Deposición de Energía Directa (DED): Proceso, Beneficios y Limitaciones

La deposición de energía directa (DED), también conocida como deposición de energía dirigida, es un enfoque particular de la fabricación aditiva (impresión 3D). Dirige una fuente de energía a un punto en el material base para crear una pequeña cantidad de fundido y luego añade material de aporte a este fundido para depositar nuevo material sobre el componente. Detalles sobre las fuentes de energía DED disponibles, diferentes sistemas de aporte y ventajas y desventajas se explicarán a continuación.

¿Qué es la Deposición de Energía Directa (DED)?

La deposición de energía directa (o dirigida) (DED) es un método de fabricación aditiva (impresión 3D). Una fuente de energía se dirige a un punto y se introduce material de aporte en el mismo punto para que pueda depositarse sobre la pieza de trabajo. Tiene algunas similitudes con la soldadura robótica en la que un alambre metálico se funde (deposita) sobre el componente principal. Los dispositivos DED pueden usar haces de electrones, láseres o arcos eléctricos para formar el charco de fundido. El nuevo material puede venir en forma de alambre de filamento o polvo.

¿Cómo Funciona la Deposición de Energía Directa (DED)?

La deposición de energía directa funciona calentando un área específica en el componente fabricado a temperatura de fundición y luego añadiendo material de aporte. El cabezal de impresión se mueve a lo largo de la trayectoria de construcción, y el fundido se solidifica con el material de aporte habiendo sido depositado sobre el cuerpo principal.

La fuente de energía dirigida (ya sea un láser, haz de electrones o arco eléctrico) se encuentra en el centro de un cabezal de impresión, con el material de aporte adyacente a él. El material de aporte puede suministrarse en forma de alambre de filamento o polvo. El filamento se alimenta en ángulo para que se funda en el punto focal de la fuente de energía. El polvo, por otro lado, es transportado por un gas inerte a través de boquillas dispuestas concéntricamente alrededor de la fuente de energía, y dirigido al punto de fundición.

El cabezal de impresión tiene múltiples planos de movimiento. Puede estar montado en un cabezal CNC multi-eje o un brazo robótico articulado. Para más información, consulte nuestra guía sobre Tipos de Fabricación Aditiva.

¿Cuáles son las Ventajas de Usar Tecnología DED?

Hay una serie de ventajas al usar tecnología DED:

1. Volúmenes de Construcción Relativamente Grandes: Debido a que el cabezal de impresión de una máquina DED generalmente se monta en un cabezal CNC multi-eje o un brazo articulado, puede cubrir un área bastante grande comparado con otros métodos de impresión 3D (particularmente los que trabajan con metal). Las impresiones pueden exceder un metro cúbico.
2. Múltiples Materiales: Muchos materiales de aporte son compatibles con la fabricación DED. Pueden introducirse ya sea a través de una mezcla de polvo o múltiples alimentaciones de filamento. De hecho, la composición del material puede cambiarse durante la construcción.
3. Menos Desperdicio de Material: Comparado con la fusión de lecho de polvo, se necesita aplicar menos material de aporte excedente para completar la impresión.
4. Control de la Estructura de Grano: DED permite cierto control de la estructura de grano del material depositado. Ajustando la velocidad del cabezal de impresión, puede controlar el tiempo de enfriamiento.
5. Puede Usarse para Reparar: DED no se limita a crear nuevas piezas desde cero como la mayoría de procesos de impresión 3D. Las máquinas pueden depositar material directamente sobre una pieza existente también. Esto significa que DED puede usarse para reparar componentes dañados o desgastados.

¿Cuáles son las Desventajas de Usar Tecnología DED?

DED no es la solución ideal para cada caso, ya que la tecnología tiene algunas desventajas:

1. Baja Resolución: Generalmente, la tecnología DED solo es capaz de crear características a una resolución de detalle baja. Esto es una función del grosor del alambre de aporte y el tamaño del charco de fundido. La resolución también depende de la velocidad de impresión —una impresión más rápida resultará en una resolución más baja.
2. Alto Costo de Capital: Los dispositivos DED son costosos. La mayoría necesitan sistemas complejos como una cámara de impresión herméticamente sellada, sistema de vacío o gas inerte, una sala de polvo para sistemas con alimentación de polvo, etc. Son una tecnología relativamente nueva, por lo que aún no han recibido muchos refinamientos de reducción de costos.
3. Post-Procesamiento: Las piezas fabricadas con tecnología DED usualmente requieren post-procesamiento para lograr buenos acabados superficiales. Esto usualmente viene en forma de mecanizado ligero y pulido para remover depósito excedente y crear una superficie lisa y consistente.

¿Qué Materiales Pueden Usarse con DED?

DED puede imprimir con materiales variados. La mayoría de materiales usados con tecnologías DED son metales como: titanio y aleaciones de titanio, Inconel®, tantalio, tungsteno y algunas variedades de acero inoxidable.

Ciertos no metales también funcionan en máquinas DED —un tipo de fibra de carbono puede imprimirse en el que un filamento de carbono se coloca en un polímero termoplástico. Alúmina y cerámicas de circonio también funcionan bien con DED.

¿Cuáles son Aplicaciones de Ejemplo de DED?

La fabricación aditiva con metales y otros materiales da a DED la capacidad de encajar en muchas aplicaciones, algunas de las cuales no son opciones para otros métodos de impresión 3D:

1. Reparación de Piezas Existentes: El propósito principal de la tecnología DED es la reparación de piezas metálicas. El método puede depositar nuevo material en superficies complejas. Con ajustes a la velocidad y fuente de energía, también es posible controlar la estructura de grano del material depositado para que coincida con la de la pieza original. DED se usa por tanto para reparar componentes costosos como álabes de turbina.
2. Forma Casi Neta (Near Net Shape): DED puede fabricar piezas muy cercanas a sus dimensiones planificadas. Esto es muy valioso al fabricar materiales exóticos y costosos o materiales muy difíciles de cortar y mecanizar.
3. Piezas Compuestas o Híbridas: DED le da la capacidad de imprimir con diferentes materiales al mismo tiempo. Una mezcla de materiales compatibles puede ir en la pieza impresa, y su composición puede incluso variar a lo largo de la impresión.

¿Qué Factores Afectan la Calidad de Piezas DED?

La calidad de impresión de DED es crucial para la utilidad de los productos terminados. Los siguientes factores tienen influencia en la calidad:

1. Porosidad: La porosidad en el material depositado resulta en puntos débiles —los poros son esencialmente defectos internos. La porosidad debe minimizarse secando la alimentación de polvo para mantener la humedad fuera y por el uso adecuado de gas de protección.
2. Velocidad de Escaneo: La velocidad a la que el cabezal se mueve a lo largo de la trayectoria de construcción afecta el tamaño del charco de fundido, la tasa de enfriamiento y, por lo tanto, la estructura de grano. Tomados juntos, todo impacta la calidad de la pieza. La velocidad óptima dependerá del material usado y la estructura de grano deseada.
3. Potencia: La potencia proporcionada por la fuente de energía tiene un efecto directo en el fundido y está relacionada con la velocidad de escaneo. La transferencia de energía al componente debe ser suficiente para fundir adecuadamente el material base incluso mientras el cabezal de impresión DED se mueve a lo largo de la trayectoria de construcción. Si no produce suficiente potencia, la calidad de impresión no estará a la altura.

¿Cuáles son Algunos Desafíos Comunes en la Implementación de Tecnología DED?

La tecnología DED es compleja y desafiante de implementar.

1. Altos Costos de Capital: Una de las principales barreras para implementar tecnología DED es la gran inversión inicial necesaria para configurarla.
2. Falta de Técnicos Cualificados: Operadores cualificados y experimentados son necesarios para ejecutar el sistema DED eficientemente y con precisión. Dado que este es un campo en crecimiento, los técnicos cualificados son difíciles de encontrar. Puede elegir capacitar a su personal internamente en lugar de contratar gente nueva, pero esto aún no es ni rápido ni barato.
3. Nuevo Enfoque de Diseño: Al diseñar componentes para construirse usando tecnología DED, siempre debe considerar cómo se mueve el cabezal de impresión. Si no están diseñados para ello desde el principio, muchas piezas necesitarán algún rediseño antes de fabricarse con DED. Este proceso añade esfuerzo y horas de trabajo cada vez.
4. Ausencia de Estándares: La fabricación aditiva, en general, sigue siendo una tecnología relativamente nueva y nuevos enfoques tecnológicos se desarrollan cada año. Hay poca estandarización en gestión de información digital, diseño o procesos de fabricación para estos sistemas.

¿Qué Debería Considerar al Elegir Equipamiento DED?

La decisión de qué dispositivo DED comprar requiere una buena cantidad de investigación y consideración. Hay una serie de aspectos clave a investigar al elegir equipamiento DED:

1. Compatibilidad de Material: La parte más importante de la decisión es qué materiales espera que su equipamiento imprima. Una máquina que pueda imprimir cerámicas diferirá significativamente de una que solo sea para metales.
2. Volumen de construcción: Otra consideración clave es el componente más grande que espere fabricar. Esto dictará el volumen de construcción general de su equipamiento DED.
3. Precisión: Dependiendo del tipo de componentes y el post-procesamiento que planee, puede tener que elegir equipamiento basado en su precisión. Puede verse obligado a sopesar los compromisos entre una máquina más grande y rápida y una con mejor precisión.

¿Cómo se Compara DED con los Métodos de Fabricación Tradicionales?

DED es capaz de construir un componente mucho más cerca de su forma final (near net shape) que la mayoría de opciones de fabricación estándar. Por lo tanto, usa mucho menos material para lograr el artículo terminado. Los métodos de fabricación tradicionales requieren un bloque de material base que luego se talla usando métodos de fabricación sustractiva. Eliminan material para llegar a la pieza final. Esta eliminación de material genera mucho desperdicio de material como recortes y virutas. Por lo tanto, DED es más eficiente que los métodos tradicionales en términos de uso de material.

Los procesos DED también pueden generar piezas más complejas gracias al movimiento multi-eje del cabezal de impresión y la naturaleza de construir un componente progresivamente, capa a capa. Los artículos fabricados tradicionalmente son más limitados en términos de geometría. Ordinariamente, las piezas complejas deben construirse como una serie de piezas más pequeñas para ensamblarse después.

¿Cuáles son las Preocupaciones Ambientales Sobre la Tecnología DED?

Los impactos ambientales de la fabricación aditiva en su conjunto siguen bajo investigación. La preocupación ambiental más común con las tecnologías de fabricación aditiva, DED incluida, es su alta demanda energética. La elección del proceso de fabricación más eficiente (entre métodos sustractivos típicos y procesos aditivos más nuevos) depende de la complejidad y volumen de las piezas a fabricar.

¿Cuáles son los Tipos de DED?

Actualmente hay tres variaciones diferentes de tecnología DED. Están categorizadas según la fuente de energía usada para fundir el material de aporte:

1. DED Basado en Arco Eléctrico o Plasma

Se crea un arco eléctrico entre el cabezal de impresión y la pieza de trabajo. La fabricación aditiva por arco de alambre (WAAM) es uno de los principales métodos basados en arco.

2. DED Basado en Láser

Un láser óptico se usa como fuente de energía en esta variación, también conocida como conformado por ingeniería láser net (LENS). La fabricación de forma neta significa que la pieza fabricada original está muy cerca de las dimensiones finales (netas). Con LENS, la deposición de material necesita ocurrir en un entorno inerte para prevenir oxidación, lo que significa que la cámara de fabricación debe purgarse completamente con gas inerte o una alimentación de gas de protección debe fluir constantemente como una cubierta alrededor del punto de deposición.

3. DED Basado en Haz de Electrones

Un haz de electrones se usa para proporcionar la energía para fundir el aporte en el enfoque conocido como fabricación aditiva por haz de electrones (EBAM). Este proceso DED debe ocurrir en vacío para prevenir que los electrones interactúen con moléculas de aire.

¿Cuáles son los Tipos de Alimentación DED?

Cada dispositivo DED entrega material a la superficie de la pieza usando uno de dos métodos de alimentación:

1. DED Basado en Polvo

Con una alimentación de polvo, la boquilla que proporciona la fuente de energía también contiene boquillas de alimentación de material dispuestas concéntricamente alrededor de ella que dirigen polvo al punto de deposición. El flujo de gas inerte se usa para entregar el polvo, y el gas inerte actúa además para inhibir oxidación u otras reacciones químicas entre los materiales fundidos y el entorno.

2. DED Basado en Alambre

El DED basado en alambre es similar a la soldadura en que el material de aporte se proporciona como un filamento de alambre. Este alambre se alimenta en ángulo desde al lado de la fuente de energía y a una tasa constante dictada por la tasa de deposición.