Los desafíos y soluciones únicos en la impresión 3D de metal

La impresión 3D de metal no está exenta de desafíos y oportunidades prácticas. Obtenga una comprensión más profunda de dónde esperar inconvenientes y cómo lidiar con ellos. Además, conozca la tecnología emergente que podría cambiar la dirección del mercado.

El futuro ha llegado a la impresión 3D de metal, y su precio de entrada podría estar generando vientos en contra. Los peces gordos de la fabricación están bastante metidos en esta área y es posible que necesiten la ayuda de un taller especializado más pequeño. ¿Qué se necesita para adoptar 3D y metal juntos? Adoptar nuevos enfoques de ingeniería y acostumbrarse a nuevos materiales, como polvos metálicos, para empezar.

SpaceX construye partes clave con él. También lo hacen la NASA, Boeing, Lockheed Martin y GE Aviation. Estos y otros fabricantes están imprimiendo piezas metálicas en 3D para usar en los aviones que nos llevan de ciudad en ciudad, las naves espaciales que llevan a los astronautas a la órbita cercana a la Tierra y los cohetes que lanzan Tesla Roadsters rojos al cinturón de asteroides. Las empresas médicas también se están sumando al juego de la fabricación aditiva con implantes impresos en 3D para reemplazos de cadera y placas de reparación de cráneo para víctimas de accidentes. Los productos automotrices y de consumo también se están alineando.

Si es un fabricante subcontratado de una de estas importantes empresas aeroespaciales, ya comprende los desafíos que acompañan a esta tecnología compleja. Si bien no reemplazará los procesos de fabricación y mecanizado CNC tradicionales o muchos en nuestras vidas, está cambiando el panorama de las opciones de fabricación disponibles.

Mire los números:el investigador de mercado IDTechEx pronostica que la impresión 3D de metal crecerá a una industria de $ 12 mil millones para 2028, frente a aproximadamente $ 2.5 mil millones en 2018. Un estudio de EY de 2016 encontró que el 52 por ciento de las empresas encuestadas eligen metal en la impresión 3D sobre cualquier otro material . El siguiente material más cercano, el polímero, obtuvo el 31 % de la demanda, y el 6 % esperaba imprimir cerámica.

“Las empresas lo eligen [metal] porque permite imprimir productos de metales preciosos, titanio, acero para herramientas, acero inoxidable y aleaciones de aluminio”, dice EY en el informe. “Entre las empresas que ya utilizan la impresión 3D en metal, las empresas de dos industrias encabezan las listas:empresas aeroespaciales y automotrices. El sesenta y cinco por ciento de estas empresas utilizan la impresión 3D en metal; esta alta proporción se debe a la gran cantidad de componentes metálicos en los productos de estos sectores”.

Prepárese para esperar y limpiar piezas y componentes metálicos impresos en 3D

Antes de lanzarse al negocio de la impresión 3D, prepárese. Puede sonar obvio, pero construir partes de esta manera no es como acaparar un bloque de aluminio o girar un eje de cromo cobalto. La herramienta es un láser, el material es una pila de polvo de metal y el accesorio es una placa de metal plana. Cargue el programa, presione inicio de ciclo y horas o días después, su pieza estará lista. Casi.

Aquí está el problema:no solo las velocidades de construcción con la impresión 3D de metal son glacialmente lentas en comparación con el mecanizado, sino que las piezas no necesariamente se completan cuando se procesan, ni son completamente precisas. Ya sea que lo conozca como sinterización directa de metal por láser, fusión por haz de electrones o fusión selectiva por láser, las tolerancias típicas que utilizan la fusión de lecho de polvo son de alrededor de +/- 0,005 pulgadas con un acabado superficial comparable al de una fundición de inversión (calcule alrededor de 125 Ra, en el mejor de los casos). ). Esto significa que el mecanizado suele ser necesario para limpiar cualquier superficie crítica, perforar orificios, cortar roscas y más.

Además, la fusión de lecho de polvo requiere estructuras como andamios para soportar la pieza de trabajo durante el procesamiento. Eso significa que es posible que se necesite esmerilado, granallado y mecanizado adicional para quitar estos soportes.

¿Desea obtener información más fundamental sobre por qué y cómo el 3D ha tenido un impacto? Consulte "El caso de la impresión 3D en la fabricación".

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Hace calor:tensión de impresión 3D en metales

También hay que tener en cuenta el estrés térmico. Los láseres y haces de electrones calientan partículas de titanio, aluminio, acero inoxidable, cromo cobalto, acero para herramientas y docenas de otras aleaciones hasta sus puntos de fusión, que pueden superar los 2700 grados. Una vez que se completa cada capa, se agrega polvo fresco y el proceso comienza nuevamente. Como puede imaginar, este calentamiento y enfriamiento repetitivo genera una tensión tremenda que debe controlarse durante el proceso de construcción y luego recocerse después de la construcción mediante un tratamiento térmico.

Eso es mucho para pensar y manejar. Además, aquellos que busquen una estrategia de impresión 3D deben tener en cuenta la escalabilidad, el modelado, la estratificación y la simulación.

Escalabilidad

Hasta hace relativamente poco tiempo, la impresora 3D de metal más grande apenas era lo suficientemente grande para imprimir una tostadora. Hoy en día, las máquinas disponibles comercialmente pueden construir piezas del tamaño de una canoa y depositar 20 libras de metal por hora. ¿Qué tamaño de máquina necesita, qué tecnología es mejor y cuál es su presupuesto? Puede calcular que costará $ 1 millón o más, sin contar la curva de aprendizaje.

Modelado

Uno de los mayores obstáculos a los que se enfrentan los fabricantes de aditivos es el diseño de piezas. Los ingenieros deben aprender a pensar de manera diferente si quieren tener éxito con esta tecnología, y eso significa adoptar geometrías complejas y "formas orgánicas" que antes no se podían fabricar. Por supuesto, depende de los maquinistas y los ingenieros de fabricación averiguar cómo fijar las piezas de formas extrañas que se encuentran en su camino.

Capas

Una vez que se ha aprobado el diseño, el programador u operador de la impresora 3D debe diseñar las estructuras de soporte y determinar la mejor manera de colocar y construir la pieza. La buena noticia es que hay muchos programas de software diseñados para este propósito, y esta tarea ya no es tan difícil como lo era antes.

Simulación

La cama está llena de polvo, la placa de construcción está limpia y el metal está listo para fundirse. Sin embargo, antes de presionar el botón, es importante evaluar el proceso de construcción usando simulación de software. Esto ayudará a identificar áreas donde el estrés térmico puede asomar su fea cabeza, detectar dónde se necesitan estructuras de soporte (o innecesarias) y confirmar si el diseño de la pieza existente es adecuado para la impresión 3D.

Metal impreso en 3D, conoce a tu nuevo amigo, polímero

En el mundo de la impresión 3D de metales, la fusión de capas de polvo es la reina suprema, al menos por ahora. Varias tecnologías nuevas se están adentrando en el territorio del lecho de polvo, incluidos los enfoques de proyección térmica y extrusión que prometen costos más bajos (en el rango de $ 120,000 en lugar de $ 500,000 y más), mayor precisión y velocidades de construcción mucho más rápidas. Uno de estos funciona de manera muy similar a una impresora de inyección de tinta, excepto que la "tinta" está hecha de polvo metálico mezclado con un aglutinante de polímero.

La pieza se construye en un estado "verde" antes de colocarse en un horno para la sinterización, que es un poco diferente del proceso de moldeo por inyección de metal de décadas de antigüedad. Dado que utiliza el mismo polvo metálico, no recibe tanto escrutinio metalúrgico como otros polvos aditivos. Y como todas las tecnologías de impresión 3D de metal, produce piezas completamente densas.

Similar a la tecnología de "chorro de aglomerante" utilizada en algunas impresoras de polímeros más nuevas, las velocidades de construcción son de 10 a 100 veces más rápidas que las de la competencia. Los costes de las máquinas son una fracción de los de las máquinas herramienta híbridas o de lecho de polvo. Hay poca necesidad de estructuras de soporte, y las que se usan se pueden quitar fácilmente después de la sinterización. Y dado que no hay luz láser, solo UV para curar el material aglutinante, y el metal se suministra en cartuchos fáciles de imprimir con los que cualquier empleado de oficina estaría familiarizado, hay muchos menos problemas de salud y seguridad.

"Adoptar la impresión 3D de metal para fabricar piezas de uso final ha sido un paso que han dado algunas empresas de mecanizado, pero no era algo que los talleres de todo el mundo pudieran hacer", señala Peter Zelinski, editor en jefe de Modern Machine Shop, en el artículo “¿La llegada de la fabricación aditiva de metal de bajo costo?” “Ahora, la impresión 3D de metal de bajo costo podría significar que los talleres emplearán rutinariamente métodos tanto aditivos como sustractivos para las piezas de metal. Y también podría significar que la gama de piezas metálicas aptas para aditivos se está preparando para expandirse”.

¿Ha tenido alguna experiencia con la impresión 3D de metal o cualquier otro proceso de fabricación aditiva? ¿Cómo ha sido para ti y tu tienda?