Los mejores polvos metálicos para impresión 3D en 2020: guía definitiva

Para cualquier empresa que busque incursionar en la impresión 3D de metal, es crucial saber qué metales pueden usarse con esta tecnología hoy. Desde el diseño hasta la manufactura, elegir los materiales adecuados garantiza el más alto estándar posible para el producto terminado.
 
Para ayudarle a ponerse al día con el ecosistema actual de metales para AM, exploramos aleaciones disponibles comercialmente para Fusión de Lecho de Polvo, requisitos clave de material para impresión exitosa y cómo evolucionará el uso de metales en el futuro. Pero primero, exploremos qué es la Fusión de Lecho de Polvo.
 

Breve descripción de las tecnologías de Fusión de Lecho de Polvo de metal

 

 
La Fusión de Lecho de Polvo (PBF) de metal es la tecnología de fabricación aditiva (AM) de metal más establecida hoy.
 
Con PBF, capas de polvo metálico se distribuyen uniformemente sobre la plataforma de construcción de una máquina y se fusionan selectivamente mediante una fuente de energía —ya sea un láser o un haz de electrones.
 
Dos procesos clave de impresión 3D de metal caen bajo la categoría de Fusión de Lecho de Polvo:
 

• Fusión Selectiva por Láser (SLM) / Sinterizado Directo por Láser de Metal (DMLS)

 

• Fusión por Haz de Electrones (EBM)

 
En SLM, un láser potente y afinado se aplica selectivamente a una capa de polvo metálico. De esta manera, las partículas de metal se fusionan para crear una pieza.
 
Un requisito importante para SLM es una cámara de construcción cerrada llena de gas inerte, como argón. Esto previene la contaminación por oxígeno del polvo metálico y ayuda a mantener la temperatura correcta durante el proceso de impresión.
 
EBM opera de manera similar a SLM en que los polvos metálicos también se funden para crear una pieza de metal totalmente densa. Para prevenir la contaminación y oxidación del polvo, el proceso EBM tiene lugar en un entorno de vacío.
 
La diferencia clave entre las tecnologías SLM/DMLS y EBM es la fuente de energía: en lugar de un láser, los sistemas EBM usan un haz de electrones de alta potencia como fuente de calor para fundir capas de polvo metálico.
 
Dado que un haz de electrones es típicamente más potente que un láser, EBM a menudo se usa con superaleaciones metálicas de alta temperatura para crear piezas para aplicaciones altamente exigentes, como motores a reacción y turbinas de gas. Además, como la tecnología se basa en cargas eléctricas, EBM solo puede usarse con metales conductores, como titanio y aleaciones de cobalto-cromo.
 

Requisitos de polvo para impresión 3D de metal

 
Para asegurar una producción AM de metal precisa y repetible, los polvos metálicos deben mostrar características consistentes.
 
Debido a los diferentes métodos de producción de polvo, las características del polvo difieren según el proceso y la aleación. Algunas de las características más importantes incluyen:
 

• Distribución de Tamaño de Partícula (PSD): Partículas más pequeñas permiten una resolución más fina de dimensiones de pieza y acabado superficial. Dentro de PBF, los sistemas EBM tradicionalmente usan un PSD de 45–105 µm, mientras que la mayoría de los sistemas basados en láser desean 15–45 µm PSD.

 

• Morfología: Las partículas de polvo metálico lisas y de forma regular son preferibles. Esto permite que se empaqueten bien, resultando en un producto denso con propiedades mecánicas buenas y deseadas.

 

• Fluidez: La fluidez del polvo juega un papel importante en la formación de una capa de polvo homogénea, ya que el polvo es extendido por el recubridor.

 

• Densidad: La densidad de empaquetamiento óptima del polvo durante el flujo y procesamiento impacta positivamente la integridad y el acabado superficial de las piezas impresas en 3D. Las partículas elipsoidales tendrían un empaquetamiento natural o aleatorio mejor y más consistente.

 

• Composición química/de fase: Esto explica por qué no todas las aleaciones están disponibles como polvos. PBF generalmente favorece metales soldables.

 

¿Qué metales pueden imprimirse en 3D con Fusión de Lecho de Polvo?

 

Acero

 
Aleaciones disponibles para AM: 316L, Acero para Herramientas H13, Acero de Envejecimiento, Acero de Cementación, Acero Inoxidable 15-5 PH, Acero Inoxidable 17-4 PH, Acero Inoxidable serie 300, Acero Inoxidable serie 400, Aceros de Baja Aleación

 
El acero es tanto el material metálico más utilizado como el más reciclado en la Tierra. Desde aceros inoxidables y de alta temperatura, el acero en sus diversas formas y aleaciones ofrece diferentes propiedades para satisfacer una amplia gama de aplicaciones.
 
En PBF de metal, hay solo unas diez aleaciones de acero primarias que se imprimen ampliamente hoy. Aunque el conjunto de aceros impresos es bastante pequeño hoy, comparado con tecnologías de trabajo de metal tradicionales, empresas como Carpenter, Sandvik, Hoganas, GKN y Oerlikon están desarrollando activamente nuevos aceros para AM para acceder a nuevos mercados.
 
Por ejemplo, GKN Additive Materials ha sido pionera recientemente en nuevos polvos de acero de baja aleación para AM. Debido a su tenacidad y resistencia a la corrosión, los polvos de acero de baja aleación crean nuevas oportunidades para AM en sectores como la industria automotriz, donde la escalabilidad y el costo son impulsores clave.
 
Hoy, el uso de acero para producción de piezas finales AM está creciendo, particularmente en mercados más nuevos para impresión 3D, como marítimo y automotriz. Esto hace del acero una de las claves para fomentar la adopción de tecnología AM de metal más allá de las industrias médicas y aeroespaciales tradicionales.
 
Estos avances indican que los aceros son muy propensos a convertirse en los materiales AM de metal más utilizados en los próximos años.
 

Aluminio

 
Aleaciones disponibles para AM: Al-Si10Mg, AlSi12, AlSi7Mg, AlSi9Cu3, Al4047, Al-Si-Mg (F357), Scalmalloy (Al-Mg-Sc), Al-Cu-Ti-B2 (A205/A20X)
 
El aluminio es un metal fuerte y ligero que combina propiedades mecánicas y térmicas sobresalientes. Por esas razones, las aleaciones de aluminio se usan ampliamente en las industrias aeroespacial, automotriz y biomédica.
 

 
La firma de investigación AM, SmarTech, estima que la impresión 3D de aluminio representó aproximadamente el 10 por ciento de toda la impresión de metal en 2018. Desde entonces ha habido un aumento significativo en el desarrollo y comercialización de aleaciones de aluminio para AM, impulsado por la demanda en las industrias aeroespacial y automotriz.
 
Por ejemplo, APWORKS, en colaboración con Airbus, ha desarrollado Scalmalloy para aplicaciones aeroespaciales. El material ofrece la relación buy-to-fly más baja, una ventaja particular para la industria aeroespacial.
 
Si bien el material fue desarrollado con la aeroespacial en mente, sus propiedades también son atractivas para el sector de deportes de motor —por eso Scalmalloy se agregó recientemente a la lista de materiales AM aprobados para la Fórmula 1.
 
Sin embargo, muchas aleaciones de aluminio para AM siguen siendo muy costosas y no cumplen los requisitos de las industrias objetivo. Por ejemplo, la industria automotriz requiere que las piezas de aluminio impresas en 3D pasen pruebas de choque para ser consideradas para su uso en vehículos de producción en masa.
 
El grupo de ingeniería EDAG ha desarrollado una nueva aleación de aluminio, conocida como CustAlloy, como parte del proyecto de investigación 'CustoMat_3D', enfocado en adaptar AM para producción en serie automotriz.
 
El material recién desarrollado está diseñado para superar estos desafíos proporcionando tanto mayor resistencia como mayores elongaciones a la rotura —propiedades esenciales que permitirán a las piezas automotrices impresas en 3D usar la nueva aleación para rendir bien en pruebas de choque.
 

Titanio

 
Grados: Ti-6Al-4V (Grado 5), Ti-6Al-4V (Grado 23), Cp-Ti (Grado 1), Cp-Ti (Grado 2), Ti-Al, Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, Ti5553, Ti6242
 
El titanio tiene excelentes propiedades de material, pero su alto costo ha limitado históricamente su uso a aplicaciones de alto valor en aeroespacial.
 
Ahora que la impresión 3D de metal se reconoce cada vez más como un método de manufactura viable, la tecnología está haciendo el titanio más accesible a industrias como médica, automotriz y deportes de motor.
 
Hay un gran potencial para la impresión 3D de titanio, particularmente en el área de implantes ortopédicos, gracias a la no toxicidad, alta resistencia y resistencia a la corrosión del titanio.
 
Cuando se usa con impresión 3D, los fabricantes de dispositivos médicos pueden crear implantes de titanio con estructuras complejas y porosas. Notablemente, estas estructuras imitan la estructura de los huesos humanos, por lo que las células óseas la reconocen como un andamio a través del cual crecer.
 

 
La creciente demanda de polvo de titanio ha llevado a algunos productores de polvo metálico a comenzar a construir nuevas plantas de producción de titanio y otros a aumentar su producción de polvos de titanio.
 
Por ejemplo, Sandvik abrió una planta de polvo para sus aleaciones de titanio y níquel bajo la marca Osprey® a finales de 2019. Ese mismo año, PyroGenesis, un fabricante canadiense de polvo metálico atomizado por plasma, aumentó su tasa de producción de polvo de titanio, lo que también permitió a la empresa reducir el costo de una producción de polvo de titanio históricamente muy costosa.
 

Cobre y metales preciosos

 
Aleaciones disponibles para AM: CuNi3Si, CuNi2SiCr, CuCrZr, CuAl10Fe5Ni5, Cu Alto Oxígeno
 
No todos los metales se prestan bien a la impresión 3D. Por ejemplo, el cobre es particularmente difícil de imprimir, con la gran mayoría del cobre impreso en 3D actualmente basado en aleaciones de cobre, no en el metal puro.
 
El cobre puro tiene una tasa de reflectividad láser de más del 90 por ciento, y es difícil para el láser fundir continuamente y regularmente el polvo de cobre puro.
 
Una forma de avanzar es desarrollar nuevos sistemas capaces de imprimir en 3D tales metales.
 
En Formnext 2018, TRUMPF demostró su tecnología de láser verde, que puede imprimir cobre puro, así como otros metales preciosos.
 
La empresa cree que la impresión 3D de cobre puro puede convertirse en una forma alternativa de crear inductores conductivos e intercambiadores de calor, que son particularmente útiles para aplicaciones de electrónica, automotriz y espaciales.
 
En cuanto a metales preciosos, como oro, plata y platino, la ventaja de la impresión 3D de estos materiales radica en la posibilidad de lograr diseños intrincados, ideales para joyería, accesorios y objetos decorativos.
 
Sin embargo, la impresión 3D de metales preciosos suele ser indirecta e implica la producción de un molde de cera, que luego se usa en una técnica de fundición a la cera perdida.
 
La impresión 3D directa con metales preciosos, usando PBF, también es posible, aunque el número de máquinas de impresión 3D compatibles con metales preciosos es limitado.
 

Superaleaciones

 
Las superaleaciones, una familia de mezclas metálicas basadas en níquel, cobalto o hierro, son resistentes a la deformación a alta temperatura, corrosión y oxidación, particularmente cuando operan a una temperatura elevada cercana a su punto de fusión.
 
Desarrolladas primero para componentes de turbinas de gas en motores turborreactor, las superaleaciones ahora se usan ampliamente para aplicaciones de alta temperatura en las industrias aeroespacial y de generación de energía.
 

Níquel

 
Aleaciones disponibles para AM: Inconel 625, Inconel 718, Inconel 738, Inconel 939, Ni-Ti, Waspaloy, Hastelloy, ABD900AM, Haynes 282
 
Las aleaciones de níquel primero se volvieron comercialmente disponibles para uso en procesos PBF de metal ya en 2007.
 
La demanda actual de aleaciones de níquel está dominada por superaleaciones de la familia Inconel —particularmente aleaciones IN625 y IN718— gracias a sus capacidades significativas en aplicaciones que requieren gran dureza, resistencia a la tracción, y quizás lo más importante, resistencia química y a la temperatura.
 
Además de estas dos aleaciones, hay muchas más superaleaciones de níquel-cromo ofrecidas por empresas líderes de metales. Varias superaleaciones Haynes, superaleaciones Hastelloy y varias formas de Inconel se están volviendo más establecidas.
 
Si bien la industria aeroespacial actualmente impulsa la mayoría de la demanda de fabricación aditiva basada en níquel, hay un enorme potencial para la impresión 3D de superaleaciones de níquel en petróleo y gas, energía y segmentos industriales generales, como procesamiento químico.
 

Cobalto

 
Aleaciones disponibles para AM: MP1, CP2, Co-Cr, Co-Cr-MoC, Aleación de Cobalto 188, Aleación de Cobalto 509, CoCr-0404, CO502, CO90, CO212, Co49Fe2V
 

 
El lanzamiento de las primeras superaleaciones de cobalto comercialmente disponibles para impresión 3D data de 2006. Desde entonces, el uso del material ha ido creciendo, impulsado por la demanda en las industrias médica y aeroespacial.
 
Las superaleaciones de cobalto poseen grandes propiedades mecánicas, junto con resistencia a la corrosión y altas temperaturas. La aleación cobalto-cromo es particularmente adecuada para aplicaciones médicas (implantes ortopédicos) y dentales, ya que tiene excelente biocompatibilidad.
 

Hierro

 
Aleaciones disponibles para AM: Invar 36, Fe-Si, Fe-Ni
 
Unos pocos fabricantes de sistemas PBF de metal ofrecen la posibilidad de imprimir Invar 36, una aleación de níquel-hierro, notable por su expansión térmica extremadamente baja. Invar 36 se usa en componentes que requieren alta estabilidad dimensional en un amplio rango de temperaturas, como en dispositivos de radio y electrónicos, controles de aeronaves, sistemas ópticos y láser.
 
Höganäs, uno de los principales fabricantes de polvos metálicos, también proporciona una gama de polvos basados en hierro, resistentes a abrasión, desgaste y corrosión, bajo su marca AMPERPRINT.
 

Metales refractarios

 

 
Los metales refractarios tienen propiedades extraordinarias, pero al mismo tiempo son extremadamente difíciles de trabajar.
 
El uso más común de metales refractarios en AM hoy es en aleación con aceros, níquel y materiales de cobalto para crear muchas superaleaciones populares.
 
Actualmente, solo unas pocas empresas ofrecen polvos de metales refractarios para AM.
 
H.C. Starck Tantalum and Niobium GmbH, que recientemente ha sido renombrada como TANIOBIS GmbH, es una de tales empresas, proporcionando una gama de polvos de tantalio y niobio (Ta/Nb) atomizados y sus aleaciones, diseñados para AM bajo el nombre de marca AMtrinsic.
 
El tantalio y el niobio, cree TANIOBIS, abrirán nuevas oportunidades en AM, citando sus altos puntos de fusión, alta resistencia a la corrosión y alta conductividad térmica y eléctrica.
 
Propiedades como estas permitirían a las empresas aplicar AM en procesamiento químico, el sector energético y una gama de entornos de alta temperatura.
 

La gama siempre creciente de polvos para impresión 3D de metal

 

 
En PBF de metal, el desarrollo de materiales es un trabajo en progreso. El número de metales disponibles para impresión 3D sigue siendo limitado comparado con la manufactura tradicional, como fundición o mecanizado.
 
Una razón es el tiempo y recursos que toma desarrollar nuevos polvos metálicos para AM —en algunos casos, el proceso de desarrollo puede tomar unos años.
 
Otra razón radica en las limitaciones de hardware, como fue el caso con el polvo de cobre, que requiere una longitud de onda láser diferente, comparada con otros metales, para imprimirse con éxito. Afortunadamente, los desafíos de hardware se están superando para expandir aún más el alcance de metales imprimibles.
 
A pesar de los desafíos, el futuro de PBF de metal se ve brillante, ya que su adopción en producción crece y más industrias comienzan a adoptar la tecnología. Esto significa un enfoque creciente en nuevas químicas de materiales que ayudarán a desbloquear nuevas aplicaciones y llevar la impresión 3D de metal al siguiente nivel.