Impresión 3D metálica: Visión general de la tecnología y su proceso

¿Qué es la Impresión 3D en Metal?

La impresión 3D en metal, también conocida como fabricación aditiva o fabricación aditiva de metales, crea objetos tridimensionales mediante la deposición o fusión selectiva de polvos metálicos capa por capa. La fusión por haz de electrones (EBM) y la fusión selectiva por láser (SLM) son dos enfoques utilizados para lograr este proceso. En comparación con las técnicas de fabricación convencionales, la impresión 3D en metal ofrece una mayor flexibilidad en el diseño, geometrías complejas y una gran precisión en la producción de piezas metálicas complejas y personalizadas.

¿Cómo Funciona?

La impresión 3D en metal, también conocida como fabricación aditiva, sigue un proceso secuencial. Comienza con la creación de un modelo digital utilizando software de diseño asistido por ordenador 3D (CAD). El modelo se corta en capas finas, y luego se prepara el polvo metálico para la impresión. Utilizando técnicas como la Fusión Selectiva por Láser (SLM) o la Fusión por Haz de Electrones (EBM), la impresora funde y fusiona selectivamente el polvo metálico capa por capa, siguiendo el diseño cortado. Este enfoque capa por capa continúa hasta que se completa todo el objeto. Después de la impresión, se pueden realizar pasos de postprocesado, como la eliminación de estructuras de soporte y la aplicación de tratamiento térmico o acabado superficial. El resultado es un objeto metálico totalmente formado, a medida, con detalles intrincados y especificaciones precisas.

TIPOS DE IMPRESIÓN 3D EN METAL

Existen cinco tipos principales de tecnologías de impresión 3D en metal comúnmente utilizadas en la industria. Estas incluyen la fusión selectiva por láser, la fusión por haz de electrones, la sinterización directa por láser de metal, la impresión por inyección de aglutinante (Binder Jetting) y la deposición de energía dirigida.

Fusión Selectiva por Láser (SLM)

La Fusión Selectiva por Láser (SLM) es una técnica de impresión 3D en metal muy popular que utiliza un láser potente para fundir y fusionar selectivamente los polvos metálicos, lo que permite la producción de componentes metálicos totalmente sólidos con geometrías increíblemente complejas.

Durante el proceso de SLM, se aplica uniformemente una capa fina de polvo metálico sobre la plataforma de construcción. El láser luego escanea la capa de polvo, fundiendo regiones particulares de la capa según el diseño digital.
Para aplicaciones que requieren diseños complejos, gran precisión y una fuerte integridad estructural, SLM es una opción preferida debido a su capacidad para controlar con precisión el láser y producir componentes metálicos altamente detallados y personalizados con cualidades mecánicas excepcionales.

Para aplicaciones que requieren diseños complejos, gran precisión y una fuerte integridad estructural, SLM es una opción preferida debido a su capacidad para controlar con precisión el láser y producir componentes metálicos altamente detallados y personalizados con cualidades mecánicas excepcionales.

(Fig.1: Directrices de diseño de JLC3DP para SLM)

Fusión por Haz de Electrones (EBM)

La Fusión por Haz de Electrones (EBM) es una tecnología avanzada de impresión 3D en metal que comparte similitudes con la Fusión Selectiva por Láser (SLM), pero utiliza un haz de electrones en lugar de un láser para fundir y fusionar los polvos metálicos.

En EBM, un haz de electrones enfocado escanea y funde selectivamente la capa de polvo metálico, capa por capa, según el diseño digital. Este proceso asegura la fusión precisa de las partículas metálicas, lo que da como resultado la producción de componentes metálicos a gran escala con excelentes propiedades mecánicas. EBM ofrece ventajas como alta velocidad de construcción, reducción de tensiones residuales y la capacidad de fabricar piezas con geometrías complejas.

Es particularmente adecuado para aplicaciones que requieren la producción de piezas metálicas resistentes, intrincadas y funcionales, lo que lo convierte en una opción preferida en industrias como la aeroespacial, la automotriz y la médica.

Sinterización Directa por Láser de Metal (DMLS)

Un método de fabricación aditiva que es muy similar a la Fusión Selectiva por Láser (SLM) es la Sinterización Directa por Láser de Metal (DMLS). Al sinterizar selectivamente los polvos metálicos con un láser de baja potencia, DMLS produce el objeto deseado fundiendo y uniendo los polvos capa por capa. Esta tecnología permite la fabricación precisa y detallada de piezas de producción a pequeña escala y prototipos funcionales.

Los beneficios de DMLS incluyen su versatilidad para manejar varios materiales metálicos y su capacidad para crear geometrías intrincadas. Debido a su adaptabilidad y capacidad para producir piezas metálicas resistentes, es una opción preferida en sectores como la atención médica, la automoción y la aeroespacial, donde la producción a pequeña escala y el prototipado rápido son esenciales.

Binder Jetting

El Binder Jetting es un proceso de fabricación aditiva que consiste en inyectar selectivamente un aglutinante líquido sobre capas de polvo metálico, uniendo las partículas de polvo entre sí. Este proceso implica esparcir una capa fina de polvo metálico sobre la plataforma de construcción y luego utilizar una cabeza de impresión para depositar gotas del aglutinante líquido en secciones particulares de la plataforma para solidificarlas. El proceso se repite capa por capa hasta que se construye por completo el objeto. Después de la impresión, el aglutinante se retira y se fusionan las partículas metálicas, creando un componente metálico grueso y sólido, que generalmente pasa por técnicas de postprocesado como el sinterizado.

El Binder Jetting es una técnica de impresión 3D en metal que ofrece ventajas significativas en términos de velocidad de impresión y rentabilidad en comparación con otros métodos de fabricación aditiva de metales. El proceso implica la inyección selectiva de un aglutinante líquido sobre las capas de polvo metálico, creando un vínculo entre las partículas. Esto permite la creación de geometrías complejas y detalles intrincados.

Una de las principales ventajas del Binder Jetting es su alta velocidad de impresión. La capacidad de depositar rápidamente el aglutinante sobre el polvo metálico permite tiempos de producción más rápidos en comparación con otras tecnologías de impresión 3D en metal. Esto hace que Binder Jetting sea particularmente adecuado para aplicaciones donde el tiempo es un factor crucial, como en la fabricación de moldes, donde un tiempo de respuesta rápido es esencial.

La rentabilidad es otra ventaja destacada del Binder Jetting. La tecnología utiliza polvos metálicos más baratos, lo que reduce los costos de material en comparación con otros métodos de impresión 3D en metal. Además, el Binder Jetting puede lograr altas tasas de utilización de material, minimizando los residuos y contribuyendo aún más a la eficiencia de costes.

El Binder jetting encuentra aplicaciones en diversas industrias. En la fabricación de moldes, permite la producción de moldes y fijaciones con canales internos intrincados y formas complejas, lo que facilita procesos de fabricación más rápidos y eficientes. En la industria joyera, el Binder jetting permite la creación de diseños personalizados e intrincados con alta precisión. Además, el Binder jetting se utiliza comúnmente en aplicaciones de prototipado, donde la velocidad, el costo y las propiedades materiales moderadas son factores críticos para iterar y validar rápidamente los diseños.

Sin embargo, es importante señalar que, aunque el Binder jetting ofrece ventajas en términos de velocidad y rentabilidad, las propiedades mecánicas de las piezas impresas finales pueden ser inferiores en comparación con otros métodos de impresión 3D en metal, como SLM o EBM. Por lo tanto, el Binder jetting se utiliza con frecuencia en aplicaciones donde las propiedades materiales moderadas son suficientes para el uso previsto.

Deposición de Energía Dirigida (DED)

Con la deposición de energía dirigida (DED), una fuente de energía enfocada, como un láser o un haz de electrones, deposita con precisión polvo metálico o alambre sobre un sustrato. Este método posibilita diversas aplicaciones, como recubrimientos, fabricación aditiva de componentes metálicos a gran escala y reparación.

Durante la deposición del material metálico sobre el sustrato, la fuente de energía en DED lo funde. La energía concentrada asegura un control exacto sobre la entrada de calor, permitiendo una deposición capa por capa. Debido a su adaptabilidad, DED puede usarse para reparar piezas metálicas dañadas, añadiendo material para devolverles su forma y funcionalidad previas.

Otra aplicación de DED es la creación de recubrimientos. Al depositar capas de metal sobre un sustrato, DED puede crear recubrimientos protectores que mejoran las propiedades superficiales del componente, como resistencia al desgaste o protección contra la corrosión.

DED también se utiliza en la fabricación aditiva de componentes metálicos a gran escala. Al depositar y solidificar continuamente capas de metal, se pueden construir estructuras complejas, lo que permite la creación de piezas personalizadas con geometrías y propiedades específicas.

Una de las ventajas de DED es su capacidad para trabajar con una amplia gama de materiales, incluidos metales y aleaciones diversos. Esta versatilidad permite la producción de componentes con propiedades materiales adaptadas a los requisitos específicos.
DED se emplea a menudo en industrias como la aeroespacial, automotriz y energética, donde la reparación, el recubrimiento o la fabricación de componentes metálicos a gran escala es crucial. La capacidad de añadir material directamente sobre el sustrato ofrece una solución rentable y eficiente para reparar o mejorar piezas existentes, así como para fabricar nuevos componentes con geometrías complejas.

Conclusión

En resumen, la impresión 3D en metal es una tecnología revolucionaria que permite producir componentes metálicos precisos, personalizados y complejos. Los objetos metálicos se pueden crear capa por capa utilizando diversos procesos, incluidos la sinterización directa por láser de metal (DMLS), el Binder jetting, la fusión por haz de electrones (EBM), la fusión selectiva por láser (SLM) y la deposición de energía dirigida (DED). Este proceso ofrece oportunidades de diseño distintas y ventajas prácticas. Estas técnicas de fabricación aditiva se utilizan en diversos sectores, como la joyería, la automoción, la aeroespacial y la salud. Con el desarrollo continuo, la impresión 3D en metal tiene un enorme potencial para transformar los procedimientos de producción e impulsar la innovación en una variedad de industrias.