Fabricación aditiva de titanio
Fabricación aditiva de titaniotambién conocida como impresión 3D de titanio, hace referencia a varias técnicas de fabricación aditiva utilizadas para fabricar componentes de titanio capa por capa directamente a partir de datos de modelos 3D. Permite crear piezas de titanio complejas con gran libertad geométrica que son imposibles o muy costosas de fabricar por métodos tradicionales.
El titanio es un material ideal para la fabricación aditiva por su elevada relación resistencia-peso, resistencia a la corrosión, biocompatibilidad y rendimiento a altas temperaturas. Sin embargo, el procesamiento del titanio mediante técnicas aditivas también plantea algunos retos únicos debido a su reactividad química y a las propiedades anisótropas del material.
Algunos detalles clave sobre la fabricación aditiva de titanio:
- Los métodos de impresión 3D de titanio más utilizados son la fusión selectiva por láser (SLM), la fusión por haz de electrones (EBM) y el sinterizado directo de metales por láser (DMLS).
- Las aleaciones de titanio como Ti-6Al-4V son las más utilizadas, pero también pueden imprimirse titanio comercialmente puro y otras aleaciones.
- Permite fabricar piezas ligeras y complejas, como estructuras reticulares y geometrías de paredes finas.
- Produce piezas de forma casi neta, reduciendo las mermas y los costes en comparación con los métodos sustractivos.
- Proporciona flexibilidad en el diseño y consolidación de ensamblajes en una pieza impresa.
- A menudo es necesario un tratamiento posterior, como el prensado isostático en caliente (HIP) y el mecanizado, para conseguir el acabado y las propiedades del material deseados.
- Propiedades comparables o superiores a las del titanio forjado, fundido y moldeado, pero la anisotropía es un problema.
- Las áreas de aplicación incluyen la industria aeroespacial, los implantes médicos, la automoción y las plantas químicas.
- Coste superior al de la fabricación tradicional, pero económico para lotes pequeños y piezas complejas.
Tipos de procesos de fabricación aditiva de titanio
| Proceso | Descripción | Caracteristicas |
|---|---|---|
| Fusión selectiva por láser (SLM) | Utiliza un láser para fundir y fusionar selectivamente partículas de polvo metálico capa por capa. | Tecnología más común y madura <br> Buena precisión y acabado superficial <br> Baja porosidad en las piezas impresas |
| Fusión por haz de electrones (EBM) | Utiliza un haz de electrones como fuente de calor para fundir el material | Tasas de construcción relativamente rápidas <br> Las piezas tienen mayor porosidad en comparación con la SLM <br> Sólo se pueden procesar materiales conductores |
| Sinterización directa de metales por láser (DMLS) | Utiliza un láser para sinterizar partículas de polvo y crear piezas acabadas | Alta precisión y resolución de detalles <br> Partes ligeramente porosas que requieren infiltración |
| Deposición de energía dirigida (DED) | Concentra la energía térmica para fundir los materiales a medida que se depositan. | Se utiliza principalmente para añadir funciones y reparaciones en lugar de piezas completas <br> Mayor velocidad de fabricación pero menor precisión |
Aplicaciones de la fabricación aditiva de titanio
| Industria | Usos y ejemplos |
|---|---|
| Aeroespacial | Componentes de aeronaves y motores como colectores hidráulicos, válvulas, carcasas, soportes |
| Médico | Implantes dentales y ortopédicos, instrumental quirúrgico |
| Automotor | Piezas ligeras como colectores, ruedas de turbocompresor |
| Química | Piezas de conducción de fluidos resistentes a la corrosión, como tuberías, válvulas y bombas |
| Defensa | Componentes de carga ligeros para vehículos y armas |
| Ingeniería general | Piezas a medida de bajo volumen para todos los sectores |
Especificaciones para la fabricación aditiva de titanio
| Parámetro | Valores típicos |
|---|---|
| Grosor de la capa | 20 - 100 μm |
| Tamaño mínimo | ~100 μm |
| Rugosidad superficial, Ra | 10 - 25 μm, mayor en salientes |
| Construir volumen | De 50 x 50 x 50 mm a 500 x 500 x 500 mm |
| Precisión | ± 0,1% a ± 0,2% en las dimensiones |
| Porosidad | 0,5 - 1% para SLM, hasta 5% para EBM |
| Microestructura | Granos beta anteriores, finos y columnares, con láminas alfa |
Consideraciones sobre el diseño de piezas de titanio AM
- Optimice la orientación de las piezas para reducir apoyos y evitar voladizos
- Utilice ángulos autoportantes superiores a 45° para evitar apoyos
- Las paredes finas (≤ 1 mm) necesitan mayores intensidades láser y velocidades de exploración
- El diámetro mínimo del orificio debe ser ≥ 1 mm
- Los canales internos deben ser ≥ 2 mm para la eliminación del polvo
- Evitar los volúmenes huecos cerrados en parte
- Garantizar un espesor de pared suficiente (2-4 mm) para las piezas portantes
- Permiten el procesamiento posterior, como mecanizado, taladrado, pulido, etc.
Normas para la fabricación aditiva de titanio
| Estándar | Descripción |
|---|---|
| ASTM F3001 | Especificación estándar para la fabricación aditiva de titanio-6 aluminio-4 vanadio ELI (Extra Low Interstitial) con fusión de lecho de polvo. |
| ASTM F2924 | Especificación normalizada para la fabricación aditiva de titanio-6 aluminio-4 vanadio mediante fusión en lecho de polvo |
| ASTM F3184 | Especificación estándar para la fabricación aditiva de acero inoxidable mediante fusión en lecho de polvo |
| ISO/ASTM 52921 | Terminología estándar para la fabricación aditiva - Sistemas de coordenadas y metodologías de ensayo |
| ASME BPVC Sección IX | Código de calderas y recipientes a presión para cualificaciones de fabricación aditiva |
Proveedores de sistemas de fabricación aditiva de titanio
| Proveedor | Modelos de impresoras | Precio inicial |
|---|---|---|
| EOS | EOS M 100, EOS M 290, EOS M 400 | $200,000 – $1,500,000 |
| Soluciones SLM | SLM® 125, SLM® 280, SLM® 500, SLM® 800 | $250,000 – $1,400,000 |
| Sistemas 3D | ProX® DMP 200, ProX® DMP 300, ProX® DMP 320 | $350,000 – $1,250,000 |
| Aditivos GE | Concept Laser M2, M2 Multilaser, M2 Dual Laser | $400,000 – $1,200,000 |
| Velo3D | Zafiro, Zafiro XC | $150,000 – $600,000 |
Los precios varían en función del volumen de fabricación, la potencia del láser y las funciones adicionales. Los costes adicionales incluyen la instalación, la formación, los materiales y el posprocesamiento.
Funcionamiento y mantenimiento de las impresoras de titanio
- Obtenga y siga el manual de instrucciones y las precauciones de seguridad del fabricante.
- Limpiar el sistema óptico y los espejos para mantener la potencia del láser y la calidad del haz.
- Realizar calibraciones periódicas del láser y del sistema de escaneado.
- Realizar impresiones de prueba para verificar la calidad de las piezas antes de iniciar la producción.
- Desarrollar procedimientos operativos normalizados (PNT) para los parámetros de impresión
- Almacenar y manipular correctamente el polvo de titanio en un entorno inerte.
- Limpie regularmente la cámara de impresión para eliminar el material condensado y evitar la contaminación.
- Realice tareas de mantenimiento preventivo, como engrasar las guías lineales, apretar los tornillos o sustituir los filtros.
Cómo elegir un proveedor u oficina de servicios de fabricación aditiva de titanio
| Consideraciones | Detalles |
|---|---|
| Experiencia y conocimientos | Años de experiencia, operarios formados, experiencia en AM metálico |
| Modelos de impresora y especificaciones | Evalúe el volumen de construcción, la precisión, los materiales, etc. |
| Certificaciones de calidad | ISO 9001, ISO 13485, acreditación Nadcap |
| Disponibilidad de materiales | Gama de aleaciones de titanio, granulometrías, aleaciones personalizadas |
| Funciones de postprocesamiento | Desbobinado, HIP, mecanizado, pulido, revestimiento |
| Ensayos y validación de piezas | Ensayos mecánicos, END, metalografía |
| Apoyo al diseño | Optimización de la topología, directrices de diseño para AM |
| Capacidad de producción | Tamaño de los lotes, plazos de entrega, escalabilidad, capacidad redundante |
| Coste | Tarifas horarias de las máquinas, precios de los materiales, cargos adicionales |
| Referencias y reseñas de clientes | Opinión de los clientes sobre la calidad del servicio |
Ventajas e inconvenientes de la fabricación aditiva de titanio
| Ventajas | Limitaciones |
|---|---|
| Posibilidad de geometrías complejas y ligeras | Mayor coste que la fabricación tradicional para grandes volúmenes |
| Ensamblajes consolidados y menor número de piezas | Menor precisión dimensional y acabado superficial que el mecanizado |
| Plazos de entrega más cortos para lotes de bajo volumen | A menudo es necesario un tratamiento posterior para conseguir las propiedades deseadas |
| Reducción de los residuos de material | Propiedades anisótropas de los materiales y tensiones residuales |
| Flexibilidad en las iteraciones de diseño | Limitaciones de tamaño basadas en el volumen de fabricación de la impresora |
| Fabricación justo a tiempo | Dificultades de eliminación de polvo en canales internos complejos |
| Personalización de piezas | Porosidad del material que requiere prensado isostático en caliente |
Diferencias entre el moldeo por inyección de metal y la fabricación aditiva de piezas de titanio
| Parámetro | Moldeo por inyección de metales | Fabricación aditiva |
|---|---|---|
| Proceso | Mezcla de polvo fino de metal con aglutinantes, moldeo por inyección, seguido de desbastado y sinterización | Fusión por capas de polvo de titanio para construir piezas directamente mediante láser o haz de electrones. |
| Parte complejidad | Sólo son posibles geometrías simples de 2,5 D | Se pueden imprimir formas muy complejas, como celosías |
| Tamaño de la pieza | Hasta varios centímetros | Limitado por el volumen de construcción, normalmente inferior a 20 pulgadas |
| Precisión | Muy alto, hasta ±0,5% con tolerancias fáciles | Moderado, en torno a ±0,2% en las dimensiones |
| Acabado superficial | Excelente gracias al proceso de moldeo | Superficie más pobre que requiere un tratamiento posterior adicional |
| Propiedades mecánicas | Isótropo, menos tensiones residuales | Propiedades anisotrópicas, mayores tensiones residuales |
| Opciones de material | Aleaciones y mezclas limitadas | Amplia gama de grados de titanio y aleaciones personalizadas |
| Gastos de instalación | Elevada inversión inicial en utillaje | Menores costes de puesta en marcha |
| Cantidades de producción | Grandes volúmenes, hasta millones de unidades | Optimizado para lotes pequeños de 10-10.000 unidades |
| Plazo de entrega | Mayor plazo para la fabricación de herramientas | Pieza funcional en menos tiempo, iteraciones de diseño más rápidas |
Comparación entre la fusión selectiva por láser (SLM) y la fusión por haz de electrones (EBM) para la AM de titanio
| Parámetro | Fusión selectiva por láser (SLM) | Fusión por haz de electrones (EBM) |
|---|---|---|
| Fuente de calor | Rayo láser focalizado | Haz de electrones de alta potencia |
| Atmósfera | Gas argón inerte | Vacío |
| Entrada térmica | Entrada muy localizada del láser | Entrada más amplia del haz de electrones de gran tamaño |
| Precisión | Mayor debido al tamaño más fino del punto láser | Inferior en 10-100 μm |
| Acabado superficial | Superficie más lisa, más fácil de pulir | Acabado superficial más granuloso y poroso |
| Velocidad de construcción | Más lento, aprox. 5-20 cm3/hr | Más rápido, hasta 45 cm3/hora |
| Aleaciones utilizadas | Ti-6Al-4V, Ti comercialmente puro, otros | Principalmente Ti-6Al-4V |
| Coste | Mayores costes de equipamiento y funcionamiento | Menor coste de propiedad |
| Porosidad | Porosidad más baja, alrededor de 0,5% | Mayor porosidad alrededor de 5% |
| Microestructura | Granos beta finos anteriores con láminas alfa | Granos beta más gruesos y martensita acicular alfa |
| Tratamiento posterior | Menor necesidad de tratamiento térmico | A menudo se requiere HIP para reducir la porosidad |
| Propiedades mecánicas | Mayor resistencia y ductilidad | Menor resistencia con mayor anisotropía |
| Aplicaciones | Aeroespacial, implantes médicos, automoción | Aeroespacial, biomédica |
En resumen, la SLM ofrece mayor precisión y acabado superficial, mientras que la EBM tiene la ventaja de velocidades de fabricación más rápidas. El proceso de fusión por capas induce tensiones residuales y propiedades anisótropas del material en ambos métodos.
Preguntas más frecuentes
Q. ¿Qué aleaciones de titanio se utilizan habitualmente en la fabricación aditiva?
A. Ti-6Al-4V es la aleación de titanio más utilizada, constituyendo más del 50% del titanio AM. Otras aleaciones son Ti-6Al-4V ELI, titanio comercialmente puro de grados 2 y 4, Ti-6Al-7Nb y Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr.
Q. ¿Qué tipos de posprocesamiento suelen ser necesarios para las piezas de titanio de fabricación aditiva?
A. Para conseguir la precisión dimensional, el acabado superficial y las propiedades del material deseados, suelen ser necesarios pasos de postprocesado como el prensado isostático en caliente (HIP), el tratamiento térmico, el mecanizado superficial, el taladrado, el pulido y la aplicación de revestimientos.
Q. ¿Cómo se comparan las propiedades mecánicas del titanio fabricado aditivamente con las del titanio forjado y fundido?
A. Las piezas de titanio AM pueden igualar o superar la resistencia a la tracción y a la fatiga del titanio forjado y fundido. Sin embargo, el titanio AM presenta anisotropía en sus propiedades debido a la fabricación por capas, a diferencia de los métodos tradicionales.
Q. ¿Cuáles son algunos de los métodos utilizados para mejorar la resistencia a la fatiga del titanio fabricado aditivamente?
A. El comportamiento ante la fatiga puede mejorarse aplicando prensado isostático en caliente (HIP), granallado, grabado químico, mecanizado y otros pasos de postprocesado para inducir tensiones de compresión, eliminar defectos superficiales y mejorar la microestructura.
Q. ¿Reduce la fabricación aditiva los costes de las piezas de titanio en comparación con los métodos tradicionales?
A. Para lotes pequeños, la AM ofrece una importante reducción de costes en comparación con el mecanizado a partir de tocho. Para la producción en serie, el elevado coste del material en polvo hace que la AM siga siendo más cara que la fundición o la forja.
Q. ¿Cómo es la rugosidad superficial del titanio AM en comparación con el mecanizado CNC?
A. Los componentes de titanio as-printed tienen una mayor rugosidad superficial de 10-25 μm Ra en comparación con las superficies mecanizadas que pueden alcanzar menos de 1 μm Ra. Se requiere un postprocesado adicional si se necesita un acabado superficial más suave.
Q. ¿Qué precauciones de seguridad son necesarias al manipular polvo de titanio?
A. El polvo de titanio debe almacenarse en un ambiente inerte para evitar la oxidación. Los procedimientos de manipulación deben evitar la formación e inhalación de polvo. Los compartimentos de polvo en las máquinas necesitan purga de gas inerte y monitorización de O2.
Q. ¿Cuáles son las ventajas de utilizar la AM para fabricar componentes de titanio en lugar de acero?
A. El titanio AM ofrece una relación resistencia-peso superior a la del acero. También ofrece mayor resistencia a la corrosión, biocompatibilidad y rendimiento a altas temperaturas, lo que lo hace adecuado para usos aeroespaciales, médicos y de automoción.
Q. ¿Cómo afecta la orientación de la construcción a las propiedades y la calidad de las piezas de titanio AM?
A. La orientación de la construcción puede afectar significativamente a las tensiones residuales, el acabado superficial, la precisión geométrica y las propiedades mecánicas como la resistencia y la ductilidad. Las piezas suelen orientarse para minimizar las estructuras de soporte.
Q. ¿Cuáles son algunas de las consideraciones clave a la hora de diseñar piezas para la fabricación aditiva a partir de titanio?
A. Las consideraciones clave de diseño incluyen minimizar los voladizos, incorporar soportes de construcción, mantener los espesores de pared entre 0,8 y 4 mm, permitir orificios de acceso para la eliminación de polvo sin fundir y tener en cuenta los requisitos de postprocesamiento.
Conclusión
La fabricación aditiva hace que la producción de componentes complejos de titanio sea viable y económica en comparación con los métodos convencionales. Con el avance de la tecnología y una mayor adopción, la AM de titanio permite diseños más ligeros, resistentes y capaces en sectores cruciales. Sin embargo, los retos del proceso, como las tensiones residuales, la anisotropía, el acabado superficial y las normas, siguen abordándose a través de la investigación y el desarrollo. Con una mayor maduración, la AM tiene el potencial de hacer realidad todas las capacidades del metal de titanio y transformar la fabricación en todo el mundo.