Una guía para la impresión 3D con titanio

Con los beneficios de reducir el desperdicio de material y la capacidad de crear diseños livianos, la impresión 3D de titanio está encontrando su nicho en muchas industrias.

El titanio tiene excelentes propiedades de material, pero su alto costo históricamente ha limitado su uso a aplicaciones de alto valor en la industria aeroespacial. Ahora que la impresión 3D de metal se está reconociendo cada vez más como un método de fabricación viable, la tecnología está haciendo que el titanio esté más disponible para industrias como la médica, la automotriz y los deportes de motor.

La publicación de hoy analiza qué hace que el titanio sea una buena opción para la impresión 3D, las tecnologías que respaldan el material y las aplicaciones industriales clave.

Las propiedades únicas del titanio

Sector Propiedades Aplicaciones Aeroespacial Resistencia a la corrosión
Alta relación resistencia-peso
Resistencia a altas temperaturas Estructura del avión y estructuras de alas
Partes más pequeñas como palas de compresor, rotores y otros componentes de motores de turbina Médica Excelente resistencia
Biocompatibilidad (no tóxico , no alergénico) Dispositivos ortopédicos como implantes de columna, cadera y rodilla. Automoción y deportes de motor Resistencia a la corrosión
Alta relación resistencia-peso
Resistencia a altas temperaturas Pinzas de freno, soportes, llantas, montantes.

Piense fuerte, ligero y resistente a la corrosión, y tendrá la esencia de lo que hace que el titanio sea un material tan codiciado. El titanio es conocido por sus excelentes propiedades de material, tan fuerte como el acero pero con solo el 60% de su densidad.

La alta relación fuerza-densidad, buena resistencia a la corrosión y resistencia química del titanio lo hacen particularmente deseable para Industrias de alto rendimiento como la aeroespacial y la defensa.

Aquí, las aleaciones de titanio se utilizan en aplicaciones que requieren piezas ligeras capaces de conservar sus propiedades mecánicas a altas temperaturas.

El titanio también se utiliza conocido por su biocompatibilidad, lo que lo convierte en una opción ideal para aplicaciones médicas, como implantes.

Sin embargo, aunque el titanio ofrece una variedad de beneficios, sigue siendo un material relativamente caro. Esto se debe a que el metal se extrae en cantidades relativamente pequeñas y el procesamiento del titanio en bruto sigue siendo una tarea compleja, lo que hace que el material sea considerablemente más caro que los metales alternativos como el acero.

¿Qué hace que el titanio sea adecuado para la impresión 3D?

El titanio puede ser un metal difícil de trabajar, especialmente cuando se trata de mecanizado. Por un lado, el titanio tiene una conductividad térmica baja. Esto significa que cuando se mecaniza, por ejemplo, con una máquina CNC, el calor generado se almacena en la herramienta CNC, lo que podría hacer que la herramienta se desgaste rápidamente.

Además, dado que el mecanizado implica el corte y la eliminación de material, el proceso puede generar una gran cantidad de desperdicio de material. Como resultado, muchas empresas están buscando mejores alternativas para producir piezas de titanio.

La impresión 3D de metales está demostrando ser una alternativa viable.

Con la impresión 3D de metal, el grado de titanio más utilizado es la aleación, Ti6Al4V (Ti64). Además de Ti64, también es posible imprimir en 3D con titanio puro.

Los beneficios de la impresión 3D con titanio

La impresión 3D de titanio ofrece muchos beneficios.

Para aplicaciones aeroespaciales, el uso de titanio para imprimir piezas en 3D a menudo ayuda a reducir la relación entre compra y vuelo. El término, que proviene de la industria aeroespacial, se refiere a la correlación entre el peso de la cantidad de material comprado originalmente y el peso de la pieza terminada.

En la fabricación convencional, por ejemplo, los componentes de titanio para aviones pueden tener una relación de compra / venta de entre 12:1 y 25:1. Esto significa que se requieren 12-25 kg de materia prima para producir 1 kg de piezas. En este escenario, hasta el 90% del material se mecaniza.

La impresión 3D de metal puede reducir esta proporción para los componentes de titanio entre 3:1 y 12:1. Esto se debe a que las impresoras 3D de metal generalmente usan solo la cantidad necesaria de material necesario para crear una pieza, generando solo un pequeño desperdicio de las estructuras de soporte. Para un material costoso como el titanio, los ahorros de costos de esta relación reducida de compra-venta pueden ser bastante significativos.

La fabricación aditiva también puede mejorar las propiedades de peso ligero del titanio gracias a la optimización de la topología. Mediante el uso de software de optimización de topología, los ingenieros establecen ciertos requisitos, como restricciones de carga y rigidez, y luego dejan que la herramienta de software optimice el diseño inicial para cumplir con esos requisitos. A través de esta optimización, cualquier material innecesario se elimina del diseño, creando un componente más ligero pero resistente.

Los diseños topológicamente optimizados a menudo solo pueden fabricarse con la ayuda de tecnologías de fabricación aditiva. Este beneficio es particularmente valorado por la industria aeroespacial, donde las piezas ligeras de titanio impresas en 3D pueden generar ahorros de peso y un mejor rendimiento de la aeronave.

¿Qué tecnologías son compatibles con el titanio?

Los tres métodos de impresión 3D de metal más utilizados para crear piezas de titanio son la deposición de energía directa (DED), la fusión por haz de electrones (EBM) y la fusión selectiva por láser (SLM).

Deposición directa de energía

Los primeros esfuerzos para imprimir titanio en 3D comenzaron en 1997 en Aeromet Corporation, que utilizó tecnología DED para producir piezas para la industria aeroespacial.

En DED, se utiliza una fuente de energía de alta intensidad, como un láser o un rayo, para fundir el polvo de titanio (o alambre) a medida que se deposita a través de una boquilla sobre el sustrato. El beneficio clave aquí es la capacidad de crear piezas grandes a una tasa de deposición de material relativamente alta (hasta 320 cc / h).

Hoy en día, existen muchas variaciones de la tecnología DED, incluida la Fabricación aditiva por haz de electrones (EBAM) y la Fabricación aditiva por arco de alambre (WAAM) de Sciaky.

Fusión por haz de electrones

La empresa sueca Arcam ha estado desarrollando su tecnología EBM para permitir implantes de titanio impresos en 3D y componentes aeroespaciales. En EBM, se aplica un haz de electrones a una capa de polvo metálico, fundiéndolo y fusionándolo con la capa anterior.

EBM se considera más preciso que DED y adecuado para piezas más pequeñas y complejas. En particular, el proceso de EBM se lleva a cabo al vacío y a alta temperatura. Esto da como resultado tensiones residuales mínimas en las piezas impresas en 3D, lo que también significa que las piezas no requieren un tratamiento térmico posterior.

En 2013, Arcam lanzó dos máquinas AM, Arcam Q10 y Arcam Q20, dirigidas a las industrias de implantes ortopédicos y aeroespacial, respectivamente. La Arcam Q20 está especialmente diseñada para trabajar con la aleación Ti6Al4V.

Arcam también ha lanzado la impresora 3D Arcam Spectra H, que es capaz de imprimir nuevas aleaciones de titanio propensas a agrietarse, como el aluminuro de titanio.

Fusión selectiva por láser

Como EBM, SLM es un proceso de fusión de lecho de polvo, aunque utiliza un rayo láser en lugar de un rayo de electrones para fundir y fusionar las capas de polvo metálico. El grosor de una capa en el proceso SLM puede ser tan delgado como 20 micrones, lo que hace que esta tecnología sea mucho más precisa en comparación con DED y EBM.

Aplicaciones de la impresión 3D de titanio

La industria aeroespacial domina las aplicaciones clave de la impresión 3D de titanio. Dicho esto, otras industrias como la médica, los deportes de motor, la química y la marina también están comenzando a investigar la tecnología para producir componentes de titanio.

Aeroespacial

Para las empresas aeroespaciales, la impresión 3D de titanio ayuda a reducir el peso de estructuras muy cargadas, lo que la hace extremadamente adecuada para motores a reacción, turbinas de gas y muchos componentes de la estructura de avión.

Muchas de las mayores empresas aeroespaciales están incorporando piezas de titanio impresas en 3D en sus aviones.

Liebherr-Aerospace &Transportation SAS

Por ejemplo, el proveedor aeroespacial, Liebherr-Aerospace &Transportation SAS, comenzó la producción en serie de soportes de tren de aterrizaje de punta de titanio impresos en 3D para el Airbus A350 XWB a principios de este año. Estos soportes serán las primeras piezas de Airbus que se producirán con titanio impreso en 3D.

Boeing y Norsk Titanium

Boeing también ha apostado por la impresión 3D de titanio. Desde 2015, Boeing se ha asociado con la empresa noruega de impresión 3D de metales, Norsk Titanium, para producir grandes componentes estructurales de titanio para el 787 Dreamliner. En 2017, calificaron por la FAA la pieza de titanio sin nombre, fabricada con la ayuda de la tecnología patentada Rapid Plasma Deposition (RPD) de Norsk.

Basado en el proceso DED, RDP usa alambre de titanio con sopletes de plasma para imprimir grandes componentes estructurales de titanio. Según se informa, la tecnología es 50-100 veces más rápida que los sistemas basados ​​en polvo y utiliza un 25-50% menos de titanio que los procesos de forja. Los plazos de entrega acelerados y la reducción del desperdicio de material podrían ahorrarle a Boeing hasta $ 3 millones por avión.

Actualmente, la impresión 3D de titanio se está explorando principalmente para componentes de aviones más pequeños, como soportes y carcasas. En el futuro, sin embargo, su uso puede expandirse a componentes estructurales mucho más grandes, impulsado por los ahorros en peso, costo y tiempo de desarrollo.

Médico

La no toxicidad, la alta resistencia y la resistencia a la corrosión del titanio lo convierten en un material atractivo para implantes ortopédicos y dentales.

Cuando se usa con impresión 3D, los fabricantes de dispositivos médicos pueden crear implantes con estructuras porosas complejas. Sorprendentemente, 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.

Implantes espinales de titanio de Osseus

Una empresa que desarrolla estos dispositivos es Osseus Fusion System, con sede en EE. UU. Sus implantes espinales de titanio impresos en 3D, llamados dispositivos de fusión intercorporal Aries-L, cuentan con una malla multieje patentada y una topología de micro-superficies optimizadas, que permiten que los huesos se fusionen más rápido. Para hacer posibles características tan complejas, Osseus imprime sus dispositivos Aries en una impresora SLM 3D validada por la FDA.

El uso de la impresión 3D de titanio para dispositivos ortopédicos, como implantes de columna, cadera y rodilla, va en aumento. Para 2020, las aplicaciones médicas del titanio impreso en 3D representarán alrededor de 274.000 kg de titanio, según un informe reciente de Smartech. Esto establece una perspectiva muy positiva para la impresión 3D de titanio en la industria médica.

Automoción y deportes de motor

Pinza de freno de titanio de Bugatti

En comparación con la industria aeroespacial y médica, la industria automotriz no ha sido tan rápida en adoptar la impresión 3D de titanio. Aunque se aplican los mismos beneficios, el mercado automotriz de consumo es muy consciente de los costos, lo que limita el uso de este material costoso en la mayoría de los vehículos.

Actualmente, las piezas de titanio impresas en 3D se pueden encontrar en autos de carreras y vehículos de lujo donde el peso y el rendimiento son factores importantes.

Uno de los ejemplos más destacados del uso de la impresión 3D de titanio en la automoción es la pinza de freno de Bugatti, desarrollada para su superdeportivo Bugatti Chiron.

Una parte esencial del sistema de frenado, la pinza de freno mide 41 x 21 x 13,6 cm y se imprimió en 3D en 45 horas utilizando tecnología SLM. Se dice que la pieza terminada es alrededor de un 40% más liviana que una alternativa de aluminio mecanizado.

El año pasado, la compañía probó con éxito la pinza de freno, demostrando que puede cumplir con requisitos extremos de resistencia, rigidez y temperatura.

Además de la pinza de freno, Bugatti ha utilizado la impresión 3D de titanio en la producción de un soporte de spoiler activo. En asociación con Siemens, la pieza se optimizó para reducir el peso sin dejar de ofrecer resistencia, lo que resultó en un ahorro de peso del 53% y una mayor rigidez.

Ruedas de titanio impresas en 3D de HRE

El fabricante estadounidense de llantas, HRE, es otra empresa que se beneficia de la impresión 3D de titanio. El objetivo principal de HRE era reducir la cantidad de material desperdiciado al producir llantas.

Usando la tecnología EBM, HRE imprimió en 3D una llanta de rueda de forma compleja y logró una reducción de peso del 19% en el proceso.

Con los métodos de producción tradicionales para esta aplicación, el desperdicio de material generado puede llegar hasta el 80%. Con la impresión 3D, HRE dice que el material desperdiciado no excede el 5%.

HRE considera la llanta más una vitrina tecnológica que un producto comercial. Dicho esto, el proyecto ofrece una idea de lo que podría deparar el futuro del diseño y la fabricación de ruedas.

Impresión 3D de titanio y deportes de motor

En los deportes de motor, la impresión 3D de titanio juega "un papel estratégico crítico" en la producción de vehículos más ligeros y de alto rendimiento, incluidos los de carreras.

Un ejemplo proviene del equipo Oxford Brookes Formula Student. En asociación con el Centro de Tecnología de Fabricación (MTC) del Reino Unido, el equipo rediseñó los montantes del vehículo y los fabricó utilizando la tecnología EBM. Gracias a este proceso, el equipo logró un 50% de ahorro de peso.

Los desafíos de la impresión 3D de titanio

A pesar de las ventajas de la impresión 3D de titanio, hay algunos desafíos que deben tenerse en cuenta.

Primero está la necesidad de desarrollar estándares para el uso de titanio con tecnologías aditivas. Algunas empresas ya están dando pasos en esta dirección. En 2018, Boeing y Oerlikon firmaron una asociación de cinco años centrada en estandarizar la impresión 3D de titanio y garantizar que los componentes impresos cumplan con los requisitos de vuelo de la FAA y el DoD.

El segundo desafío radica en el alto costo de los polvos de titanio. Por ejemplo, el costo del polvo de titanio optimizado para impresión 3D oscila entre $ 300 y $ 600.

Para reducir el costo real del material por kilogramo de titanio, algunos productores de polvo han desarrollado métodos alternativos de producción de polvo. La canadiense PyroGenesis, por ejemplo, está utilizando su sistema de atomización por plasma NexGen ™, que produce polvo metálico, incluido el titanio, a más de 25 kg / h. Las tasas de producción más altas permiten a la empresa producir titanio a precios competitivos más bajos.

La empresa con sede en el Reino Unido, Metalysis, ha desarrollado otro método de producción de polvo que podría reducir los precios del titanio. El método emplea una forma de electrólisis para transformar el óxido de titanio en bruto en polvo de titanio. Los beneficios clave de esta tecnología radican en su respeto al medio ambiente y bajo costo en comparación con los métodos tradicionales de producción de polvo.

En septiembre de 2018, Metalysis inició la producción comercial de polvos de titanio, además de otras aleaciones, buscando entregar entre 10 y 100 toneladas de polvos metálicos por año.

Si los nuevos métodos de fabricación de polvo de titanio son capaces de ofrecer su potencial, el precio medio de un kg de titanio podría reducirse en un 17% para 2024, según SmarTech Analysis.

Impresión 3D de titanio:una combinación ganadora

La impresión 3D de titanio se ha convertido en una tecnología valiosa en la industria aeroespacial, médica y automotriz. La razón clave de esto es la combinación ganadora de las excelentes propiedades del titanio y la capacidad de la impresión 3D para reducir el desperdicio y crear diseños complejos y livianos.

En el futuro, a medida que el costo del titanio baje y se descubran más aplicaciones, la impresión 3D de titanio se convertirá en una excelente alternativa de fabricación para una gama mucho más amplia de industrias.