Cómo hacer que las piezas de metal sean más ligeras con la impresión 3D de metal

La creación de piezas metálicas ligeras es el santo grial para las industrias de alto rendimiento como la automoción y la aeroespacial, por lo que los fabricantes se esfuerzan continuamente por encontrar nuevas formas de diseñar y fabricar piezas metálicas más ligeras con un rendimiento mejorado de las piezas. Impresión 3D , con su capacidad para crear diseños complejos, podría ser la solución a la creciente necesidad de componentes metálicos ligeros.

¿Por qué los fabricantes se esfuerzan por conseguir piezas metálicas ligeras?

Industrias como la aeroespacial y la automotriz enfrentan el desafío de optimizar la eficiencia del consumo de combustible, reducir los costos de producción y cumplir con los estrictos estándares regulatorios sobre emisiones nocivas. El aligeramiento, la práctica de hacer las piezas más ligeras, es una solución para hacer frente a estos desafíos.

Las piezas más ligeras significan vehículos y aviones más ligeros, lo que resulta en un menor consumo de combustible y una reducción de las emisiones. El aligeramiento del metal es difícil de lograr con los métodos de fabricación tradicionales debido a los plazos de entrega más largos y la falta de una forma económicamente viable de producir geometrías complejas. Los altos costos de desperdicio de material y herramientas (en el caso del moldeo por inyección) también son factores prohibitivos.

Impresión 3D:la solución de metal ligero

Enviando un 22 -ton de carga útil de la aeronave en órbita terrestre baja cuesta 62 millones de dólares - casi $ 3.000 el kilo - según una investigación realizada por 3D Systems. Dado que cada kilogramo eliminado del peso total de un avión se traduce en ahorros de costos, la producción de peso, por lo tanto, se convierte en una prioridad clave. Del mismo modo, cuanto más ligera es la pieza, menos material se ha utilizado para producirla, lo que, de nuevo, reduce los costes de fabricación.

La impresión 3D es una tecnología de fabricación que crea piezas capa por capa, utilizando material solo donde es necesario. A diferencia de las técnicas de producción tradicionales, la impresión 3D convierte la complejidad en un activo, creando una oportunidad para fabricar de forma rentable piezas metálicas complejas y ligeras.

Además de ser la opción más rentable para producir piezas metálicas más ligeras, el proceso de impresión 3D suele ser más rápido que los procesos de fabricación tradicionales. Como tecnología sin herramientas, la fabricación aditiva crea piezas directamente a partir de archivos digitales, lo que acelera significativamente el proceso de fabricación.

Normalmente, los procesos de fusión en lecho de polvo se eligen para producir componentes metálicos más ligeros. Con la ayuda de un láser, las capas de polvos metálicos se fusionan, lo que permite producir estructuras ligeras geométricamente complejas.

¿Cómo puede la impresión 3D hacer que las piezas de metal sean más ligeras?

Uso de software de diseño avanzado
El uso exitoso de la impresión 3D para crear piezas livianas siempre comienza con el diseño. Gracias a la libertad de diseño que ofrece la impresión 3D, la tecnología se puede combinar sin problemas con un software de diseño avanzado, que incluye diseño generativo, optimización de topología y software de construcción de celosías, por nombrar algunos.

El uso de algoritmos sofisticados, la optimización de la topología y las herramientas de diseño generativo ayudan a optimizar la geometría y la distribución del material de una pieza. Al agregar o eliminar el material en lugares, definidos por un conjunto de parámetros, estas herramientas permiten a los ingenieros explorar infinitas opciones de diseño y encontrar la mejor estructura liviana posible de una pieza determinada.

General Motors, por ejemplo, ya está utilizando estas tecnologías avanzadas para fabricar modelos de vehículos con una reducción de peso promedio de más de 150 kg por vehículo.


En otro ejemplo, se ha logrado una asombrosa reducción de peso del 70% con un soporte de titanio impreso en 3D y topológicamente optimizado para GE Aircraft. Con el software de optimización de topología Generate de Frustum, los ingenieros pudieron determinar la distribución de material más eficiente dentro del soporte para cumplir con los requisitos de rendimiento.

La optimización del diseño también significa que el número de piezas también se puede reducir. Al combinar varios componentes estructurales en uno, se puede producir una pieza más liviana y eficiente. Airbus ya ha equipado el avión A380 con un bloque de válvulas de actuador de titanio impreso en 3D, que pesa un 35% menos que sus homólogos de fabricación tradicional y está hecho de menos piezas.

La aplicación de estructuras de celosía interna es otro enfoque de diseño para reducir el peso de una pieza metálica. Las piezas metálicas sólidas no estructurales son el caso de uso ideal para rediseñarlas con celosías, haciéndolas más ligeras y conservando la funcionalidad completa.

Uso de materiales para propiedades mejoradas
Los nuevos materiales para la impresión 3D están en constante evolución, empujando aún más los límites de lo que se puede lograr con el aligeramiento del metal. Scalmalloy es un gran ejemplo:desarrollado por APWorks, Scalmalloy es una aleación de polvo metálico que combina la ligereza del aluminio con casi la misma resistencia y ductilidad específicas del titanio. La alta relación resistencia / peso de Scalmalloy hace que este material sea particularmente buscado en las industrias aeroespacial y automotriz, donde se puede usar para producir componentes funcionales livianos pero muy fuertes.

Compuestos de matriz metálica (MMC) también muestran una gran promesa para el aligeramiento de metales. Los MMC son materiales compuestos que consisten en metales y otros metales o compuestos cerámicos y orgánicos. Si bien los MMC son materiales novedosos en la fabricación aditiva, la tecnología podría brindar nuevas oportunidades para producir piezas con estos materiales livianos de alto rendimiento, con alta resistencia y rigidez. Elementum3D, por ejemplo, está desarrollando un compuesto de metal y cerámica específicamente para la impresión 3D de metal. Este material podrá producir piezas metálicas fuertes, livianas y resistentes al calor, como componentes aeroespaciales o de motores de automóviles.

El valor creciente del aligeramiento del metal

La impresión 3D de piezas metálicas con éxito requiere conocimientos sobre posibilidades y limitaciones de las tecnologías y materiales de metal AM. El desafío clave es, por lo tanto, repensar los enfoques tradicionales de diseño y, en cambio, diseñar específicamente teniendo en cuenta las necesidades de la fabricación aditiva.

A medida que la búsqueda del aligeramiento del metal gana tracción, los fabricantes de las industrias de alto rendimiento tienen la tarea de equilibrar los objetivos en competencia de maximizar la resistencia y el rendimiento mientras se minimiza el peso de las piezas.

La impresión 3D ofrece una solución ideal para equilibrar estos objetivos, especialmente cuando se combina con software y materiales de diseño avanzados. Es cierto que solo hemos comenzado a arañar la superficie de lo que es posible con la impresión 3D de metal. Sin embargo, la posibilidad de crear piezas livianas con plazos de entrega más rápidos y, al mismo tiempo, reducir los costos de producción, permitirá a los fabricantes obtener los beneficios de llevar al mercado productos mejores, más livianos y más eficientes.

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