Fusión láser en lecho de polvo: La revolución de la fabricación 3D de piezas metálicas

La impresión tridimensional (3D) sin duda ha recorrido un largo camino en los últimos años. Y, en el mundo actual, solo unas pocas formas son tan interesantes como la fusión de polvo con láser (LPBF, por sus siglas en inglés).

Con su capacidad para crear algunos productos y formas complejos, la fusión de polvo con láser es una revolución por sí misma. Aquí, veremos cómo funciona la operación.

Comprender la Tecnología de Fusión de Polvo con Láser (LPBF)

Entonces, ¿qué es la fusión de polvo con láser?

La fusión de polvo con láser (LPBF) es una forma de impresión 3D que se utiliza para crear partes metálicas altamente complejas y detalladas. Conocida por algunos como sinterización directa de metal con láser (DMLS) y fusión selectiva por láser (SLM), esta tecnología se enfoca en fundir capas de polvo metálico con el uso de un láser.

Si bien muchos expertos han debatido su posición, esta operación de inyección de material se ha clasificado dentro de la categoría de fabricación aditiva, gracias al hecho de que incluye la construcción de objetos a partir de modelos digitales.

Los avances revolucionarios en esta técnica de fusión selectiva por láser se vieron en la década de 1990, cuando varias empresas comenzaron a explorar la fusión de polvo (PBF, por sus siglas en inglés) y su uso en la fabricación de partículas metálicas. Para este proceso, las partículas de polvo metálico se fundieron apropiadamente, utilizando fuentes como haces de electrones y láseres, para ofrecer una parte más o menos intrincada, capa por capa.

Sin embargo, en 1994, se patentó la técnica de fusión de polvo con láser EOS, mientras que el Instituto Fraunhofer también presentó la fusión selectiva por láser como un término.

Para ser justos, ambos métodos son bastante similares. Sin embargo, mientras que la fusión implica cambiar un producto de un estado sólido a un líquido, los materiales de sinterización selectiva por láser no tienen suficiente espacio para realmente convertirse en un líquido, ya que la temperatura de la fuente de calor no se eleva tanto.

¿Cómo Funciona la Fusión de Polvo con Láser?

Hemos analizado una visión general del proceso de fabricación aditiva de fusión de polvo con láser. A continuación, examinaremos cómo funciona el proceso y qué pueden lograr los fabricantes al llevarlo a cabo.

Cómo Funciona la Fusión de Polvo con Láser: Proceso y Principios

Como cabría esperar, diferentes fabricantes tienen lo que esperan lograr aquí. Sin embargo, el flujo de trabajo general para la fabricación aditiva de fusión de polvo con láser se puede seguir con esta estructura:

Diseño Digital

En general, desea iniciar su proceso creando un modelo de diseño asistido por ordenador (CAD). Este muestra el objeto que espera imprimir, así como todas sus complejidades y características.

En general, el modelo sirve como un prototipo para la impresora 3D en sí.

Preparación de la Cama de Polvo

A continuación, se esparce una capa delgada del metal elegido en la plataforma de construcción en la impresora 3D. Con este proceso se pueden utilizar diferentes metales, ahondaremos más en detalle más adelante. Pero, la importancia de esto es que la capa de polvo sirve como el material que atraviesa la sinterización selectiva por calor.

Escaneo Láser

Continuando, se toma un haz láser de alta potencia y se dirige con precisión sobre la capa de polvo metálico. La tarea del láser es escanear la sección transversal del objeto según las definiciones del modelo CAD que se usó anteriormente.

A medida que el láser emite energía, las partículas de polvo se funden, uniéndolas para crear la primera capa sólida del objeto que busca lograr.

Construcción Capa por Capa

Ahora tiene su capa base, así que es hora de construir sobre ella. Baje la plataforma de construcción sobre la cuchilla de recubrimiento, añadiendo así una capa diferente de polvo metálico sobre la capa previamente fundida.

La nueva capa es escaneada por el láser y se une a la capa subyacente, creando su primera amalgama. Luego, el proceso se repite una y otra vez, capa por capa, hasta que se crea el objeto completo.

Enfriamiento y Solidificación

Una parte importante del proceso es el enfriamiento y la solidificación. A medida que se funde y se une cada capa, se permite que se enfríe, asegurando que pueda lograr los niveles adecuados de integridad estructural necesarios para obtener el objeto deseado.

Post-Procesamiento

Una vez completado todo el proceso, pase el objeto por el post-procesamiento regular. Elimine cualquier exceso de polvo, realice el tratamiento térmico adecuado para aliviar el estrés y termínelo todo con un acabado superficial para obtener los niveles de calidad superficial adecuados.

Recuerde: siempre puede obtener asesoramiento de nosotros en KDM Fabrication si necesita ayuda.

Componentes Críticos de las Máquinas LPBF

Cada máquina de fusión de polvo con láser es un dispositivo sofisticado que está diseñado para funcionar al más alto nivel. Desde la deposición de energía directa hasta el corte láser y más, aquí hay algunos componentes críticos de las máquinas que deben estar en perfecto estado cada vez.

  • Plataforma de Construcción: Aquí, tiene el punto donde se crea el objeto impreso en 3D capa por capa. Puede moverlo o bajarlo en función de sus requisitos, así como la adición de cada capa del polvo metálico.
  • Sistema de Entrega y Distribución de Polvo: Para garantizar la inyección de material óptima, necesita este sistema. Ayuda a entregar y distribuir uniformemente el polvo metálico en toda la plataforma de construcción, preparando el escenario para la fusión de cada capa.
  • Sistema de Láser: Desea un láser de alta potencia cada vez que incorpora su máquina LPBF. Como han demostrado los fundamentos de la fusión de polvo con láser de metales, el láser es lo que ofrece la energía necesaria para fundir y fusionar el metal según los requisitos de su CAD.
  • Sistema de Escaneo: Un sistema de escaneo navega el haz láser a través de la plataforma de construcción para fundir el polvo. Controla el movimiento del láser en diferentes direcciones y ejes, creando así la forma 3D adecuada.
  • Sistemas Ópticos: Cada máquina LPMF cuenta con sistemas ópticos que moldean y enfocan el haz láser con precisión óptima. Su papel en garantizar la fusión y fundición metálica precisa no puede ser exagerado.
  • Sistema de Cama de Polvo y Recubrimiento: Para la fusión de polvo con láser, el polvo metálico inicial se mantiene en la cama de polvo. Con la fusión de cada capa, la cama de polvo se baja, con una cuchilla de recubrimiento añadiendo una nueva capa de polvo para otro paso. Todo este sistema garantiza que el suministro de polvo sea consistente en general.
  • Atmósfera de Gas Inerte: Otra parte crítica de la máquina de fusión de polvo con láser es una atmósfera de gas inerte. Gases como el argón y el nitrógeno son necesarios para evitar la reacción entre el polvo y el oxígeno en la atmósfera.
  • Sistemas de Calefacción y Refrigeración: Como era de esperar, necesita calefacción y refrigeración óptimas para asegurarse de que las propiedades metalúrgicas de su material puedan optimizarse. Cuando sea necesario, estos procesos garantizan el control de la temperatura tanto durante el procesamiento como durante el post-procesamiento.
  • Cámara de Construcción: Con la cámara de construcción, necesita un espacio completo y controlado donde ocurra todo el proceso de fusión de polvo con láser.
  • Sistema de Control y Monitoreo: Cada máquina de fusión de polvo con láser basada en láser necesita sistemas de control adecuados para regular todos los parámetros y aspectos de su operación. Con este monitoreo preciso, puede garantizar que las piezas impresas sean de la más alta calidad en general.

Variantes de Metales que Funcionan Mejor con LPBF

Uno de los muchos beneficios de la fusión de polvo con láser es la compatibilidad del proceso con diferentes variantes de metales. Sin embargo, entre las variantes de metales más prominentes que se pueden usar con el proceso, aquí están las mejores opciones:

  • Aleaciones de Titanio: Sin duda, el material más popular para LPBF es el titanio y sus aleaciones. El proceso de fusión de polvo con láser de titanio es excelente debido a la impresionante relación resistencia-peso del material y su biocompatibilidad, lo que lo hace ideal para diferentes aplicaciones industriales.
  • Aleaciones de Níquel: También se puede encontrar el proceso aplicado a aleaciones de níquel. Conocidas por su resistencia a la temperatura, estas aleaciones, como Inconel 718 y Inconel 625, también son útiles en diferentes campos.
  • Aleaciones de Acero Inoxidable: Hay varios grados de este material que son compatibles con LPBF. En su mayoría, ofrecen impresionantes propiedades mecánicas y pueden pasar fácilmente por el post-procesamiento. Por lo tanto, funcionan bastante bien con este proceso en general.
  • Aleaciones de Aluminio: Fuertes y livianas, el aluminio y sus aleaciones son opciones populares para LPBF también.
  • Aleaciones de Cobalto-Cromo: Los materiales que combinan cromo y cobalto son conocidos por su resistencia al desgaste y biocompatibilidad. Esto es lo que los hace especialmente útiles para su uso en la fabricación médica.
  • Acero Maraging: Con acero maraging, tiene una variante de acero que tiene un bajo contenido de carbono. Es resistente y fuerte, y su compatibilidad con LPBF lo hace perfecto en aplicaciones como la fabricación de defensa y aeroespacial.
  • Acero para Herramientas: Los aceros para herramientas, como H13 y D2, tendrán que pasar por un proceso adecuado de fabricación de acero. Sin embargo, funcionan mejor para aplicaciones de herramientas ya que son muy duros.

Al final del día, el material que elija variará en función de las capacidades de su máquina LPBF y de lo que quiera lograr con la pieza fabricada. Y, a medida que las innovaciones en el espacio continúan desarrollándose, esperamos ver incluso más materiales compatibles con la fusión de polvo con láser.

El Rol de LPBF en la Fabricación y Producción de Alta Calidad

La industria manufacturera actual es rápida y decisiva. Con la demanda de productos que continúa aumentando, la capacidad de una empresa para producir a niveles altos fácilmente podría ser lo que los salve al final del día.

 

  • Electrónica y Cajas de Electrónica:También podemos ver que este sistema se utiliza para crear conectores, disipadores de calor y otros componentes utilizados en electrónica. Su capacidad general para crear diseños intrincados y estructuras ligeras es beneficiosa en este campo.
  • Arte y Diseño:Los diseñadores y artistas también pueden emplear la fusión de polvo por láser para crear piezas como esculturas y objetos decorativos.
  • Industria del Petróleo y Gas:Finalmente, también hemos visto mejoras en el uso de LPBF para la industria del petróleo y gas, donde el proceso se usa para producir componentes que pueden resistir fácilmente entornos difíciles.

 

Ventajas de la Fusión de Polvo por Láser

A continuación, echemos un vistazo rápido a las ventajas de la fusión de polvo por láser y por qué el proceso se ha vuelto tan popular. En general, estos beneficios se pueden agrupar en lo siguiente:

Desarrollo de Geometrías Complejas

Quizás el más destacado de estas ventajas es el hecho de que LPBF ayuda fácilmente en el desarrollo de productos con construcciones altamente intrincadas. Esta funcionalidad se ha vuelto especialmente útil en industrias donde los diseños ligeros y optimizados son cruciales.

Personalización Mejorada

Los fabricantes también obtienen una personalización óptima de LPBF. Básicamente, podrá crear piezas personalizadas, permitiendo una mayor confiabilidad y ajuste del producto.

Eficiencia de Material

Con su capacidad para derretir solo el material necesario para cada capa, LPBF garantiza un alto uso de material. Esto reduce los residuos y lo convierte en un método de fabricación más sostenible en comparación con los procesos sustractivos.

Tiempos de Entrega Reducidos

Para ser justos, el tiempo promedio de fusión de polvo por láser varía. Sin embargo, el proceso generalmente permite una rápida creación de prototipos y reduce los ciclos de desarrollo de productos.

Estructuras Ligeras

Su capacidad para crear estructuras ligeras significa que LPBF ayuda directamente a mejorar la reducción de peso y la optimización de los recursos en general.

Ensamblaje Reducido

Con la aplicación de LPBF, los fabricantes pueden consolidar ensamblajes complejos en una sola pieza, reduciendo así la necesidad de pasos de ensamblaje complejos.

Piezas de Alta Calidad

El objetivo principal de la fabricación es crear piezas precisas y sólidas. Con LPBF, tiene un flujo de trabajo controlado de fusión y solidificación que conduce a piezas consistentes en términos de propiedades mecánicas.

Libertad de Diseño

Como fabricante, LPBF garantiza que tenga plena libertad para crear lo que desee. Puede innovar y optimizar sus piezas tanto como desee, creando así productos que se ajusten a sus gustos.

Costos de Herramientas Reducidos

En comparación con los métodos de fabricación tradicionales, LPBF no necesita necesariamente ninguna herramienta. Esto significa que los costos de producción se pueden reducir aún más.

Variedad de Materiales

Como explicamos anteriormente, puede incorporar fácilmente LPBF con diferentes materiales. Por lo tanto, el proceso conduce a la fabricación de diferentes piezas con diferentes propiedades mecánicas.

Cadenas de Suministro más Cortas

Con LPBF, de repente ya no necesita cadenas de suministro complejas. Puede crear piezas directamente a partir de diseños digitales, mejorando la eficiencia general de su proceso de fabricación y reduciendo su dependencia de proveedores de piezas convencionales.

Todas estas ventajas muestran que la fusión de polvo por láser es un proceso fuerte y versátil que puede adaptarse fácilmente a cualquier flujo de producción. Y, no debería sorprender que el proceso se esté utilizando en tantas industrias como vemos.

¿Cuáles Son Los Diferentes Tipos de Fusión de Polvo?

En tiempos recientes, los avances en la fabricación aditiva han hecho posible lograr diferentes procesos impresionantes. Y, es posible que se esté preguntando si la fusión de polvo por láser es la mejor de todas. Bueno, veamos cómo se compara con algunos otros:

LPBF vs. Sinterización Láser Selectiva (SLS)

Es fácil para muchas personas confundir la fusión de polvo por láser y la sinterización láser selectiva. Ambos son procesos de fabricación aditiva y funcionan sometiendo objetos a energía láser.

Sin embargo, ambos procesos difieren en varios aspectos, incluyendo lo siguiente:

Principio del Proceso

Probablemente la mayor línea de distinción en el debate de la fusión de polvo por láser vs. sinterización láser selectiva está en los principios de funcionamiento mismos.

En LPBF, un láser derrite el polvo metálico para combinarlo por capas. El polvo se solidifica, formando el componente tridimensional final. Sin embargo, en SLS, un láser fusiona principalmente termoplásticos. El polvo no se derrite por completo, en cambio, las partículas se fusionan en puntos de contacto específicos.

Materiales

En la mayoría de los casos, se ve que LPBF se utiliza en materiales como aleaciones metálicas. Por otro lado, SLS es más flexible en términos de selección de materiales, ya que trabaja con nailon, plásticos, etc.

Características

Las piezas producidas con LPBF tienen mayor resistencia y densidad, ya que el polvo se derrite completamente.

Sin embargo, las piezas de SLS tienden a tener menor densidad como resultado de la propia sinterización. Aun así, sus propiedades mecánicas tienden a ser impresionantes de todos modos.

Acabado de Superficies

El proceso LPBF generalmente da como resultado acabados de superficie más suaves, ya que se produce la fusión y solidificación. Para SLS, las superficies tienden a ser un poco más rugosas, aunque el postprocesamiento puede ayudar a mejorar esto.

Aplicaciones

Mientras que LPBF funciona mejor en industrias como la fabricación automotriz y aeroespacial, SLS es más adecuado para la producción de plásticos, prototipos y más.

LPBF vs. Fundición a Selectiva con Láser (SLM)

Como se explicó anteriormente, las personas utilizan indistintamente la fusión de polvo por láser y la fundición a selectiva con láser. Ambos procesos funcionan de la misma manera y tienen prácticamente los mismos detalles, materiales y flujos de trabajo.

Sin embargo, hay casos en los que podría ver diferencias en el debate de la fusión de polvo por láser vs. fundición a selectiva con láser. Por ejemplo, algunos fabricantes prefieren SLM para enfatizar la fusión y fusión totales de las partículas de polvo.

Por otro lado, LPBF podría usarse para describir un espectro más amplio de procesos de fabricación aditiva que también involucran la fusión de materiales.

En última instancia, ambos términos se refieren a lo mismo: fundir polvo y fusionarlos para crear partes y productos intrincados. Al final del día, su elección de terminología solo diferirá según la industria y el contexto.

LPBF vs. Sinterización Láser Directa de Metal (DMLS)

Una tendencia similar a la anterior es visible al considerar el debate de fusión de polvo por láser vs. sinterización láser directa de metal. Ambos procesos son increíblemente similares, con sus aplicaciones, materiales y procesos de trabajo siendo prácticamente los mismos.

La ligera diferencia, por supuesto, es que el uso de estas terminologías puede diferir según sus historias y las diferencias de los fabricantes. Algunos expertos prefieren usar sinterización láser directa de metal para describir el proceso de sinterización inicial que ocurre cuando se desarrollan piezas metálicas, mientras que la fusión de polvo por láser puede usarse para referirse a un flujo de trabajo más amplio que también involucra fabricación aditiva basada en láser.

Al final del día, el objetivo es crear partes complejas de alta calidad que puedan ser utilizadas en diferentes industrias.

Fortalecimiento de Productos Finales en el Procesamiento LPBF

En un entorno ideal, los productos que obtiene de la fusión de polvo por láser serán óptimos. Sin embargo, en algunos casos, podría encontrar que necesita hacer un poco para fortalecerlos, especialmente para aplicaciones en las industrias de defensa y aeroespacial.

Por supuesto, siempre ayuda obtener los materiales adecuados desde el principio. Sin embargo, aquí hay algunas estrategias que podrían ayudar a asegurar que lo que termine sea lo suficientemente fuerte como para manejar la función prevista:

  • Tratamientos Térmicos: El tratamiento de solución térmica, el recocido y otros se pueden agregar fácilmente para optimizar las propiedades del material y la microestructura del producto.
  • Prensado Isostático en Caliente (HIP): En el proceso hIP, las partes impresas se someten a niveles elevados de presión y temperatura en un ambiente de gas inerte. Este proceso reduce la porosidad interna, optimizando así la densidad del material y otras propiedades.
  • Alivio de Tensiones: Estos tratamientos facilitan la reducción de cualquier tensión que pueda haberse acumulado en el proceso de impresión inicial. Reduce el riesgo de agrietamiento y mejora la estabilidad general de la pieza.
  • Acabado de Superficies: El mecanizado, rectificado y otras técnicas de postprocesamiento pueden ayudar a fortalecer el acabado de superficies y la precisión dimensional de las piezas impresas.
  • Granallado: Con el granallado, bombardea la superficie de la pieza con pequeñas partículas metálicas. Este proceso generalmente induce tensiones en la capa superficial, mejorando eventualmente la vida útil a fatiga y la resistencia a las grietas.
  • Trabajo en Frío: El trabajo en frío se puede aplicar a algunos materiales metálicos específicos para hacerlos más fuertes y duros, brindándoles más funcionalidad en general.
  • Optimización de Diseño: Al diseñar, debe considerar el uso previsto de la pieza. Siéntase libre de incorporar radios, filetes y otras estructuras para ayudarlo a obtener componentes más fuertes y versátiles.

Conclusión

A pesar de que ha estado presente durante un tiempo, todavía hay mucho por explorar con la fusión de polvo por láser. Afortunadamente, en KDM Fabrication somos expertos en esto y podremos ayudarlo a comenzar con el proceso.

¡Contáctenos hoy y comencemos!

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