Impresión 3D en metal: Explicación de materiales, procesos, aplicaciones y viabilidad

Los avances tecnológicos nos han permitido desde hace mucho tiempo imprimir objetos tridimensionales. Una disminución en el costo de las impresoras 3D ha hecho que la técnica gane impulso, y transformar diseños digitales en objetos es ahora más accesible que nunca.

En este artículo, explicaremos los procesos y materiales de impresión 3D de metal en detalle para que pueda evaluar sus costos frente a sus beneficios usted mismo.

Tipos de Técnicas de Impresión 3D de Metal

La técnica que utilice para imprimir un objeto metálico en 3D dependerá de la escala de su proyecto, su geometría y las propiedades físicas requeridas. Algunas comunes incluyen las siguientes:

1. Fusión de Lecho de Polvo

En esta técnica de impresión 3D, la máquina de impresión esparce una capa de polvo metálico sobre una placa de construcción y utiliza un láser de alta potencia para escanear y fundir selectivamente el polvo para construir el objeto. La plataforma de construcción se baja, y se deposita otra capa de polvo metálico para que el láser pueda derretir y fundir la siguiente capa del objeto.

La impresora repite el proceso y sigue construyendo capas hasta que el objeto esté completo.

Esta técnica se divide comúnmente en otras dos: Fusión Selectiva por Láser (SLM) y Sinterización Directa por Láser de Metal (DMLS).

SLM funde completamente el polvo metálico ya que utiliza metales puros con un punto de fusión. En contraste, DMLS utiliza aleaciones de diferentes materiales, por lo que no puede fundirlos a una temperatura. En su lugar, fusiona todos esos materiales con puntos de fusión variables a nivel molecular. SLM utiliza láseres de mayor potencia que DMLS, por lo que los objetos resultantes requieren más acabado.

Dada la calidad que se tiene sobre las capas en el proceso de fusión de lecho de polvo, se puede utilizar para crear piezas detalladas de alta calidad con geometrías complejas. Esta técnica puede crear piezas de turbina, componentes de motores de cohetes, implantes como extremidades protésicas, componentes de motores, joyería y obras de arte.

2. Aglutinante por Chorro

Este proceso utiliza un fluido adhesivo para ensamblar polvo metálico en la forma requerida. La impresora 3D lo hace mediante el apilamiento de capas alternas de polvo y el material aglutinante. Una vez que se forma el objeto deseado, la máquina de chorreo elimina el exceso de polvo y sinteriza el objeto en un horno para fusionar las partículas metálicas.

El proceso de aglutinante por chorro es relativamente simple y rentable, por lo que se puede utilizar para crear piezas complejas. También se puede utilizar fácilmente para producir objetos relativamente más grandes, como componentes arquitectónicos. Los objetos que se pueden imprimir en 3D de esta manera incluyen secciones de fuselaje de aeronaves, componentes de motores, andamios óseos y andamios para ingeniería de tejidos, y placas de circuito.

Deposición de Energía Direccional

3. Deposición de Energía Direccional

La deposición de energía direccional deposita en esencia capas de metal fundido para crear un objeto. El proceso utiliza un láser o haz de electrones de alta potencia que se utiliza para fundir polvo o alambre metálico y depositarlo en un sustrato previamente preparado (a menudo, una placa de metal). Luego, deposita el metal en capas hasta que se crea la forma 3D deseada.

El proceso es versátil, permite crear creaciones complejas y crea piezas con excelentes propiedades mecánicas. Industrialmente, se puede utilizar para crear piezas de aeronaves y naves espaciales de alta resistencia, componentes automotrices complejos y personalizados para vehículos regulares y militares, equipos de generación de energía, etc.

4. Fabricación de Objetos Laminados

LOM es un tipo de proceso de laminado de láminas que se puede utilizar para crear objetos metálicos en 3D. Tenga en cuenta que la fabricación de láminas generalmente utiliza plásticos o papel.

En la Fabricación de Objetos Laminados utilizando metales, el objeto se corta inicialmente en capas que se imprimen en hojas separadas de lámina metálica. Antes, se deposita una capa de aglutinante en cada hoja, después de lo cual se cortan con un láser u otra herramienta de corte apropiada.

Se apilan unas sobre otras, y se utiliza presión para unirlas. Tendrá que mejorar mecánicamente la superficie y el acabado del objeto resultante. Técnicas como pulido y lijado pueden ayudar.

Los objetos impresos mediante Fabricación de Objetos Laminados son ideales para prototipos, embalajes, maquetas, etc., y se pueden usar en proyectos a gran escala debido a su bajo costo. También se pueden usar en entornos artísticos o educativos.

5. Fabricación Aditiva Ultrasónica

Este proceso de impresión 3D también se lleva a cabo apilando láminas de metal. Sin embargo, una vez que apila las capas de lámina, se exponen a vibraciones ultrasónicas en UAM en lugar de presión. Esto hace que las láminas de metal se deformen y se unan a nivel atómico, creando objetos metálicos 3D fuertes y duraderos con baja densidad.

Tendrá que terminar el proceso recortando el material sobrante y puliendo o recubriendo la superficie.

Los objetos fabricados mediante UAM son ligeros pero fuertes, encontrando sus usos en componentes de aeronaves, implantes biomédicos como reemplazos de cadera, dispositivos electrónicos, componentes de motores, piezas de suspensión, etc.

Selección de Materiales para Impresión 3D de Metal

La selección de materiales en la impresión 3D depende de los procesos y aplicaciones involucrados.

Material de Impresión 3D

Factores que Afectan la Selección de Materiales

Existen varios factores que afectan la selección de materiales en la impresión 3D de metal:

1. Compatibilidad del Material con Aplicaciones

Las aplicaciones de los objetos tienen requisitos específicos. Por ejemplo, un implante biomédico impreso en 3D se hace mejor con titanio, ya que es biocompatible, más adecuado para aplicaciones más pequeñas debido a su costo y tolerante a ambientes corrosivos.

En contraste, un componente grande de aeronave que no requiera mucha resistencia mecánica se puede imprimir en 3D con aluminio, ya que es ligero, menos costoso y resistente a la corrosión. De manera similar, los componentes de circuitos pueden requerir metales con alta conductividad, como el cobre.

2. Compatibilidad del Material con la Tecnología de Impresión

La técnica de impresión 3D que utilice puede limitar su selección de materiales. Por ejemplo, no se puede utilizar metales quebradizos como el hierro colado en la deposición de energía direccional, ya que pueden agrietarse durante el proceso. De manera similar, es poco práctico utilizar metales con temperaturas de fusión extremadamente altas, como el tungsteno, en el proceso de impresión 3D debido a la gran cantidad de energía que requieren.

Muchas técnicas, como el aglutinante por chorro, no pueden utilizar materiales reactivos, ya que pueden reaccionar con el material de unión. Los materiales magnéticos pueden ser desafiantes de usar en procesos como la fusión de lecho de polvo, ya que pueden interactuar con los campos magnéticos utilizados.

3. Costos del Material, Disponibilidad y Costos de Post-Procesamiento

Los metales preciosos como el oro y el platino a menudo no se utilizan en la impresión 3D debido a lo impráctico de los costos involucrados. Sin embargo, algunas aplicaciones, como joyería y componentes eléctricos específicos, pueden requerirlos.

Tendrá que postprocesar en exceso algunos materiales. Por ejemplo, el titanio puede producir piezas con un acabado áspero, las aleaciones de cobalto-cromo pueden deformarse durante el enfriamiento, el cobre puede oxidarse durante la impresión, etc., lo que requiere pasos de post-procesamiento adicionales.

Metales Comunes Utilizados en la Impresión 3D

Aquí hay algunos metales típicamente utilizados en la impresión 3D:

  • El acero inoxidable es un material versátil y duradero que es fácil de mecanizar. A menudo se imprime en 3D para las industrias médicas, aeroespaciales o automotrices.
  • El aluminio es un metal ligero que es fácil de mecanizar, procesar y soldar. Su uso es común en aplicaciones aeroespaciales y automotrices.
  • El cobre se imprime comúnmente en 3D para electrónica debido a su alta conductividad térmica y eléctrica.
  • El oro, la plata y el platino se imprimen en 3D para joyería, artículos de lujo y coleccionables.
  • Las aleaciones de cobalto-cromo se imprimen en 3D para aplicaciones médicas y dentales debido a su biocompatibilidad.

Técnicas de Post-Procesamiento para Piezas de Metal Impresas en 3D

Puede ser necesario postprocesar un objeto metálico impreso en 3D para evitar imperfecciones durante el enfriamiento, mejorar la resistencia mecánica del objeto o mejorar su apariencia, entre otros factores. Algunas técnicas comunes que puede utilizar incluyen:

Piezas de Impresión 3D de Metal

  • El mecanizado implica retirar material excedente de objetos impresos en 3D para lograr la forma y los acabados deseados.
  • El pulido a menudo implica encuadernar y pulir el objeto para reducir la rugosidad y suavizar su superficie.
  • El tratamiento térmico implica calentar el objeto a altas temperaturas, a menudo en una atmósfera de vacío, para evitar la oxidación y mejorar su resistencia y flexibilidad.
  • El recocido para aliviar tensiones implica enfriar el objeto para aliviar tensiones internas y evitar grietas y deformaciones.
  • El recubrimiento superficial implica aplicar una capa de pintura o pulimento al objeto.
  • El electrochapado implica depositar una capa de metal sobre el objeto a través de electrólisis para mejorar su durabilidad o propiedades eléctricas.
  • La prensa isostática caliente (HOP) implica aplicar alta presión y temperatura a objetos, especialmente aquellos con porosidad residual, para aumentar sus densidades y mejorar sus propiedades mecánicas.

Beneficios y Limitaciones de la Impresión 3D de Metal

Comprender las ventajas y limitaciones de la impresión 3D puede ayudarle con el análisis coste-beneficio de la técnica en la fabricación.

Los Pros de la Impresión 3D de Metal

Las aplicaciones de la impresión 3D de metal son numerosas y abarcan múltiples campos, desde la atención médica hasta la industria aeroespacial. Así que las inversiones y el desarrollo en el campo benefician al mundo en su conjunto. Algunos de los principales pros incluyen los siguientes:

1. Flexibilidad de Diseño

La impresión 3D de metal permite una flexibilidad de diseño que puede ser imposible de lograr mediante técnicas de fabricación convencionales. Esto es especialmente beneficioso en áreas como la atención médica, donde cada implante e instrumento puede ser diseñado y personalizado
3. Utilización eficiente de recursos

La impresión 3D es una forma de fabricación aditiva: solo agrega material donde es necesario. Esto garantiza que su proyecto genere poco desperdicio, tenga pocos o ningún subproducto y utilice los recursos de manera eficiente. Además, no es necesario desperdiciar recursos en el transporte de materiales, ya que la impresión 3D se puede realizar fácilmente a escala local, lo que ahorra costos de envío y almacenamiento.

4. Precisión y facilidad de replicación

La impresión 3D es un proceso capa por capa, lo que permite una precisión hasta en el más mínimo detalle. Esto es invaluable en aplicaciones sensibles, como la fabricación de componentes eléctricos pequeños o dispositivos biomédicos.

Además, una calibración cuidadosa y un control de alta calidad pueden hacer que las impresoras 3D produzcan múltiples objetos con altos niveles de similitud, una calidad que puede ser difícil de lograr con técnicas de fabricación convencionales. Esto puede garantizar uniformidad en los productos y sus propiedades.

Aplicación de impresión 3D de metal

Los contras de la impresión 3D de metal

  • La impresión 3D no es posible con todos los materiales, y algunos metales como el zinc, hierro, mercurio y plomo a menudo no se pueden usar en la técnica en absoluto.
  • La mayoría de las impresoras 3D tienen un volumen de construcción limitado: el tamaño de los objetos que se pueden imprimir es limitado. Esto dificulta las aplicaciones a gran escala, ya que se deben imprimir los componentes por separado y ensamblarlos posteriormente.
  • Los acabados superficiales de los objetos impresos en 3D son más rugosos que los objetos fabricados convencionalmente, lo que puede limitar sus aplicaciones, especialmente si su proyecto requiere superficies de baja fricción.
  • El proceso de impresión 3D es lento e incluso puede llevar semanas, dependiendo del tamaño y complejidad del proyecto.
  • El proceso es intensivo en energía.
  • Las consideraciones de costos de la impresión 3D son significativas: es un proceso costoso que a menudo requiere sustancias de alta calidad.
  • Puede ser necesario un postprocesamiento considerable para ciertos objetos impresos en 3D, dependiendo del material y la técnica.

Nota final

La impresión 3D de metal ha surgido como una técnica valiosa en la fabricación, permitiendo aplicaciones anteriormente consideradas imposibles mediante medios convencionales. Se espera que su costo continúe disminuyendo a medida que avancen las innovaciones. Aunque la técnica tiene limitaciones considerable en la actualidad, los beneficios de la impresión 3D superan con creces dichas limitaciones.

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