Dominando el Metal Binder Jetting: Innovación, Aplicaciones y Oportunidades Industriales

Imagen superior: Tornillos M5 impresos en 3D usando el sistema de Digital Metal [Crédito de imagen: Digital Metal]

El metal binder jetting está experimentando un renacimiento. En la última década, muchas nuevas empresas han entrado en modo de competencia, cada una con su propia visión de esta tecnología.

Tal actividad se alimenta en parte por las muchas oportunidades lucrativas que presenta esta tecnología. Por un lado, la alta velocidad y precisión del proceso de metal binder jetting pueden ayudar a establecerlo como un nuevo método de producción de alto volumen.

Pero, ¿qué desarrollos están impulsando el éxito de esta tecnología?

Hoy veremos cómo ha evolucionado el metal binder jetting y por qué está despegando como una nueva tecnología de fabricación.

Los orígenes del metal binder jetting

Los orígenes de la tecnología de metal binder jetting se remontan a 1993, cuando el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) desarrolló un proceso basado inyección de tinta para crear objetos tridimensionales usando polvos metálicos.

Curiosamente, el término "Impresión 3D" fue acuñado originalmente por MIT en referencia a la tecnología de metal binder jetting.

La empresa de fabricación, Extrude Hone Corporation, obtuvo una licencia exclusiva para la tecnología de MIT en 1996. Desde entonces, la empresa ha desarrollado y comercializado sistemas de metal binder jetting, con la primera impresora 3D, ProMetal RTS-300, entregada a Motorola en 1999.

ExOne, que se escindió de Extrude Hone Corporation en 2005, permaneció como la única empresa en ofrecer servicios y sistemas de metal binder jetting hasta principios de la década de 2010. En ese momento, las primeras patentes de MIT para la tecnología comenzaron a expirar, permitiendo la entrada de nuevas empresas al mercado.

Desde entonces, el metal binder jetting ha revivido con la visión de hacer esta tecnología verdaderamente adecuada para producción en todas las industrias.

¿Cómo funciona el metal binder jetting?

En el metal binder jetting, un aglutinante líquido se aplica selectivamente para unir partículas de polvo, capa por capa.

El proceso comienza extendiendo una capa fina de polvo, con cabezales de impresión depositando estratégicamente gotas de aglutinante en la cama de polvo. La placa de impresión luego baja y se extiende otra capa de polvo.

El proceso se repite hasta que la pieza está completa, con polvo sin usar (alrededor del 95 %) reciclado.

Con el metal binder jetting, las piezas recién impresas permanecen en un frágil estado verde y requerirán post-procesamiento posterior, como sinterizado e infiltración, para fortalecer la pieza.

Además de metales, el binder jetting puede trabajar con una variedad de otros materiales, como arena y cerámicas.

Pasos de Post-procesamiento para Metal Binder Jetting

La tecnología tradicional de binder jetting funciona usando un cabezal de impresión para aplicar un agente aglutinante líquido sobre capas de polvo.

Sin embargo, al imprimir metales con tecnología Binder Jetting, las piezas requerirán varios pasos de post-procesamiento ya que se imprimen inicialmente en su estado verde, lo que significa que poseen propiedades mecánicas bajas y a menudo son débiles y frágiles. La etapa de post-procesamiento tiene como objetivo fortalecer las piezas, e incluye curado, sinterizado, infiltración y otros procesos de acabado.

1. Curado

El curado aumenta la resistencia de las piezas verdes para que puedan retirarse de la cama de impresión de forma segura. Durante el proceso, las piezas se endurecen en un horno a aproximadamente 200 °C durante varias horas, resultando en piezas mucho más fuertes.

2. Sinterizado

A pesar del curado, sus piezas de metal seguirán siendo altamente porosas. Sin embargo, puede reducir significativamente la porosidad de las piezas mediante procesos de sinterizado o infiltración. Típicamente, el proceso de sinterizado tiene lugar en un horno con atmósfera controlada, donde la pieza se trata térmicamente a aproximadamente 100 °C durante 24-36 horas y el agente aglutinante se quema. Esto ayuda a fusionar las partículas de metal y resulta en una pieza de metal fuerte con baja porosidad. El sinterizado, sin embargo, puede causar contracción no homogénea en la pieza y puede ser difícil de predecir; esto debe tenerse en cuenta en la etapa de diseño.

3. Infiltración

Para lograr alta densidad, la pieza necesitará ser infiltrada para llenar los vacíos dejados por el agente aglutinante al quemarse. Esto generalmente se hace aplicando bronce fundido para infiltrar los vacíos restantes en la pieza. Someterse a estos pasos de post-procesamiento mejorará significativamente las propiedades mecánicas de la pieza de metal; por ejemplo, la infiltración de bronce de acero inoxidable puede lograr una densidad final del 95 %.

4. Acabado

Finalmente, aunque opcional, la pieza puede pulirse y platearse con oro o níquel permitiendo acabados superficiales estéticamente agradables.

¿Por qué el metal binder jetting está despegando como tecnología de producción?

El metal binder jetting ofrece una serie de beneficios únicos, facilitando su adopción para aplicaciones de producción.

Primero, el binder jetting no funde el polvo de metal durante el proceso de impresión, eliminando problemas relacionados con la acumulación de tensiones residuales.

Segundo, no se requieren estructuras de soporte para el proceso de metal binder jetting, ya que las piezas impresas están rodeadas por polvo suelto sin usar. Ambos beneficios ayudan a mantener el post-procesamiento al mínimo.

Además, las máquinas de binder jetting son menos costosas que las impresoras 3D basadas en procesos SLM o DED. Una razón es que no utilizan láseres o haces de electrones costosos.

Las máquinas de metal binder jetting más nuevas también pueden usar polvos de Metal Injection Moulding (MIM). Estos son significativamente más baratos que los polvos metálicos desarrollados específicamente para impresión 3D, que típicamente se producen en bajos volúmenes, usando métodos de producción costosos como atomización de gas.

Cambiar a polvos MIM permitirá, por lo tanto, a los fabricantes reducir aún más los costos operativos para esta tecnología.

Además de materias primas más baratas, el binder jetting presume de la capacidad de imprimir piezas muy precisas con propiedades mecánicas comparables a las encontradas en componentes metálicos fabricados tradicionalmente.

Finalmente, la velocidad del proceso de metal binder jetting es típicamente más rápida que la de otros procesos de impresión 3D de metal. Todos estos beneficios combinados resultan en una tecnología muy escalable y capaz para producción.

Los últimos avances impulsando el metal binder jetting

La década de 2010 marca una nueva era para el metal binder jetting. Desde startups hasta actores más establecidos, varias empresas están activamente buscando empujar los límites de lo que es actualmente posible con la tecnología de metal binder jetting.

ExOne continúa innovando

ExOne es uno de los jugadores más antiguos en la arena del metal binder jetting. A lo largo de su historia, ExOne ha lanzado cuatro sistemas de metal binder jetting, cada uno una evolución del anterior.

Por ejemplo, en 2018 la compañía introdujo el Innovent+, marcando una nueva generación de sistemas de metal binder jetting en ExOne. Aunque el sistema es más lento que la impresora 3D M-Flex anterior de ExOne, tiene dos nuevas características importantes.

Primero, está equipado con un recubridor ultrasónico, desarrollado para mejorar la fluidez del polvo y simplificar el cambio de material. ExOne dice que el nuevo recubridor representa la tecnología de dispensación de polvo más avanzada del mercado.

El recubridor viene con cuatro configuraciones de pantalla para mayor compatibilidad de materiales. Esta característica juega en otro desarrollo clave: la máquina puede procesar polvos MIM estándar.

Otras impresoras 3D de lecho de polvo metálico, particularmente aquellas que usan un láser o un haz de electrones, requieren polvos especialmente formulados para funcionar consistentemente. Sin embargo, tales polvos son a menudo mucho más caros que los materiales para tecnologías tradicionales de procesamiento de metales.

Al permitir que el Innovent+ soporte polvos MIM, ExOne puede introducir ahorros de costos y mayor flexibilidad de material a los usuarios de sus máquinas.

Continuando con la innovación, la compañía ha escalado la tecnología detrás del Innovent+ en una impresora 3D X1 25PRO de nivel de producción. Presentada el mes pasado, la máquina puede imprimir hasta 10 materiales diferentes en su gran volumen de construcción de 400 x 250 x 250 mm.

Con este sistema, la compañía tiene como objetivo permitir la producción de componentes metálicos industriales con alta resolución, tolerancias estrictas y acabados superficiales mejorados.

Digital Metal: automatizando el metal binder jetting

Otra empresa que ha dejado su marca en el desarrollo del metal binder jetting es Digital Metal, una subsidiaria de un productor líder de polvo metálico, Höganäs Group.

Digital Metal fue fundada en 2012 y comenzó a ofrecer su tecnología de binder jetting metálico como servicio en 2013.

En 2017, Digital Metal lanzó su impresora 3D DM P2500, destinada a la producción en serie de piezas pequeñas y complejas.

La máquina funciona extendiendo una capa de polvo metálico de 0,042 mm de espesor. Un aglutinante se inyecta según la geometría de la pieza. Se informa que este proceso es preciso y repetible, permitiendo fabricar piezas muy pequeñas pero increíblemente detalladas a una resolución de 35 micras.

El proceso de sinterizado posterior resulta en una rugosidad superficial promedio de Ra 6,0 micras, lo suficientemente fina para muchas piezas de uso final y características como canales internos.

Digital Metal dice que sus impresoras 3D de metal ya han producido más de 300.000 componentes en varias industrias, incluyendo aeroespacial, bienes de lujo, herramientas dentales y equipos industriales.

Para impulsar su tecnología, Digital Metal ha lanzado un concepto de producción totalmente automatizado el año pasado.

Según este concepto, un robot manejará la mayoría de los pasos del proceso, como alimentar la impresora con cajas de construcción y luego retirarlas para post-procesamiento. El objetivo es eliminar todo el trabajo manual para facilitar la producción continua de alto volumen.

Al lanzar esta línea de producción sin intervención manual, Digital Metal ha dado un gran salto adelante con su tecnología de metal binder jetting.

Metal Jet de HP: Haciendo la impresión 3D una opción de producción competitiva en costos

Después de presentar su tecnología Multi Jet Fusion para piezas de polímero en 2016, HP introdujo la siguiente extensión de sus ofertas aditivas en 2018: su sistema de impresión 3D Metal Jet.

La nueva impresora 3D de metal funciona con tecnología binder jetting. Sin embargo, la ventaja única que HP introdujo en esta tecnología radica en su innovadora tecnología de cabezal de impresión y tinta.

Aunque la tecnología binder jetting es inherentemente rápida, HP ha aplicado su conocimiento de tecnología de cabezal de impresión para hacerla aún más rápida. El sistema Metal Jet está equipado con 6 cabezales de impresión con 5.280 boquillas cada uno. Tener estas múltiples filas de boquillas introduce mayor productividad y fiabilidad en la impresora.

Además, aprovechando su experiencia en tecnología de tinta, HP ha desarrollado un agente aglutinante innovador para hacer el proceso de sinterizado más rápido y barato.

"Con el moldeo por inyección de metal normalmente tienes más del 10 % en peso de aglutinante que tiene que quemarse. En nuestro caso, tenemos menos del 1 %, que es un orden de magnitud menos, lo que lo hace más rápido, de menor costo y mucho más simple de sinterizar", dice Tim Weber, Jefe Global de Metales de HP, hablando en una entrevista con AMFG.

Estos avances combinados resultan en una impresora 3D de metal que se dice que logra economías y eficiencias comparables a tecnologías de producción convencionales.

HP no está vendiendo la máquina todavía. En su lugar, la compañía ha lanzado un servicio de producción de piezas, buscando hacer la impresora 3D comercialmente disponible en 2020. Considerando las afirmaciones que HP ha hecho sobre Metal Jet, esta tecnología podría convertirse en la clave para desbloquear una propuesta de valor sostenible para la impresión 3D de metal en producción de alto volumen.

3DEO: Combinando binder jetting y fresado

Muchas empresas buscan hacer la impresión 3D de metal competitiva con otras técnicas de fabricación. Una de esas empresas es 3DEO, fundada en 2016 con el objetivo de permitir producción de alto volumen a través de metal binder jetting.

Para lograr esto, la empresa ha reinventado completamente el proceso. En lugar de usar inyección de tinta para depositar selectivamente el aglutinante, las máquinas de 3DEO usan un sistema de pulverización propietario para aplicar el aglutinante uniformemente en toda la capa.

El resultado es una capa dura y delgada de polvo metálico que luego se fresa usando microfresas. La operación CNC recorta la forma de la pieza para cada capa.

Esta tecnología, llamada Intelligent Layering, representa la primera instancia de combinar binder jetting y fresado CNC en un sistema híbrido. Tal combinación permite a 3DEO crear piezas metálicas pequeñas muy precisas con más del 99,5 % de densidad después del sinterizado.

La tecnología Intelligent Layering de 3DEO se ofrece actualmente solo a clientes a través del servicio de producción de la empresa. Al limitar su tecnología a su propio servicio de producción, 3DEO asegura alta calidad de piezas impresas mientras mantiene su plataforma muy flexible.

Actualmente, 3DEO está trabajando en algunos de los pedidos más grandes en la industria de impresión 3D de metal, y recientemente ganó una orden de compra para 28.000 piezas.

Aunque la empresa no planea vender sus máquinas, sus crecientes volúmenes de producción sirven como validación de la capacidad del binder jetting para entregar piezas de producción a la par con componentes fabricados convencionalmente.

Desktop Metal: Imprimiendo piezas de metal a velocidad sorprendente

La startup con sede en Boston, Desktop Metal, fue fundada en 2015 con el objetivo de cumplir la promesa de la impresión 3D para producción a escala. Para lograr esto, la empresa ha desarrollado un Production System extremadamente rápido.

La tecnología detrás de la impresora 3D de metal es lo que la compañía llama Single Pass Jetting (SPJ), una versión más rápida del proceso típico de binder jetting.

El sistema viene con dos cabezales de impresión de ancho completo, esparcidores de polvo avanzados y un sistema anti-balístico que extienden y imprimen eficazmente en un solo pase rápido por el área de construcción.

Con un volumen de construcción de 750 x 330 x 250 mm, este sistema bidireccional permite impresión de alta resolución a hasta 12.000 cm³/hr, lo que se traduce en más de 60 kg de piezas de metal por hora. Tal velocidad es órdenes de magnitud más rápida que otras impresoras 3D de metal en el mercado, lo que la hace ideal para la producción de piezas metálicas complejas a altos volúmenes.

Además, el Production System es el primer sistema de binder jet equipado con un entorno inerte industrial que cuenta con reciclaje de gas y recuperación de solvente para la impresión segura de metales reactivos. Esto abre la oportunidad de imprimir una gama más amplia de metales, por ejemplo, aluminio.

Con su Production System, Desktop Metal ha maximizado los beneficios de la tecnología de metal binder jetting añadiendo una mejora sustancial de velocidad.

Desktop Metal solo ha puesto recientemente su Production System a la venta, por lo que tomará algún tiempo ver si sus afirmaciones de velocidad de producción se demuestran. Pero si es así, el Production System se convertirá en la impresora 3D de binder jetting más rápida disponible en el mercado hoy.

Mirando al futuro

El metal binder jetting se está convirtiendo en una de las tecnologías clave de impresión 3D de metal adecuadas para producción. Lo que lo permite son las capacidades únicas de la tecnología para alcanzar altas velocidades de impresión y fabricar componentes de alta precisión.

Otro desarrollo clave impulsando el éxito del metal binder jetting es su compatibilidad con polvos MIM ya bien conocidos y relativamente baratos.

Varias empresas han reconocido el potencial revolucionario del metal binder jetting y ahora están trabajando duro para aprovechar las oportunidades que presenta.

De cara al futuro, veremos a estas empresas evolucionando el metal binder jetting aún más. En última instancia, esto ayudará a la tecnología a ganar una valiosa participación del mercado total de fabricación.

>>Más información sobre impresión 3D de metal en nuestra Guía Definitiva de Impresión 3D de Metal.