas de polvo para la fabricación aditiva?
R: Sí, los polvos esféricos con buena fluidez, densidad de empaquetado y esparcibilidad funcionan mucho mejor que los polvos muy irregulares o angulares durante la impresión. La forma de las partículas influye en la densidad, la uniformidad de la capa y el acabado de la superficie.
P: ¿Se puede utilizar cualquier polvo comercial en los procesos de AM?
R: No siempre. La mayoría de los procesos requieren polvos personalizados con composiciones, tamaños y formas adaptados específicamente a las aplicaciones de impresión 3D para garantizar un flujo y una fusión ideales. Solo se recomiendan fabricantes establecidos con un estricto control de calidad.
P: ¿Cómo se reutiliza o recicla el polvo metálico no utilizado en la fabricación aditiva?
R: Tras las impresiones, el polvo sin sinterizar se filtra para eliminar los aglomerados grandes y, a continuación, se mezcla con pequeñas cantidades de polvo fresco, para mantener su fluidez, densidad y composición dentro de unos límites estrictos. Este reciclaje del polvo reduce considerablemente los costes y los residuos.
P: ¿Qué causa los problemas de delaminación de capas en la impresión 3D en lecho de polvo?
R: Una unión insuficiente entre capas se debe a un precalentamiento inadecuado, una distribución desigual del polvo, un aporte de energía inadecuado, gradientes térmicos desfavorables o una densidad de empaquetamiento de partículas deficiente, entre las razones más comunes. Optimizar los parámetros del proceso es vital.
P: ¿Son inflamables los polvos metálicos de fabricación aditiva?
Muchos polvos reactivos elementales y de aleación son altamente inflamables cuando están finamente divididos. Una ventilación adecuada, la conexión eléctrica a tierra de los equipos, los sistemas de escape especializados, la detección de chispas y la extinción de incendios son medidas de seguridad esenciales. El almacenamiento y la manipulación del polvo también requieren precauciones especiales.