Impresoras 3D Powder Bed Fusion:tipos, beneficios, límites y cómo funcionan

Cuando los fabricantes quieren fabricar piezas impresas en 3D con geometrías complejas, suelen recurrir a máquinas de fusión de lecho de polvo (PBF). Estas piezas son muy difíciles de fabricar (a veces imposibles) con los métodos de fabricación tradicionales. Aprendamos más sobre esto.

¿Qué son las máquinas de fusión en lecho de polvo (PBF)?

Las máquinas PBF son impresoras 3D que pueden crear piezas complejas, intrincadas y de alta calidad para diversas aplicaciones en muchas industrias diferentes. Funcionan derritiendo y fusionando capas de polvos metálicos o plásticos utilizando un láser o un haz de electrones para construir la pieza capa por capa a partir de un lecho de polvo. Puede fabricar piezas personalizadas con propiedades específicas, como resistencia o resistencia al calor, que satisfagan las necesidades específicas de los clientes. Puedes ver cómo se ve una de estas máquinas en la siguiente imagen.

Lo mejor del PBF es que generalmente mantiene los residuos al mínimo, ya que el exceso de polvo se recoge y se recicla una vez terminada la pieza. También hay una iteración rápida de los diseños, lo que permite a los ingenieros actualizar los diseños CAD y reimprimir piezas defectuosas. Cuando se trata de piezas complejas con geometrías internas intrincadas, el PBF es el método de impresión 3D preferido. Se puede diseñar, fabricar, probar, rediseñar y volver a imprimir una pieza completa mucho más rápido que con otros métodos como la fundición de metal o MIM. Las máquinas PBF pueden producir varias piezas simultáneamente, lo que mejora la productividad y reduce el tiempo necesario para fabricar las piezas.

PBF puede trabajar con una amplia gama de plásticos y metales, y las piezas fabricadas requieren estructuras de soporte mínimas durante la impresión; el polvo no utilizado actúa como soporte. Por ejemplo, al realizar canales de refrigeración dentro de los álabes de una turbina, el exceso de polvo se puede simplemente verter. Dicho esto, el PBF es un proceso relativamente lento con un tiempo de impresión prolongado debido a la necesidad de precalentamiento del polvo, generación de vacío y períodos de enfriamiento. Además, como se fabrican capa por capa, las propiedades estructurales de las piezas de PBF no suelen ser tan fuertes como las que se fabrican mediante otros procesos. La calidad de la superficie también dependerá del tamaño del grano del polvo y puede parecerse a procesos de fabricación como la fundición en arena y la fundición a presión. 

También deberá tener cuidado con la distorsión térmica que puede provocar la contracción y deformación de las piezas fabricadas, especialmente si están hechas de polímero. Otro inconveniente para algunos podría ser el elevado coste; Tanto el equipo como los materiales son caros. Si bien es posible encontrar sistemas de extremo a extremo por menos de $100 000, los precios generalmente comienzan en el rango de $150 000 a $200 000, y los modelos de alta gama a veces cuestan más de $1 000 000. También es un proceso que consume mucha energía. El polvo no utilizado que queda después de la impresión y se elimina en el posprocesamiento debe reciclarse de manera eficiente, aunque el precalentamiento aún puede afectar parte del material no utilizado. 

¿Cómo funcionan las máquinas de fusión en lecho de polvo (PBF)?

Los pasos del proceso de impresión 3D de PBF son los siguientes:

1. Se debe crear un modelo CAD y dividirlo en capas. La impresora 3D se programa con la secuencia de construcción antes de que comience la impresión.
2. Se extiende una capa fina y uniforme de polvo (normalmente 0,1 mm) sobre la plataforma de construcción.
3. El lecho de polvo se calienta a una temperatura ligeramente inferior al punto de fusión del material para reducir el estrés térmico.
4. Un láser de alta potencia o un haz de electrones funde selectivamente la capa de polvo según el modelo digital. El material se solidifica al enfriarse.
5. La plataforma de construcción desciende una capa de espesor y el proceso se repite hasta que la pieza está completamente formada.
6. Una vez que se completa la impresión, la pieza se retira del lecho de polvo y se pueden comenzar los pasos de posprocesamiento. 

¿Cuáles son los tipos de máquinas de fusión en lecho de polvo (PBF)?

Existen diferentes tipos de máquinas PBF que se pueden utilizar para imprimir piezas. Hay dos tipos principales de técnicas de fabricación aditiva por fusión en lecho de polvo (PBF):haz láser (PBF-LB) y haz de electrones (PBF-EB). Cada uno de estos tipos tiene tecnologías registradas asociadas a ellos. Estos son la sinterización directa por láser de metales (DMLS), la sinterización selectiva por láser (SLS), la fusión selectiva por láser (SLM) y la fusión por haz de electrones (EBM). Los procesos se distinguen por los materiales de impresión 3D utilizados y la fuente térmica utilizada para fusionar los polvos. Los métodos PBF utilizan láseres o rayos de electrones para fusionar las partículas en polvo. Cada uno de estos métodos se analiza por separado en las siguientes secciones:

1. Sinterización directa por láser de metales (DMLS)

DMLS es una técnica de fabricación aditiva de PBF que utiliza un láser de alta potencia para fusionar selectivamente polvos metálicos. El proceso es similar al SLS pero utiliza polvos metálicos en lugar de plásticos. El rayo láser funde y fusiona las partículas de metal para formar una pieza sólida capa por capa. DMLS se utiliza comúnmente en las industrias aeroespacial y médica para la producción de piezas metálicas complejas con alta precisión y propiedades mecánicas deseables.

2. Sinterización selectiva por láser (SLS)

SLS es una técnica de impresión 3D que utiliza un láser de alta potencia para fusionar selectivamente materiales poliméricos en polvo, generalmente plásticos o nailon, en objetos sólidos. Construye piezas capa por capa, y cada capa se fusiona con el láser. El material en polvo no fundido soporta la pieza durante el proceso de construcción, eliminando la necesidad de estructuras de soporte. SLS se utiliza ampliamente en la creación de prototipos, diseño de productos y producción de lotes pequeños.

3. Fusión selectiva por láser (SLM)

SLM y SLS comparten similitudes en que ambos procesos utilizan un láser de alta potencia para proporcionar calor, lo que entra en la categoría de PBF-LB. Sin embargo, SLM se diferencia en que el láser funde completamente el polvo en lugar de simplemente sinterizarlo. Esto da como resultado una pieza final más densa y fuerte. El proceso se utiliza comúnmente con polvos metálicos como el titanio y sus aleaciones, aleaciones de aluminio y acero inoxidable. Se pueden procesar metales menos comunes, como el tungsteno, pero su aplicación tiende a ser más especializada. En la cámara de construcción se emplea una atmósfera inerte, generalmente argón, para evitar la oxidación o nitruración del material consolidado. SLM se utiliza comúnmente en las industrias aeroespacial, médica y automotriz para producir piezas con propiedades mecánicas de alta calidad y geometrías complejas.

4. Fusión por haz de electrones (EBM)

EBM es otro proceso de fusión en lecho de polvo que se utiliza para crear piezas metálicas. Utiliza un rayo en lugar de un láser para fundir y fusionar polvos metálicos. A diferencia de las técnicas basadas en láser, una impresora EBM funciona como un acelerador de partículas a pequeña escala disparando electrones al lecho de polvo bajo vacío para fundir el material metálico. Los electrones cargados pueden hacer que las partículas de polvo se dispersen, por lo que cada capa de material suele sinterizarse previamente antes de que comience el proceso de impresión 3D. Además, toda la plataforma de impresión se mantiene caliente durante toda la construcción. Durante el proceso de impresión 3D, las piezas se construyen dentro de la torta de polvo semisinterizado, lo que proporciona soporte y, a menudo, elimina la necesidad de estructuras de soporte adicionales. Vale la pena señalar que existe una variación de EBM que permite sinterizar piezas dentro del polvo suelto.

La EBM se utiliza normalmente para producir piezas metálicas grandes y complejas para aplicaciones médicas y aeroespaciales. EBM ofrece velocidades de construcción más altas y menos tensión residual en las piezas que otras técnicas de PBF, pero el equipo suele ser más caro que otras máquinas.

¿Cuáles son los beneficios de utilizar máquinas de fusión en lecho de polvo (PBF) para la impresión 3D?

• Flexibles
• Tiempos de fabricación mejorados para piezas con diseños complejos
• Reducción de residuos y, a su vez, reducción de costes e impacto medioambiental
• Funciona con una variedad de materiales
• Necesita estructuras de soporte mínimas durante la impresión

¿Cuáles son las limitaciones del uso de máquinas de fusión de lecho de polvo (PBF) para la impresión 3D?

• Tiempo de impresión prolongado y proceso lento
• Propiedades estructurales débiles
• La textura de la superficie depende del tamaño del grano del polvo
• Maquinaria y pólvora caras
• Distorsión térmica
• Consume mucha energía

¿Cuál es el proceso de fabricación de la fusión en lecho de polvo (PBF)?

El proceso de fabricación de PBF implica los siguientes pasos:

1. Diseñe un archivo CAD y vincúlelo a la impresora 3D. El diseño se divide numéricamente en capas y la secuencia de impresión está predeterminada antes de que comience la impresión real. 
2. Extienda el polvo sobre una plataforma de construcción. Se distribuye uniformemente una fina capa de polvo por toda el área de construcción.
3. Calienta toda el área de construcción a una temperatura ligeramente inferior al punto de fusión de las partículas de polvo.
4. Utilice un láser de alta potencia o un haz de electrones para derretir selectivamente el polvo en áreas específicas, de acuerdo con un patrón preprogramado. El polvo derretido se solidifica a medida que se enfría y forma una capa sólida.
5. La plataforma de construcción desciende una capa de espesor y el proceso se repite hasta que se completa la pieza.
6. Una vez finalizada la impresión, las piezas se retiran del lecho de polvo. Se someten a varios pasos de posprocesamiento, como la eliminación de estructuras de soporte, tratamiento térmico, mecanizado o pulido.

¿Cómo es el proceso de posfabricación del PBF?

El posprocesamiento de piezas impresas con PBF será diferente según los diferentes materiales utilizados y los diferentes métodos utilizados para imprimir la pieza. 

Las piezas metálicas de PBF requieren tratamiento térmico debido a las tensiones internas provocadas por el proceso. Después del tratamiento térmico, se retiran las estructuras de soporte y se puede realizar un posprocesamiento adicional. Dependiendo de los requisitos del cliente, hay varias opciones de posprocesamiento disponibles, incluido el mecanizado CNC y el pulido.

Las piezas metálicas de EBM flotan libremente fuera del sustrato y están sostenidas por polvo semisinterizado durante la construcción. Se pueden agregar soportes de sacrificio para el control del calor o el posprocesamiento. Las piezas de EBM requieren separarse de la torta de polvo, pero no necesariamente requieren un paso de tratamiento térmico debido a las elevadas temperaturas dentro de la impresora.

Las piezas de plástico, por otro lado, se retiran del lecho de polvo sin fundir y el exceso de material se elimina con un granallado, lo que da como resultado un acabado superficial consistente. Las piezas de SLS se dejan como están una vez que se completa el granallado, pero son buenas candidatas para teñir adicionalmente si se desea color.

¿En qué se diferencian las máquinas PBF de otros tipos de impresoras 3D?

Las máquinas PBF se diferencian de otros tipos de impresoras 3D en varios aspectos. La diferencia más significativa es cómo construyen las piezas capa por capa utilizando materiales en polvo. Las máquinas PBF utilizan un láser de alta potencia o un haz de electrones para fusionar selectivamente polvos metálicos o plásticos, mientras que otras impresoras 3D pueden utilizar métodos de extrusión o fotopolimerización. Las máquinas PBF también son capaces de producir piezas muy complejas e intrincadas con un alto grado de precisión y exactitud. Además, las máquinas PBF son capaces de producir piezas de plástico funcionales con propiedades mecánicas excepcionales, superando las que se pueden lograr con cualquier otra tecnología de impresión 3D. Sin embargo, a menudo requieren un posprocesamiento para lograr el acabado superficial deseado y pueden tener limitaciones en términos de tamaño y geometría de las piezas que pueden producir. Es más, las máquinas PBF tienden a ser más caras y requieren conocimientos y formación más especializados para su funcionamiento.

¿Qué materiales se pueden utilizar con las máquinas PBF?

Las impresoras 3D PBF admiten una amplia gama de materiales, que se enumeran a continuación:

Plásticos

• Nylon (incluido vidrio y relleno mineral)
• Polipropileno
• Polieteretercetona (PEEK)
• Polietercetonacetona (PEKK)
• TPU

Metales

• Aluminio y aleaciones ligeras
• Aleaciones de cromo-cobalto
• Metales preciosos (oro, plata)
• Cobre y aleaciones (bronce, latón)
• Inconel®
• Acero (acero dulce, aleado e inoxidable 316 L y 17-4PH)
• Titanio y aleaciones
• Níquel y aleaciones

¿Cuáles son las aplicaciones comunes de las máquinas PBF en diferentes industrias?

• Aeroespacial (álabes de turbina, boquillas de combustible, paletas guía)
• Médico (piezas ortopédicas hechas a medida, implantes craneales/acetabulares de aleación de titanio, articulaciones artificiales de la cadera)
• Automoción (creación de prototipos, pastillas de freno con conductos de refrigeración para deportes de motor)
• Componentes de aviones militares

¿Cómo ha impactado el desarrollo de las máquinas PBF en la industria manufacturera?

El desarrollo de máquinas de fusión de lecho de polvo (PBF) ha revolucionado la industria manufacturera de diversas formas. Uno de los impactos más significativos es la mayor libertad de diseño que proporciona. Las máquinas de PBF permiten la creación de geometrías complejas e intrincadas que serían difíciles o imposibles de producir utilizando métodos de fabricación tradicionales. 

Otro impacto clave de las máquinas PBF es la creación de prototipos más rápida, lo que ha reducido significativamente el tiempo y el costo necesarios para desarrollar nuevos productos. Con la creación rápida de prototipos, los fabricantes pueden probar rápidamente sus conceptos de diseño y realizar mejoras antes de finalizar el diseño de producción. 

Las máquinas de PBF también han contribuido a reducir los residuos en la fabricación. Al utilizar solo el material necesario para crear una pieza, las máquinas PBF reducen el desperdicio y el costo de los materiales. Esto no sólo beneficia al medio ambiente sino también a los resultados de los fabricantes. En términos de eficiencia, las máquinas PBF pueden producir varias piezas simultáneamente, lo que mejora la productividad y reduce el tiempo necesario para fabricarlas. Finalmente, las máquinas PBF permiten la producción de piezas personalizadas con propiedades específicas, como resistencia, durabilidad y resistencia al calor. Esto ha llevado al desarrollo de nuevos productos con características únicas que satisfacen las necesidades específicas de los clientes. 

¿Cuánto cuestan las máquinas PBF en comparación con DED?

El coste de las máquinas PBF y DED (deposición de energía dirigida) puede variar dependiendo de varios factores como el fabricante, el modelo, el tamaño y las características. Sin embargo, en general, las máquinas PBF tienden a ser más caras que las máquinas DED. Las máquinas PBF utilizan tecnología más avanzada y son capaces de producir piezas con mayor precisión y mejor acabado superficial.

¿Qué medidas de seguridad se deben seguir al operar máquinas PBF?

Mantenerse seguro al fabricar piezas con PBF, al igual que con la mayoría de los procesos de fabricación, debería ser una prioridad. Aquí hay algunas cosas a considerar en relación con la seguridad. 

1. Las máquinas de PBF emiten humos y polvo fino; asegúrese de trabajar en un área adecuadamente ventilada para minimizar los riesgos de inhalación.
2. Use EPP, incluidos guantes, gafas de seguridad y respiradores, cuando manipule polvos y opere la máquina.
3. Evite tocar componentes calientes o piezas impresas hasta que se hayan enfriado y tenga cuidado con los bordes afilados, especialmente con impresiones metálicas.
4. Las altas temperaturas y las chispas representan un riesgo de incendio, así que mantenga un extintor cerca y retire los materiales inflamables del área.
5. Los polvos metálicos pueden ser peligrosos:manipúlelos con cuidado y utilice equipo de protección para evitar la inhalación o el contacto con la piel.
6. Las inspecciones y el mantenimiento periódicos ayudarán a prevenir fallos de funcionamiento y garantizar un funcionamiento seguro.

Postprocesamiento para PBF

Los métodos de posprocesamiento para piezas impresas con PBF varían según el material y el proceso de fabricación utilizados. Las piezas metálicas de PBF fabricadas mediante DMLS o SLM normalmente necesitan un tratamiento térmico para aliviar las tensiones internas causadas por el proceso de impresión. Después del tratamiento térmico, se eliminan las estructuras de soporte, seguido de un posprocesamiento adicional como mecanizado CNC, pulido o tratamientos superficiales. 

Las piezas metálicas fabricadas con EBM, a diferencia de los métodos PBF metálicos basados en láser, están sostenidas por una torta de polvo semisinterizada en lugar de un sustrato sólido. Deben extraerse del lecho de polvo, pero generalmente no necesitan tratamiento térmico, ya que las altas temperaturas de construcción mantienen la tensión residual al mínimo. Se pueden agregar soportes de sacrificio para el control del calor o el posprocesamiento. Las piezas de plástico SLS se retiran del lecho de polvo y se limpian para eliminar el exceso de material, a menudo mediante granallado para obtener un acabado uniforme. Estos pueden dejarse como están o teñirse para personalizar el color.

¿Cómo contribuye el PBF a la fabricación aditiva?

El PBF contribuye a la fabricación aditiva de varias maneras. En primer lugar, permite la producción de geometrías complejas que serían difíciles o imposibles de crear utilizando métodos de fabricación tradicionales. En segundo lugar, permite la creación de piezas personalizadas con propiedades específicas, como resistencia o resistencia al calor. En tercer lugar, puede producir piezas más rápidamente y con menos desperdicio que los métodos de fabricación tradicionales. Finalmente, tiene el potencial de reducir el costo de fabricación, particularmente para productos de bajo volumen y alto valor.

¿Son caras las máquinas PBF?

Sí, las máquinas PBF son bastante caras. Si bien es posible encontrar sistemas de extremo a extremo por menos de $100 000, los precios generalmente comienzan en el rango de $150 000 a $200 000. Las máquinas PBF de alta gama pueden costar más de 1.000.000 de dólares. El costo de estos sistemas depende del tamaño, las capacidades y las características de la máquina. Sin embargo, el costo de las máquinas PBF disminuye con el tiempo a medida que la tecnología se generaliza y nuevos fabricantes ingresan al mercado. Además, los posibles ahorros de costos y eficiencias obtenidos al utilizar máquinas PBF para ciertas aplicaciones pueden justificar la inversión para algunas empresas.

¿Las máquinas PBF producen soluciones de mayor calidad que las máquinas DED (deposición de energía dirigida)?

Las máquinas PBF y las máquinas DED (deposición de energía dirigida) tienen diferentes fortalezas y debilidades, por lo que es difícil hacer una declaración general sobre cuál produce soluciones de mayor calidad. Las máquinas de PBF generalmente son más adecuadas para producir piezas de alta precisión con detalles finos, mejores acabados superficiales y excelentes propiedades mecánicas. El proceso de fusión en lecho de polvo permite geometrías complejas y un control preciso sobre la distribución del material, lo que da como resultado piezas con una precisión dimensional y un acabado superficial excelentes, aunque a veces se requiere un posprocesamiento. Las máquinas PBF también pueden producir piezas en una amplia gama de materiales, incluidos metales, cerámica y plásticos.

Por otro lado, las máquinas DED son más adecuadas para producir piezas grandes con geometrías complejas, como componentes aeroespaciales o moldes industriales. Las máquinas DED suelen ser más rápidas que las máquinas PBF y pueden manejar piezas de mayor tamaño, pero es posible que no tengan el mismo nivel de precisión o acabado superficial.

Preguntas frecuentes sobre las máquinas de fusión por lecho de polvo

¿Cuál es la diferencia entre las máquinas PBF y DED?

Las máquinas PBF y las máquinas DED (deposición de energía dirigida) tienen diferentes fortalezas y debilidades, por lo que es difícil hacer una declaración general sobre cuál produce soluciones de mayor calidad. Las máquinas de PBF generalmente son más adecuadas para producir piezas de alta precisión con detalles finos, mejores acabados superficiales y excelentes propiedades mecánicas. El proceso de fusión en lecho de polvo permite geometrías complejas y un control preciso sobre la distribución del material, lo que da como resultado piezas con una precisión dimensional y un acabado superficial excelentes, aunque a veces se requiere un posprocesamiento. Las máquinas PBF también pueden producir piezas en una amplia gama de materiales, incluidos metales, cerámica y plásticos.

Por otro lado, las máquinas DED son más adecuadas para producir piezas grandes con geometrías complejas, como componentes aeroespaciales o moldes industriales. Las máquinas DED suelen ser más rápidas que las máquinas PBF y pueden manejar piezas de mayor tamaño, pero es posible que no tengan el mismo nivel de precisión o acabado superficial. El coste de las máquinas PBF y DED puede variar dependiendo de varios factores, como el fabricante, el modelo, el tamaño y las características. Sin embargo, en general, las máquinas PBF tienden a ser más caras que las máquinas DED. Las máquinas PBF utilizan tecnología más avanzada y son capaces de producir piezas con mayor precisión y mejor acabado superficial.

¿En qué se diferencian las máquinas PBF de otros tipos de impresoras 3D?

Las máquinas PBF se diferencian de otros tipos de impresoras 3D en varios aspectos, el principal es que construyen piezas capa por capa utilizando materiales en polvo en lugar de filamentos o resina. Mientras que las máquinas PBF utilizan un láser de alta potencia o un haz de electrones para fusionar selectivamente el material, otras impresoras 3D pueden utilizar métodos de extrusión o fotopolimerización. Las máquinas PBF son más precisas y pueden fabricar piezas de plástico funcionales con excelentes propiedades mecánicas, mejores que cualquier otra tecnología de impresión 3D. Sin embargo, a menudo requieren un posprocesamiento para lograr el acabado superficial deseado y pueden tener limitaciones en términos de tamaño y geometría. Las máquinas PBF también tienden a ser más caras y requieren conocimientos y capacitación más especializados para operar.

¿Cuál es el mejor material para usar con las máquinas PBF?

Esto dependerá de lo que necesites hacer y de otros factores, como tu presupuesto. Cada material tiene sus propiedades, fortalezas y debilidades únicas que pueden afectar el proceso de impresión. Los metales necesitan altas temperaturas y energía para fundir y solidificar el material, lo que puede aumentar el tiempo y el costo de impresión. Los polímeros requieren temperaturas más bajas y menos energía que los metales, lo que podría significar tiempos de impresión más rápidos y menores costos. Pero vale la pena señalar que los polímeros podrían tener propiedades mecánicas de menor calidad que los metales y pueden ser más susceptibles a la deformación y la deformación. Nuevamente, el mejor material para tu proyecto se basará en las propiedades que necesitas y cuánto tienes para gastar.

¿Por qué el PBF es bueno para la creación de prototipos?

Las máquinas PBF permiten crear prototipos más rápido, lo que reduce significativamente el tiempo y el costo necesarios para desarrollar nuevos productos. Con la creación rápida de prototipos, los fabricantes pueden probar rápidamente sus conceptos de diseño y realizar mejoras antes de finalizar el diseño de producción.

Kat de Naoum

Kat de Naoum es una escritora, autora, editora y especialista en contenido del Reino Unido con más de 20 años de experiencia en escritura. Kat tiene experiencia escribiendo para una variedad de organizaciones técnicas y de fabricación y ama el mundo de la ingeniería. Además de escribir, Kat fue asistente legal durante casi 10 años, siete de los cuales estuvieron en finanzas navales. Ha escrito para muchas publicaciones, tanto impresas como en línea. Kat tiene una licenciatura en literatura y filosofía inglesas y una maestría en escritura creativa de la Universidad de Kingston.

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