Introducción
La impresión 3D, también conocida como fabricación aditiva, ha revolucionado la fabricación y el diseño. Proporciona capacidades sin precedentes para crear rápidamente geometrías complejas con poco desperdicio. Sin embargo, muchas piezas impresas en 3D presentan propiedades mecánicas deficientes debido a la porosidad y otros defectos inherentes al proceso de impresión.
Prensado isostático en caliente (HIP) es un proceso de fabricación que somete las piezas impresas en 3D tanto a altas temperaturas como a presión isostática para mejorar su densidad, rendimiento y fiabilidad. La combinación de calor y presión permite cerrar los huecos internos y fusionar los defectos internos y las partículas de metales y cerámicas.
El HIP aplicado después de la impresión 3D mejora así las propiedades de las piezas impresas, lo que permite nuevas aplicaciones y un mayor rendimiento. La combinación sinérgica de la impresión 3D y el HIP amplía los límites de la complejidad del diseño y el alto rendimiento.
¿Qué es el prensado isostático en caliente?
El prensado isostático en caliente es un proceso de fabricación avanzado utilizado para reducir la porosidad y aumentar la densidad en metales, cerámicas, polímeros y materiales compuestos. En el proceso HIP, el componente se somete tanto a temperatura elevada como a presión isostática en un recipiente de contención de alta presión.
Isostático significa que se aplica una presión uniforme desde todas las direcciones simultáneamente. Esto se consigue rodeando el componente con un gas inerte, líquido o perlas de vidrio que transmiten la presión uniformemente a la superficie de la pieza.
La aplicación simultánea de calor y presión permite que los poros y huecos internos del material se cierren, densificando la pieza. La densificación depende de las propiedades viscoplásticas del material a la temperatura seleccionada y de la facilidad con la que los poros pueden deformarse y eliminar huecos entre partículas.
El proceso típico de HIP implica:
- Colocación de piezas en un recipiente de contención de la presión
- Evacuar el aire y rellenar con un gas inerte como el argón.
- Calentamiento hasta la temperatura de proceso, a menudo entre 1040-1200°C (1900-2200°F)
- Aplicación de presión isostática de hasta 30.000 PSI (200 MPa)
- Enfriamiento bajo presión antes de la liberación y retirada
El proceso HIP difunde el material para cerrar los poros internos, minimiza o elimina los vacíos internos y une metalúrgicamente los defectos internos. Esto mejora la calidad, el rendimiento y la fiabilidad de las piezas fabricadas en sectores como el aeroespacial, la defensa, la automoción y la energía.
¿Cómo mejora el prensado isostático en caliente las piezas impresas en 3D?
La mayoría de las técnicas de impresión 3D de metales, como la fusión selectiva por láser (SLM) y la fusión por haz de electrones (EBM), producen piezas con cierto nivel de porosidad. Esto se debe a la naturaleza de la construcción de piezas capa por capa a partir de polvo metálico.
Se forman defectos como microfisuras y microporos de hasta 100 μm entre las partículas de polvo y las capas solidificadas adyacentes. Las piezas pueden tener una porosidad de hasta 5% en función del material y los parámetros de impresión utilizados.
Esta porosidad intrínseca causa varios problemas:
- Las propiedades mecánicas, como la resistencia a la fatiga y la tenacidad a la fractura, se reducen drásticamente.
- Se crean vías de fuga que hacen que las piezas no superen las pruebas de estanqueidad.
- El rendimiento funcional se ve mermado, especialmente en sistemas de flujo de fluidos y presurizados.
- La resistencia a la corrosión y la compatibilidad química se resienten debido a la penetración en los poros.
- La precisión dimensional se ve comprometida, ya que los poros pueden seguir creciendo durante el tratamiento térmico posterior.
- La calidad del acabado superficial se degrada porque los poros cercanos a la superficie actúan como concentradores de tensiones
El prensado isostático en caliente elimina estos poros para mejorar significativamente las propiedades del material y el rendimiento de los metales impresos en 3D. El HIP consigue:
- Mayor densidad - el cierre de huecos y vacíos internos une metalúrgicamente el material para alcanzar una densidad de 100%
- Propiedades mecánicas mejoradas - elimina los concentradores de tensiones causados por defectos para mejorar la resistencia, la ductilidad y la resistencia a la fractura
- Estructuras estancas - cierra vías microscópicas para que los fluidos se filtren a través del material
- Mejor acabado superficial - aplasta los poros cerca de la superficie mejorando así la suavidad de la superficie
- Estabilidad dimensional - evita el crecimiento continuo de poros durante futuros procesos térmicos
- Mayor fiabilidad - elimina defectos para mejorar la calidad y la uniformidad de las piezas impresas
De este modo, la HIP supera las principales limitaciones de la impresión 3D de metales para permitir la producción de piezas de uso final de alto rendimiento.
Proceso HIP para piezas impresas en 3D
El proceso HIP típico para piezas fabricadas aditivamente implica:
Latas y sellado HIP
Las piezas impresas en 3D se colocan dentro de una lata HIP -normalmente de vidrio, acero o aluminio- junto con un relleno de perlas de cerámica o vidrio. La lata HIP soporta la pieza contra la presión y transmite la presión uniformemente contra todas las superficies.
A continuación, la lata se cierra herméticamente soldando o engarzando la tapa. De este modo se retiene el gas inerte utilizado posteriormente para aplicar la presión. La lata también evita la contaminación durante el proceso HIP.
Desgasificación
El conjunto del bidón HIP se coloca en el recipiente de contención de alta presión. Este recipiente se sella y se bombea hacia abajo para crear un vacío. El vacío elimina el aire y la humedad que pueden causar oxidación durante el HIP.
A continuación, el recipiente se rellena con un gas inerte como el argón para rodear las piezas. La atmósfera inerte evita las reacciones químicas durante el calentamiento.
Calefacción y presurización
El recipiente se calienta a una velocidad controlada hasta 1040-1200°C (1900-2200°F), la temperatura típica de HIP para metales. El calentamiento activa mecanismos de difusión y fluencia en el material que ayudan a cerrar los poros.
Una vez a temperatura, se aplica isostáticamente una alta presión de hasta 15.000-30.000 PSI (100-200 MPa) utilizando el gas inerte. Esta presión colapsa los vacíos internos y empuja el material para rellenar los huecos.
Enfriamiento y liberación
Tras un tiempo predeterminado a temperatura y presión (normalmente de 3 a 6 horas), el recipiente se enfría a un ritmo controlado. La presión se mantiene durante el enfriamiento para permitir la densificación completa.
Una vez enfriada, la presión se libera gradualmente. La lata HIP se retira y se abre para recuperar las piezas tratadas. Un mecanizado adicional puede recuperar las dimensiones originales.
Ventajas del HIP para piezas impresas en 3D
Principales ventajas del uso de HIP para el postprocesado de metales impresos en 3D:
Mayor densidad
El HIP consigue una densidad de 100% en metales impresos al colapsar los huecos y las capas de unión por difusión. Esto mejora la integridad de las estructuras portantes y los sistemas estancos.
Mayor resistencia
La eliminación de defectos como microfisuras y poros elimina las concentraciones de tensiones. Esto aumenta la resistencia y la ductilidad a niveles similares a los de los materiales procesados convencionalmente.
Mejor acabado superficial
Los microvacíos cerca de la superficie se aplastan para crear una superficie más lisa con mejor acabado y aspecto. Esto también mejora la resistencia a la fatiga.
Estabilidad dimensional
Los poros se colapsan en lugar de crecer durante el tratamiento térmico posterior. Esto mejora la precisión dimensional y las tolerancias geométricas.
Piezas más grandes
El HIP permite la impresión 3D y la consolidación de piezas más grandes que no es posible con otras técnicas. Se pueden producir piezas de hasta 50 pulgadas de diámetro.
Libertad de diseño
HIP mantiene la libertad de diseño de la impresión 3D para piezas de geometría compleja. Amplía la aplicación de metales impresos a usos estructurales y de conducción de fluidos críticos.
Plazos de entrega más cortos
La combinación de la impresión 3D y el HIP acorta los plazos de fabricación en comparación con el procesamiento tradicional en varios pasos. Permite la producción rápida de piezas complejas de alto rendimiento.
Industrias que utilizan HIP para piezas impresas en 3D
El HIP se utiliza en las principales industrias para mejorar las piezas metálicas impresas en 3D para aplicaciones finales robustas:
Aeroespacial
El HIP mejora la densidad, la resistencia y el acabado superficial de componentes aeroespaciales impresos como álabes de turbina, toberas de motores de cohetes y soportes de satélites. Esto permite geometrías ligeras y complejas para cargas mecánicas extremas y resistencia a la temperatura.
Médico
Los implantes médicos, como las articulaciones de cadera y los andamiajes óseos, se someten a un proceso de HIP tras la impresión 3D para eliminar por completo los huecos internos. Esto mejora la biocompatibilidad y la resistencia a la fatiga cuando se implantan en el cuerpo.
Automotor
El HIP se aplica a piezas de automoción impresas en 3D, como turbocompresores y cilindros de conducción de fluidos. Esto proporciona estructuras 100% estancas para soportar presiones y cargas cíclicas.
Defensa
El sector de defensa utiliza el HIP para producir piezas impresas como carcasas de misiles y canales de refrigeración conformados para moldes. El HIP permite geometrías complejas capaces de resistir impactos balísticos.
Energía
Para aplicaciones nucleares, de perforación petrolífera y otras aplicaciones energéticas, el HIP garantiza la densificación completa de los componentes impresos para resistir fracturas bajo presiones y temperaturas extremas.
A medida que la impresión 3D se extienda por los distintos sectores, HIP crecerá a la par para ofrecer un mayor rendimiento, fiabilidad y coherencia.
Materiales para HIP de piezas impresas en 3D
El HIP se ha demostrado para una amplia gama de metales y aleaciones utilizados en la impresión 3D comercial:
- Titanio y aleaciones de titanio como el Ti-6Al-4V son muy populares para aplicaciones aeroespaciales. El HIP alcanza una densidad de 100% y mejora el comportamiento a la fatiga.
- Aleaciones de aluminio como AlSi10Mg pueden imprimirse y someterse a HIP para obtener una alternativa más ligera al titanio con propiedades igualmente mejoradas.
- Superaleaciones a base de níquel como Inconel 718 y 625 se utilizan ampliamente en motores a reacción y turbinas de gas. El HIP elimina los defectos al tiempo que mantiene la resistencia a altas temperaturas.
- Aceros inoxidables incluidos el 316L y el 17-4PH se utilizan habitualmente para imprimir piezas fuertes y resistentes a la corrosión en todos los sectores. El HIP elimina la porosidad para mejorar la integridad estructural.
- Aceros para herramientas como H13 y D2 proporcionan una dureza excelente después del HIP para imprimir utillajes duraderos como moldes con canales de refrigeración conformados.
- Metales refractarios incluidos el wolframio, el tántalo y el molibdeno, son intrínsecamente porosos por AM, pero pueden densificarse completamente por HIP.
- Aleaciones de cobalto-cromo proporcionan una excelente resistencia al desgaste para implantes ortopédicos cuando se someten a HIP tras la impresión 3D.
Tanto las aleaciones estándar como las personalizadas se cualifican continuamente para la fabricación aditiva combinada con HIP para ampliar las capacidades.
Parámetros del proceso HIP
Los principales parámetros del proceso HIP que pueden optimizarse para adaptarse a diferentes piezas impresas en 3D son:
- Temperatura - Rango típico de 1850-2200°F. Las temperaturas más altas aumentan la velocidad de difusión para cerrar los poros más rápidamente. Pero las temperaturas excesivas pueden provocar cambios microestructurales.
- Presión - Se utilizan presiones estándar de 15.000-30.000 PSI. Las presiones más altas colapsan los poros a temperaturas más bajas. Pero las presiones demasiado altas pueden dañar el acabado superficial.
- Tiempo - Tiempos de mantenimiento estándar de 3-6 horas a temperatura y presión máximas. Los tiempos más largos permiten una mayor densificación, pero aumentan los costes.
- Tasas de calentamiento/enfriamiento - Un calentamiento más rápido aumenta la productividad, pero se corre el riesgo de distorsiones. Un calentamiento ~50-100°F/min y un enfriamiento más lentos evitan tensiones térmicas.
- Tiempo de permanencia - El mantenimiento a la temperatura máxima permite una unión por difusión suficiente. Con tiempos más cortos se corre el riesgo de una densificación incompleta.
Los parámetros del proceso HIP se optimizan para adaptarse a la composición específica de la aleación de impresión 3D, la geometría de la pieza, el tamaño del polvo y las propiedades requeridas del material.
Retos de la utilización de HIP con piezas impresas en 3D
Aunque el HIP proporciona importantes beneficios, existen algunas limitaciones y retos:
- Dimensiones modificadas - El HIP puede provocar una contracción de 2-5%. Puede ser necesario volver a mecanizar las piezas después del HIP para recuperar las dimensiones.
- Acabado superficial - El HIP puede reducir la rugosidad de la superficie de AM, pero puede que no consiga los acabados superficiales más suaves. Puede ser necesario un pulido adicional.
- Limitaciones geométricas - Los botes HIP restringen el tamaño máximo de las piezas. Las geometrías muy complejas pueden ser difíciles de rellenar uniformemente con granos HIP.
- Coste - El HIP añade un coste significativo con respecto al tratamiento térmico convencional. Los beneficios económicos dependen de que la mejora del rendimiento justifique la inversión.
- Desarrollo de procesos - Deben desarrollarse protocolos HIP óptimos para cada composición de aleación específica, tamaño de polvo y proceso AM utilizado para garantizar una densificación completa sin defectos.
La investigación y el perfeccionamiento del proceso se centran en adaptar el HIP para conseguir una mayor libertad geométrica, calidad superficial, plazos de entrega y rentabilidad.
El futuro de la HIP y la impresión 3D
El HIP ha demostrado ser una tecnología que permite cualificar metales impresos en 3D para aplicaciones críticas de alto valor en los sectores aeroespacial, médico, automovilístico y de defensa.
A medida que la impresión 3D pase de la creación de prototipos a la producción a gran escala, la HIP será crucial para los sectores que dependen de piezas con una integridad estructural y un rendimiento elevados. Se espera una mayor adopción de ambas tecnologías con mejoras en la automatización, los plazos de entrega y los costes.
Entre las novedades de HIP para apoyar la AM figuran:
- Ciclos más rápidos - Los nuevos métodos de calentamiento y el enfriamiento más rápido tienen como objetivo reducir los ciclos típicos de HIP de más de 6 horas a menos de 3 horas. Esto mejora el rendimiento.
- Mayores volúmenes de construcción - Los recipientes de contención están aumentando para dar cabida a piezas impresas más grandes, de hasta 50 pulgadas de diámetro. Esto amplía las capacidades.
- HIP híbrido - Se están desarrollando ciclos especiales de HIP con velocidades de enfriamiento controladas o tratamientos térmicos in situ para optimizar aún más las propiedades.
- Garantía de calidad - Las herramientas de supervisión e inspección en línea para HIP ayudarán a caracterizar la densificación y validar la calidad de las piezas.
- Herramientas de modelización - Los programas informáticos de simulación permiten predecir mejor la distorsión y las mejoras de las propiedades gracias al HIP.
El avance sinérgico de la impresión 3D y la HIP abrirá nuevas vías para el diseño y la fabricación eficiente de componentes complejos y de alto rendimiento en sectores críticos.
Aspectos clave de la HIP y la impresión 3D
- El prensado isostático en caliente (HIP) aplica altas temperaturas y una presión uniforme para colapsar los huecos internos de los metales impresos en 3D, lo que mejora la densidad, el rendimiento y la fiabilidad.
- El HIP elimina los defectos de porosidad, como las microfisuras, inherentes a los procesos de impresión 3D por fusión de lecho de polvo.
- Entre las principales ventajas del HIP para la impresión 3D se encuentran el aumento de la densidad, la mayor resistencia, el mejor acabado superficial, la estabilidad dimensional y la mejora de los diseños.
- El HIP permite diseños más ligeros, geometrías complejas y características conformadas innovadoras para aplicaciones aeroespaciales, médicas, de automoción y defensa.
- Con las mejoras en automatización, velocidad y coste, la HIP se adoptará cada vez más para mejorar la calidad y las capacidades de la impresión 3D sobre metal en todos los entornos de producción.
Preguntas más frecuentes
¿Para qué se utiliza el prensado isostático en caliente en la impresión 3D?
El prensado isostático en caliente (HIP) se utiliza como método de postprocesado para piezas metálicas impresas en 3D. El HIP ayuda a eliminar los defectos de porosidad aplicando altas temperaturas y presión isostática para colapsar los huecos y densificar las piezas. Esto mejora la densidad, el rendimiento y la fiabilidad de los componentes de fabricación aditiva.
¿Cómo mejora el HIP las propiedades de los metales impresos en 3D?
El HIP mejora las propiedades de los metales impresos en 3D de varias maneras:
- Aumenta la densidad a cerca de 100% mediante la unión por difusión de capas y el cierre de huecos internos.
- Elimina las microfisuras y los poros para mejorar significativamente la vida útil y la resistencia a la fatiga
- Proporciona un acabado superficial superior al triturar los defectos cercanos a la superficie
- Ofrece una mayor estabilidad dimensional al evitar el crecimiento de huecos durante el tratamiento térmico
- Permite imprimir y consolidar geometrías más grandes y complejas
¿Qué tipos de materiales pueden someterse a HIP tras la impresión 3D?
La mayoría de las aleaciones impresas por métodos de fusión de lecho de polvo pueden ser HIPed, incluyendo:
- Aleaciones de titanio como Ti-6Al-4V
- Superaleaciones de níquel como Inconel 718 y 625
- Aceros inoxidables, incluidos 316L y 17-4PH
- Aleaciones de aluminio como AlSi10Mg
- Aceros para herramientas como H13 y D2
- Aleaciones de cromo-cobalto para usos médicos
- Metales refractarios como el wolframio y el tantalio
Tanto las aleaciones estándar como las personalizadas se cualifican continuamente para la fabricación aditiva y el HIP.
¿Qué sectores utilizan HIP en piezas impresas en 3D?
Entre las principales industrias que utilizan HIP para el postprocesado de piezas impresas en 3D se incluyen:
- Aeroespacial - Álabes de turbina, toberas de cohete
- Medicina - Implantes ortopédicos como articulaciones de cadera
- Automoción - Piezas de conducción de fluidos, turbocompresores
- Defensa - Carcasas de misiles, blindaje
- Energía - Componentes para las industrias nuclear, petrolera y del gas
A medida que la impresión 3D se extienda por los sectores, la adopción de la HIP crecerá para permitir la producción de piezas de uso final de alto rendimiento.
¿Cómo funciona el proceso HIP para piezas impresas en 3D?
Los pasos clave en el proceso HIP típico para piezas impresas en 3D incluyen:
- Las piezas se introducen en una lata HIP junto con los medios de relleno
- Se sella la lata y se coloca en el recipiente HIP
- El recipiente se evacua, se rellena con gas inerte y se calienta hasta 1900-2200 °F.
- Se aplica una presión isostática de hasta 30.000 PSI
- El tiempo de permanencia a temperatura y presión máximas densifica las piezas
- El recipiente se enfría bajo presión antes de liberarse
Los parámetros HIP se adaptan a la aleación, geometría y propiedades específicas de la pieza.
¿Cuáles son algunos de los retos asociados al uso de HIP para piezas impresas en 3D?
Algunos de los principales retos son:
- Cambios dimensionales de hasta 5% de contracción que requieren un nuevo mecanizado
- Limitación del tamaño máximo de las piezas en función de la capacidad del recipiente HIP
- Densificación no uniforme para geometrías complejas
- Ciclos de proceso largos de más de 6 horas
- Costes más elevados que el tratamiento térmico convencional
- Desarrollo de protocolos optimizados para distintos sistemas de aleación