Producción de piezas metálicas 3D: Fundición a cera perdida vs Sinterizado láser directo (DMLS)

El mundo de la fabricación de prototipos en aleaciones metálicas y la fabricación de series cortas ha avanzado mucho gracias a la tecnología de impresión 3D. Sin embargo, hay técnicas tradicionales que no han desaparecido, sino evolucionado.

Es el caso de la fabricación a cera perdida, técnica milenaria que evolucionó desde tener que hacer una cera original de forma más o menos artesanal, hasta hacer moldes de cera ligera y poder fabricar series cortas, hasta finalmente poder fabricar piezas en impresoras 3D de resina, como Form 2 y resina Castable, o impresoras 3D FDM con materiales especializados para cera perdida (MoldLay) que han revolucionado el mercado como PolyCast, gracias a su alta precisión y excelente acabado superficial.

Vídeo 1: Fabricación de piezas por cera perdida usando PolyCast. Fuente: Polymaker

Volviendo a los inicios de la impresión 3D, encontramos el PLA, material barato usado por casi todas las impresoras 3D, incluidas las domésticas, capaz de fabricar la pieza original que luego se inserta en una masa de arena y aglutinante para formar un molde al calentarse en horno.

Hace unos años (2015), cuando esta técnica no era de uso común, ennomotive, una plataforma de innovación con comunidad global de ingenieros, les pidió, a petición de un cliente, que propusieran una solución innovadora, más rápida y barata, para fabricar sus prototipos en aleaciones de titanio para el mundo de la aviación, y si era posible, también fabricar series cortas, totalmente funcionales, sin el coste económico y tiempo que conlleva el proceso tradicional de fabricación de moldes metálicos para inyección o fundición.

En ese momento, uno de los ingenieros de la comunidad, de la Franja de Gaza, que había desarrollado sus estudios de ingeniería en EE. UU. y cuyo proyecto final versó sobre esta técnica de impresión 3D en PLA y fabricación con método de cera perdida la propuso como solución. Conocía bien sus virtudes.

El cliente, incrédulo ante una solución que le ahorraba meses y miles de euros, y que no era usada ni propuesta por ninguno de los miles de ingenieros de la empresa, comentó: "¿La pieza así fabricada cumple los estrictos estándares de la normativa aérea?". La respuesta fue devastadora: "Sí, y además hay quienes empiezan a usarla, y podemos ponerte en contacto con quien la puede fabricar, tardará 3 días más en transporte".

En ese momento las impresoras 3D que podían fabricar piezas metálicas aún lo hacían con pocas aleaciones, no lograban los acabados necesarios ni las mismas especificaciones técnicas de una pieza hecha por moldeo (y centrifugado, o vacío si necesario), aparte de ser lentas y caras.

Pero la tecnología sigue su evolución, y las propiedades técnicas de las piezas fabricadas han mejorado, así como su coste y el número de aleaciones disponibles. Sin embargo, la tecnología de cera perdida sigue plenamente vigente y evolucionando basada en impresión 3D FDM, así que aunque la tecnología DMLS ha avanzado mucho, ¿cuál sería ahora la recomendación de los ingenieros de la comunidad si volvieran a preguntar en ennomotive.com?

Pues la respuesta es que varía, y mucho, según la pieza, requisitos técnicos, dimensionales, materiales, etc., y bien podría ocurrir que la evolución de métodos de fabricación lleve a algunos ingenieros a recomendar: "Modificar el diseño" o "Cambiar materiales", como hicieron la primera vez, preguntando por qué esa pieza se hacía en aleación de titanio y no en algún tipo de resina que pudiera cumplir las especificaciones técnicas demandadas.

Por eso hay una serie de recomendaciones al elegir tecnología de fabricación, pero es el ojo experto del ingeniero diseñador, que conoce bien estas técnicas (y ojo porque mejoran cada día) lo que puede lograr la mejor combinación calidad/coste.

• Actualmente ambas técnicas logran acabados superficiales muy similares, destacando una u otra según la calidad del proceso y el material. Por ejemplo, hay impresoras DMLS que ofrecen gran calidad superficial pero también hay filamentos para impresión 3D FDM (PolyCast) que logran acabado completamente liso.
• En cuanto a precisión geométrica el debate está bastante igualado, siendo cierto que con tecnología DMLS se logran piezas finales con precisión de 0,1 mm ± 0,3 %.
• En tamaños, piezas grandes se pueden imprimir en cera perdida, de 2 m por ejemplo, mientras que con DMLS suelen ser más pequeñas, aunque luego pueden unirse, alcanzando el tamaño necesario.
• Donde la cera perdida lleva ventaja, es posible elegir el material deseado sin límites, mientras que el catálogo de materiales para DMLS, aunque aumenta, es limitado.
• En cambio, la tecnología DMLS permite formas geométricas más complejas (ej. estructuras internas) y paredes más finas, lo que no permite la cera perdida, que admite geometrías complejas pero con límite.
• DMLS permite imprimir diferentes componentes a la vez, integrados en la misma pieza (aunque esto no era así antes).
• Pero si se prima velocidad y coste, fundamental para la industria, de momento es favorable a cera perdida, por eso sigue muy usada en industria aeronáutica; aunque el rápido avance de DMLS la acerca y cada día se usa más en la industria.

Así que en la pieza mencionada arriba, como su geometría no era demasiado complicada y el material era una aleación especial, para producción de series cortas, probablemente se optaría de nuevo por la cera perdida, especialmente ahora que hay materiales para impresión 3D FDM como PolyCast, filamento desarrollado exclusivamente para fabricación por cera perdida. Aunque para cuando leas este artículo, las tornas pueden haber cambiado. ¿Volveremos a preguntar a la comunidad de ingenieros? ¿O estaremos al día de lo último en impresión 3D?

El desarrollo de materiales y tecnologías es tan rápido que hacen que una solución aceptada como válida hoy, quede obsoleta en menos de 5 años. El frenético ritmo de avances en fabricación aditiva es imparable.

Artículo en colaboración con ennomotive.