5 problemas habituales relacionados con la impresión 3D en metal y cómo solucionarlos

La impresión 3D de metal ha logrado avances impresionantes en los últimos años, con empresas que invierten cada vez más en tecnología para aplicaciones industriales altamente complejas. Sin embargo, junto con las ventajas de producir componentes metálicos ligeros y sofisticados, también hay una serie de desafíos que deben superarse durante el proceso de impresión 3D de metales. El tutorial de hoy explorará los principales problemas a los que se enfrentan al imprimir metales en 3D y cómo puede resolverlos.

Impresión 3D en metal:descripción general

Cuando se trata de impresión 3D de metal, existe una variedad de procesos de impresión. Estos se pueden dividir en tres grupos:

• Procesos de fusión en lecho de polvo (SLM, EBM)
• Deposición directa de energía (DED)
• Chorro de aglutinante de metal

Fusión en lecho de polvo es el método más común para la producción de piezas metálicas utilizando AM, e implica el uso de un rayo láser (SLM) o un rayo de electrones (EBM) para fundir selectivamente una capa de material en polvo, distribuida uniformemente en la plataforma de construcción.

Deposición de energía directa cubre una gama de tecnologías y, por lo general, implica un proceso mediante el cual el material se funde mediante un rayo láser o de electrones antes de depositarse en una plataforma de construcción. A continuación, el objeto se forma capa por capa. Si bien se pueden usar polímeros y cerámicas con este proceso, el DED se usa típicamente con metales en forma de polvo o alambre.

Chorro de aglutinante de metal utiliza un cabezal de impresión para aplicar un agente aglutinante líquido sobre capas de polvo, que fusiona las partículas de polvo capa por capa. El polvo unido se puede infiltrar opcionalmente con otro metal (generalmente bronce) para lograr una densidad más alta.

Cada uno de los procesos tiene sus fortalezas y limitaciones, pero hay problemas comunes que ocurren en general cuando se imprimen metales en 3D, y estos desafíos deben ser para lograr las mejores características mecánicas posibles para sus piezas de metal impresas en 3D.

5 problemas comunes a los que debe prestar atención

1. Porosidad

Las piezas de metal impresas en 3D a menudo están plagadas de alta porosidad, lo que ocurre durante el proceso de impresión a medida que se forman pequeños agujeros y cavidades dentro de la pieza. Estos poros diminutos, generalmente microscópicos, pueden causar baja densidad:cuantos más poros haya, menor será la densidad de su parte. También pueden afectar directamente las propiedades mecánicas de una pieza, haciéndola propensa a grietas u otros daños, especialmente cuando se expone a cargas elevadas.

Por lo general, hay dos razones principales para las piezas metálicas impresas en 3D altamente porosas:o se debe a un problema con la técnica de producción de polvo o al proceso de impresión 3D en sí. Por ejemplo, el uso de atomización de gas a veces puede causar la formación de poros en el material en polvo. Sin embargo, la fuente más común de estos pequeños agujeros es el proceso de impresión, cuando la energía del es insuficiente y, por lo tanto, no se puede fundir el metal correctamente. También se puede aplicar lo contrario:la energía láser excesiva puede hacer que las gotas de material derretido salpiquen, dando lugar a poros.

Cómo reducir la porosidad de sus piezas metálicas

Afortunadamente, hay varias formas de eliminar la porosidad en sus piezas de metal impresas en 3D y lograr piezas más resistentes y duraderas:

• Dado que la calidad del material a veces puede ser la fuente de alta porosidad, asegúrese de comprar materias primas de un proveedor confiable.
• La porosidad causada durante el proceso de impresión se puede eliminar ajustando los parámetros de la impresora.

• La densidad correcta se puede lograr con métodos de posprocesamiento, como el prensado isostático en caliente. Esto elimina cualquier posible cavidad al tiempo que mejora las propiedades mecánicas de una pieza de metal impresa en 3D.
• Para las piezas de fusión en lecho de polvo, la infiltración es otra opción de posprocesamiento. Este método se utiliza para llenar los vacíos restantes en la pieza de metal.

2. Densidad

Las aplicaciones industriales de piezas metálicas impresas en 3D frecuentemente requieren altas propiedades mecánicas, por lo que la densidad de una pieza es extremadamente importante. Cuando una pieza opera bajo condiciones de tensión cíclica, su densidad determinará si la pieza fallará o no bajo carga. En otras palabras, cuanto menor es la densidad de una pieza, más probabilidades hay de que se agriete bajo presión. Las tecnologías de lecho de polvo (SLM, EBM) pueden producir piezas con densidades del 98% o más, que son cruciales para aplicaciones estresantes.

Mejorando la densidad de sus piezas

Para garantizar que una pieza tenga una calidad y densidad constantes, es necesario optimizar los parámetros específicos del material, como el tamaño, la forma, la distribución y la fluidez de las partículas. Las partículas con forma esférica pueden conducir a una mayor densidad, por ejemplo, ya que pueden alcanzar la densidad relativa máxima en comparación con otras formas.

Sin embargo, como hay una variedad de variables que pueden afectar la densidad de una pieza, la regla general es considerar primero la calidad de su polvo metálico y ajustar los parámetros del proceso en consecuencia.

3. Estrés residual

El calentamiento y posterior enfriamiento son las características comunes de los procesos de AM de metales. Sin embargo, cuando una pieza se somete a cambios térmicos tan extremos, esto puede provocar una tensión residual. La tensión residual tiene un impacto desfavorable en la integridad de una pieza fabricada, dando lugar a diferentes formas de deformación. La mayor concentración de tensión residual se encuentra en el área de contacto entre la parte inferior de una pieza impresa y una cama de impresión.

Reducir el estrés residual

Dado que la tensión residual puede marcar la diferencia entre una impresión en metal exitosa y una falla estructural, este problema debe abordarse adecuadamente y hay varias formas de hacerlo:

• El modelado predictivo se puede utilizar para estimar los parámetros apropiados, como la entrada de calor y el espesor de la capa, con el fin de construir componentes con baja tensión residual.
• La implementación de estructuras de soporte y la optimización de la orientación de la pieza también pueden minimizar la aparición de tensión residual.
• Precalentar la plataforma de impresión y el material de construcción antes de que comience la impresión reduce los gradientes de temperatura, que a menudo son la causa de la tensión residual. Sin embargo, dado que EBM opera a una temperatura más baja, esta técnica tiene más éxito con EBM que con SLM o DED.
• En los procesos de fusión de lecho de polvo, la estrategia de escaneo en "isla" puede ayudar a mitigar la acumulación de tensiones residuales. Esta estrategia funciona dividiendo el área de exposición en secciones más pequeñas, denominadas "islas", y mantiene las longitudes de los vectores de exploración más cortas.

4. Agrietamiento y deformación

El estrés residual puede ser altamente destructivo, lo que resulta en una serie de problemas estructurales en una parte, siendo el agrietamiento y la deformación los más frecuentes entre ellos. Estos problemas suelen ocurrir cuando el metal fundido se enfría después de la impresión. El enfriamiento provoca la contracción, lo que hace que los bordes de una pieza se doblen y deformen. En casos extremos, la tensión puede exceder la resistencia de la pieza, lo que lleva a que la pieza se agriete (también se pueden producir grietas si el material en polvo no se fundió correctamente).

Prevención de grietas y deformaciones

Hay dos formas principales de evitar el agrietamiento y la deformación de la pieza de metal. Una opción es precalentar la cama de impresión, mientras que otra es mejorar la adherencia de una pieza a la cama de impresión y colocar la cantidad necesaria de estructuras de soporte. El posprocesamiento térmico también puede ayudar a reparar grietas menores, mientras que establecer el número correcto de estructuras de soporte de su parte es esencialmente para evitar deformaciones.

5. Postprocesamiento y rugosidad de la superficie

Por lo general, las piezas metálicas no están listas para sus aplicaciones finales cuando se imprimen por primera vez y deberán someterse a algún tipo de procesamiento posterior, como eliminación de polvo y soportes, tratamiento térmico y acabado superficial. Pero muy a menudo, encontrará algunos desafíos durante los pasos posteriores al procesamiento.

Por ejemplo, puede enfrentar desafíos para quitar las estructuras de soporte de sus piezas. Esto puede ocurrir, por ejemplo, si su pieza de metal tiene soportes en pequeños orificios y tubos. Estos pueden ser difíciles de quitar sin dañar la pieza y será necesario un mecanizado posterior.

La rugosidad de la superficie es otro problema. Los componentes fabricados de forma aditiva para aplicaciones de alta gama requieren una rugosidad superficial promedio, pero las piezas impresas en 3D a menudo se producen con superficies rugosas y requieren un procesamiento posterior adicional, como mecanizado, esmerilado o pulido para lograr un mejor acabado. Como la rugosidad de la superficie está directamente relacionada con el espesor de la capa, se puede mitigar imprimiendo con capas más delgadas. Sin embargo, esta producción de una pieza con capas más finas puede aumentar significativamente el tiempo de construcción.

Las superficies rugosas también pueden resultar de una fusión inadecuada del polvo. Esto ocurre cuando no se ha aplicado suficiente energía para fundir el metal por completo. En este caso, la rugosidad de la superficie se puede reducir aumentando la potencia de su láser.

En resumen

Si bien existe una variedad de desafíos potenciales cuando se usa AM para producir piezas metálicas, comprender estos desafíos es el primer paso para producir componentes confiables y de alta calidad. Y con el crecimiento continuo de la impresión 3D de metales, sin duda veremos un aumento en el uso de componentes metálicos fabricados de forma aditiva utilizados en aplicaciones industriales.