Deposición directa de energía (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 del material de origen para producir una pequeña cantidad de masa fundida y luego agrega material de alimentación a esta masa fundida para depositar material nuevo en el componente. A continuación se explicarán los detalles sobre las fuentes de energía DED disponibles, los diferentes sistemas de alimentación y las ventajas y desventajas.

¿Qué es la deposición directa de energía (DED)?

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

¿Cómo funciona la deposición directa de energía (DED)?

La deposición directa de energía funciona calentando un área específica del componente fabricado hasta la temperatura de fusión y luego agregando material de alimentación. El cabezal de impresión se mueve a lo largo de la trayectoria de construcción y luego la masa fundida se solidifica con el material de alimentación depositado en el cuerpo principal. 

La fuente de energía dirigida (ya sea un láser, un haz de electrones o un arco eléctrico) se encuentra en el centro de un cabezal de impresión, con el material de alimentación adyacente a ella. El material de alimentación se puede suministrar en forma de filamento de alambre o de polvo. El filamento se alimenta en ángulo para que se funda en el punto focal de la fuente de energía. El polvo, por el contrario, se transporta mediante un gas inerte a través de boquillas dispuestas concéntricamente respecto a la fuente de energía y dirigidas al punto de fusión.

El cabezal de impresión tiene múltiples planos de movimiento. Puede montarse en un cabezal CNC de múltiples ejes o en un brazo robótico articulado. Para obtener más información, consulta nuestra guía sobre Tipos de Fabricación Aditiva.

¿Cuáles son las ventajas de utilizar la tecnología DED?

Hay una serie de ventajas al utilizar la tecnología DED:

1. Volúmenes de compilación relativamente grandes: Debido a que el cabezal de impresión de una máquina DED generalmente está montado en un cabezal CNC de múltiples ejes o en un brazo articulado, puede cubrir un área bastante grande en comparación con otros métodos de impresión 3D (particularmente aquellos que trabajan con metal). Las impresiones pueden superar el metro cúbico. 
2. Múltiples materiales: Muchas materias primas son compatibles con la fabricación de DED. Se pueden introducir a través de una mezcla de polvo o de múltiples alimentaciones de filamentos. De hecho, la composición del material se puede cambiar durante la construcción.
3. Menos desperdicio de materiales: En comparación con la fusión en lecho de polvo, es necesario aplicar menos exceso de material de alimentación para completar la impresión.
4. Control de la Estructura del Grano: DED permite cierto control de la estructura granular del material depositado. Al ajustar la velocidad del cabezal de impresión, puede controlar el tiempo de enfriamiento.
5. Se puede utilizar para reparar: DED no se limita a crear piezas nuevas desde cero como la mayoría de los procesos de impresión 3D. Las máquinas también pueden depositar material directamente sobre una pieza existente. Esto significa que DED se puede utilizar para reparar componentes dañados o desgastados.

¿Cuáles son las desventajas de utilizar la tecnología DED?

DED no es la solución ideal para todos los casos, ya que la tecnología tiene algunas desventajas:

1. Baja resolución: Generalmente, la tecnología DED sólo es capaz de crear funciones con una resolución de detalle baja. Esto es función del espesor del alambre de alimentación y del tamaño del baño de fusión. La resolución también depende de la velocidad de impresión:una impresión más rápida dará como resultado una resolución más baja.
2. Alto costo de capital: Los dispositivos DED son caros. La mayoría necesita sistemas complejos como una cámara de impresión herméticamente sellada, un sistema de vacío o de gas inerte, un cuarto de polvo para sistemas con alimentación de polvo, etc. Son una tecnología relativamente nueva, por lo que aún no han recibido muchas mejoras para reducir costos. 
3. Postprocesamiento: Las piezas fabricadas con tecnología DED suelen requerir un posprocesamiento para lograr acabados superficiales agradables. Por lo general, esto se realiza mediante un ligero mecanizado y pulido para eliminar el exceso de deposición y crear una superficie suave y consistente.

¿Qué materiales se pueden utilizar con EOS?

DED puede imprimir con materiales variados. La mayoría de los materiales utilizados con las 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 las máquinas DED:se puede imprimir un tipo de fibra de carbono en la que se coloca un filamento de carbono en un polímero termoplástico. Las cerámicas de alúmina y circonio también funcionan bien con la DED.

¿Cuáles son ejemplos de aplicaciones de DED?

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

1. Reparación de piezas existentes: El objetivo principal de la tecnología DED es la reparación de piezas metálicas. El método puede depositar material nuevo en superficies complejas. Con ajustes en la velocidad y la fuente de energía, también es posible controlar la estructura de grano del material depositado para que coincida con la de la pieza original. Por lo tanto, el DED se utiliza para reparar componentes costosos como, por ejemplo, álabes de turbinas.
2. Forma casi neta: DED puede fabricar piezas que se acerquen mucho a las dimensiones previstas. Esto es muy valioso cuando se fabrican materiales exóticos y costosos o materiales que son muy difíciles de cortar y mecanizar.
3. Piezas compuestas o híbridas: DED le brinda la posibilidad de imprimir con diferentes materiales al mismo tiempo. El artículo impreso puede incluir una mezcla de materiales compatibles y su composición puede incluso variar a lo largo de la impresión.

¿Qué factores afectan la calidad de las piezas DED?

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

1. Porosidad: La porosidad del material depositado produce puntos débiles:los poros son esencialmente defectos internos. La porosidad debe minimizarse secando el alimento en polvo para evitar la entrada de humedad y mediante el uso adecuado de gas protector.
2. Velocidad de escaneo: La velocidad a la que se mueve el cabezal a lo largo del camino de construcción afecta el tamaño del baño de fusión, la velocidad de enfriamiento y, por lo tanto, la estructura del grano. En conjunto, todo afecta la calidad de la pieza. La velocidad óptima dependerá del material utilizado y de la estructura de grano deseada.
3. Poder: La potencia proporcionada por la fuente de energía tiene un efecto directo sobre la masa fundida y está relacionada con la velocidad de barrido. La transferencia de energía al componente debe ser suficiente para fundir adecuadamente el material anfitrión incluso cuando el cabezal de impresión DED se mueve a lo largo de la ruta de construcción. Si no genera suficiente energía, la calidad de impresión no será la adecuada. 

¿Cuáles son algunos desafíos comunes en la implementación de la tecnología DED?

La tecnología DED es compleja y difícil de implementar. 

1. Altos costos de capital: Una de las principales barreras para implementar la tecnología DED es la gran inversión inicial necesaria para implementarla. 
2. Falta de técnicos calificados: Se necesitan operadores capacitados y experimentados para ejecutar el sistema DED de manera eficiente y precisa. Dado que se trata de un campo en crecimiento, es difícil encontrar técnicos cualificados. Puede optar por capacitar a su personal internamente en lugar de contratar gente nueva, pero aun así esto no es ni rápido ni barato. 
3. Nuevo enfoque de diseño: Al diseñar componentes que se construirán utilizando tecnología DED, siempre se debe considerar cómo se mueve el cabezal de impresión. Si no están diseñadas para ello desde el principio, muchas piezas necesitarán algún rediseño antes de fabricarse con DED. Este proceso suma esfuerzo y horas de trabajo cada vez.
4. Ausencia de estándares: La fabricación aditiva, en general, sigue siendo una tecnología relativamente nueva y cada año se desarrollan nuevos enfoques tecnológicos. Existe poca estandarización en los procesos de gestión, diseño o fabricación de información digital para estos sistemas.

¿Qué debe considerar al elegir un equipo DED?

La decisión sobre qué dispositivo DED comprar requiere bastante investigación y consideración. Hay una serie de aspectos clave a investigar al elegir un equipo DED:

1. Compatibilidad de materiales: La parte más importante de la decisión es qué materiales espera que imprima su equipo. Una máquina que puede imprimir cerámica será significativamente diferente de una que sólo está diseñada para metales. 
2. Volumen de compilación: Otra consideración clave es el componente más grande que espera fabricar. Esto determinará el volumen de construcción general de su equipo DED. 
3. Precisión: Dependiendo del tipo de componentes y del posprocesamiento que esté planeando, es posible que deba elegir el equipo en función de su precisión. Es posible que se vea obligado a sopesar las ventajas y desventajas entre una máquina más grande y más rápida y una con mayor precisión. 

¿Cómo se compara el DED con los métodos de fabricación tradicionales?

DED puede construir un componente mucho más cerca de su forma final (forma casi neta) que la mayoría de las opciones de fabricación estándar. Por lo tanto, se utiliza mucho menos material para lograr el artículo terminado. Los métodos de fabricación tradicionales requieren un bloque de material de origen que luego se talla mediante métodos de fabricación sustractivos. Retiran material para llegar a la parte final. Esta retirada de material genera gran cantidad de residuos de material en forma de 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 multieje del cabezal de impresión y a la naturaleza de construir un componente de forma progresiva, capa a capa. Los artículos fabricados tradicionalmente son más limitados en términos de geometría. Normalmente, las piezas complejas deben construirse como una serie de piezas más pequeñas que se ensamblarán después del hecho. 

¿Cuáles son las preocupaciones ambientales sobre la tecnología DED?

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

¿Cuáles son los tipos de EOS?

Actualmente existen tres variaciones diferentes de la tecnología DED. Se clasifican según la fuente de energía utilizada para fundir el material de alimentación:

1. DED por plasma o arco eléctrico

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

2. DED basado en láser

En esta variación se utiliza un láser óptico como fuente de energía, también conocido como conformación de red de ingeniería láser (LENS). La fabricación en forma neta significa que la pieza fabricada original está muy cerca de las dimensiones (netas) terminadas. Con LENS, la deposición del material debe ocurrir en un ambiente inerte para evitar la oxidación, lo que significa que la cámara de fabricación debe purgarse completamente con gas inerte o una alimentación de gas protector debe fluir constantemente como una cubierta alrededor del punto de deposición.

3. DED basado en haz de electrones

Se utiliza un haz de electrones para proporcionar la energía necesaria para fundir la alimentación en el enfoque conocido como fabricación aditiva por haz de electrones (EBAM). Este proceso DED debe ocurrir en el vacío para evitar que los electrones interactúen con las moléculas de aire.

¿Qué son los tipos de pienso DED?

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

1. DED a base de polvo

En el caso de 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 el polvo al punto de deposición. Se utiliza un flujo de gas inerte para suministrar el polvo, y el gas inerte actúa además para inhibir la oxidación u otras reacciones químicas entre los materiales fundidos y los alrededores. 

2. DED por cable

La DED basada en alambre es similar a la soldadura en que el material de alimentación se proporciona como un filamento de alambre. Este cable se alimenta en ángulo desde el lado de la fuente de energía y a una velocidad constante dictada por la velocidad de deposición.