Fabricación aditiva de metales:lo que necesita saber

La fabricación aditiva ha transformado la industria manufacturera desde su inicio comercial a finales del siglo XX. A medida que los procesos aditivos continúan arrasando en la industria, Metal AM y numerosas aplicaciones del proceso se están moviendo a la vanguardia de la fabricación para la producción.

Impulsadas por el lanzamiento de nuevas máquinas Metal AM con plataformas de material abiertas y velocidades de impresión más rápidas, las ventas de sistemas Metal AM están creciendo y se espera que el segmento cree una oportunidad de ingresos de casi 4 mil millones para 2024. A medida que continúan los avances en la fabricación aditiva de metales, es importante conocer los beneficios de Metal AM y cómo las numerosas aplicaciones del proceso están cambiando la faz de la fabricación.

Enlaces rápidos:

• Historia de la fabricación aditiva de metales
• Procesos de fabricación aditiva de metales / impresión 3D
• Técnicas de fabricación de aditivos metálicos
• Ventajas de la tecnología Metal AM
• Aproveche la fabricación aditiva en su planta de California con CMTC

Historia de la fabricación de aditivos metálicos

El proceso de fabricación aditiva tiene sus raíces a mediados de la década de 1980, cuando se introdujeron métodos de desarrollo de productos más rápido. Originalmente llamado creación rápida de prototipos, este proceso era capaz de producir modelos dimensionales para crear prototipos más rápidos para probar el ajuste y la función del modelo.

En 1987, se comercializó una nueva técnica de procesamiento de plásticos conocida como estereolitografía (SLA), convirtiéndose en la primera patente en fabricación aditiva. Con SLA, los fabricantes podrían solidificar polímeros líquidos sensibles a la luz ultravioleta con un láser, produciendo modelos 3-D más rápido que nunca. Este hito en los procesos aditivos ofreció a los fabricantes, ingenieros y diseñadores nuevas oportunidades para crear productos de manera más eficiente que antes.

A principios de la década de 1990, se comercializaron otros procesos de fabricación aditiva basados ​​en polímeros. En 1992, se puso a disposición la sinterización selectiva por láser (SLS), que fusiona materiales en polvo en un sólido mediante un láser. Poco tiempo después, se patentó la fabricación aditiva de metales y se puso a disposición del mercado. Como otros procesos de fabricación aditiva, esta tecnología permitió la producción rápida de prototipos, productos y herramientas de metal. Si bien la introducción de procesos de fabricación de aditivos metálicos permitió la fabricación de piezas metálicas sinterizando el polvo metálico de elección, el resultado final fue materiales más comparables a los compuestos que a las aleaciones, ya que los materiales con puntos de fusión bajos ahora se pueden combinar con metales de alta resistencia, tales como como acero inoxidable.

Procesos de fabricación de aditivos metálicos e impresión 3D

El proceso de fabricación aditiva crea objetos agregando material capa por capa, ya sea metal, plástico o cerámica. La fabricación aditiva puede aumentar y, en algunos casos, sustituir los métodos tradicionales de creación de objetos mediante mecanizado, corte, torneado, modelado, fresado y otros procesos de fabricación "sustractivos".

Para hacer un objeto usando fabricación aditiva, se crea un diseño usando el software CAD (Diseño asistido por computadora) o tomando un escaneo del objeto que se imprimirá. El software puede traducir el escaneo en un marco preciso para que la máquina de impresión 3D lo siga capa por capa.

La fabricación aditiva de metales, también conocida como impresión 3D de metales, toma el proceso de fabricación aditiva y lo aplica exclusivamente a los metales. Al colocar capas de polvos metálicos, ya sea con una fuente de energía o un agente aglutinante, se pueden diseñar y construir objetos precisos. Debido a los avances en las máquinas de fabricación aditiva, ahora se pueden fabricar objetos que nunca antes se hubieran podido crear, ni siquiera hace unos años, con nuevas resistencias y estándares utilizando una variedad de materiales.

La amplia gama de polvos metálicos disponibles para técnicas de fabricación aditiva está en constante expansión. Algunos de los materiales metálicos más comunes incluyen grados de acero inoxidable, níquel, cobalto-cromo, aleaciones de titanio y aluminio. Esta gama cada vez mayor de materiales de construcción permite al fabricante elegir el material adecuado para las especificaciones y expectativas exactas del objeto.

Técnicas de fabricación de aditivos metálicos

Los métodos de fabricación aditiva de metales se pueden clasificar en qué proceso se utiliza para unir el metal, que incluye un aglutinante, una boquilla calentada o láseres. A continuación se muestran algunas de las técnicas de fabricación aditiva de metales más comunes. Dependiendo de la técnica empleada, la parte impresa resultante puede tener forma de red o forma casi neta.

Aditivo de lecho de polvo a base de láser

Los métodos de fusión en lecho de polvo (PBF) emplean el uso de un rayo láser o de electrones para fundir y fusionar el polvo metálico en un sólido. Esta técnica incluye los siguientes métodos de fabricación aditiva de metales:fusión por haz de electrones (EBM), sinterización directa por láser de metales (DMLS), sinterización selectiva por calor (SHS) y fusión selectiva por láser (SLM). La sinterización selectiva por láser (SLS) es una técnica adicional que utiliza un láser como fuente de energía para sinterizar materiales en polvo, aunque en SLS se utilizan comúnmente polímeros, en lugar de metales.

Independientemente del método, todas las técnicas de lecho de polvo basadas en láser requieren la extensión del polvo metálico sobre las capas anteriores, ya sea a través de un rodillo o una cuchilla. Los metales más comúnmente empleados en este proceso de aditivos son acero inoxidable, titanio, aluminio, acero y cobalto, cromo y cobre.

Chorro de aglutinante metálico

Este método de fabricación de aditivos metálicos es similar al de una impresora de inyección de tinta bidimensional. Los polvos metálicos se inyectan en una plataforma de construcción para imprimir objetos utilizando un enfoque continuo o de caída bajo demanda (DOD). Se aplica un aglutinante líquido para combinar el polvo capa por capa, construyendo el objeto deseado. Las piezas recién impresas son inicialmente frágiles y requieren una sinterización e infiltración posteriores al procesamiento para reforzarlas. El resultado final puede pasar por un proceso de acabado opcional en el que la pieza se pule o se recubre con níquel u oro.

Uno de los beneficios únicos de la inyección de aglutinante es la eliminación de cualquier fusión de polvos metálicos, lo que puede provocar la acumulación de tensiones residuales. También es una de las técnicas de fabricación aditiva de metales menos costosas.

Laminación de láminas

Este método une láminas de material capa por capa mediante unión, soldadura ultrasónica o soldadura fuerte para construir un objeto. Los métodos de laminación de láminas son procesos de baja temperatura y pueden unir diferentes materiales. Por lo general, los métodos de laminación de láminas son para modelos visuales y estéticos más que para uso estructural.

Deposición de energía dirigida

Este método, un proceso de impresión 3D más complejo, opera como su nombre indica:una fuente de energía enfocada, como un láser o un haz de electrones, se dirige al material de construcción para derretirlo mientras se deposita simultáneamente capa por capa. Esta técnica se usa comúnmente para reparar o agregar material adicional a estructuras existentes. La Deposición de Energía Dirigida (DED) utiliza una boquilla calentada para depositar material derretido, generalmente titanio o cromo cobalto, sobre la superficie especificada donde se solidifica.

Ventajas de la tecnología Metal AM

En las últimas décadas de su existencia, las tecnologías de fabricación aditiva han tenido un impacto revolucionario en el sector manufacturero en su conjunto. Esta capacidad de fusionar conjuntos (imprimir una pieza como una sola unidad en lugar de varias piezas que deben unirse o sujetarse) reduce el desperdicio de material y, por lo general, mejora la calidad y el rendimiento general del producto. Además de esta ventaja de ahorro de residuos, los métodos de AM de metales ofrecen beneficios únicos que incluyen:

La complejidad es "gratuita"

Cuando se utilizan los procesos tradicionales de fabricación sustractiva, el aumento de la complejidad en el diseño de una pieza da como resultado un costo cada vez mayor a medida que se necesitan más y más operaciones de fresado, contorneado y acabado sustractivos. Cuando se usa Additive, la complejidad de un diseño agrega poco costo y, a menudo, reduce el costo de la pieza. Por ejemplo, si la pieza es una pieza prismática, un bloque rectangular sólido, el fresado a partir de una palanquilla de forma casi neta es simple y requiere pocas pasadas en el molino y, por lo tanto, es de bajo costo. La impresión de bloques usando Additive requeriría muchas pasadas en la máquina para depositar la cantidad requerida de material para construir la forma, lo que resulta en un costo mucho más alto. Sin embargo, si la pieza tiene una forma orgánica, piense en una riostra que parezca una estructura de raíz de árbol, es probable que el fresado requiera accesorios de sujeción personalizados y muchas pasadas de máquina, a menudo con múltiples cambios de herramienta y una amplia codificación de la trayectoria de la herramienta, todo lo cual conlleva un alto costo. . Para imprimir la forma orgánica con Additive, la trayectoria de la herramienta se crea automáticamente mediante software y el número de pasadas y la cantidad de material depositado se reduce considerablemente, lo que resulta en un menor costo para esta pieza.

Eliminación de costos adicionales

Los procesos de aditivos metálicos reducen el desperdicio de material en comparación con los métodos tradicionales. Dado que la materia prima se construye con precisión capa por capa, hay poca necesidad de restar o quitar trozos del objeto sólido. Solo el material que se necesita se usa y se coloca exactamente donde se necesita, lo que hace que las tecnologías de AM de metales sean eficientes en cuanto a los recursos.

Además, la fabricación de aditivos metálicos reduce el desperdicio al eliminar la necesidad de herramientas costosas, lo que le permite ahorrar tiempo y dinero a su empresa. Al elegir el proceso de fabricación aditivo de metales adecuado, puede acceder a una amplia variedad de materiales para satisfacer sus necesidades de producción específicas.

Una amplia gama de materiales

Las propiedades y el rendimiento general de un material están determinados por su composición química, estado cristalino y microarquitectura subyacente. Estas características obligan a los ingenieros a aceptar ciertas compensaciones al elegir un material para una aplicación específica. Sin embargo, esta concesión pronto podría ser cosa del pasado debido a los avances en la tecnología de impresión 3D.

Mientras que antes los fabricantes se limitaban a los materiales utilizados en la fabricación de metal AM, existe una variedad cada vez mayor de polvos metálicos que se pueden utilizar. Algunos de los materiales metálicos más comunes disponibles incluyen:

• Acero inoxidable
• Acero
• Titanio
• Aluminio
• Cobre
• Cromo cobalto
• Aleaciones de titanio
• Aleaciones de níquel
• Oro
• Plata
• Platino
• Paladio

A medida que se realicen avances en la fabricación aditiva, la lista de polvos metálicos que se pueden usar continuará expandiéndose.

Habilidades de diseño mejoradas y optimización de topología

Con la fabricación aditiva de metales, se pueden crear estructuras únicas y complejas que, de otro modo, habrían requerido tiempo y piezas adicionales. Al fusionar ensamblajes, los objetos ahora se pueden producir como una sola unidad para mayor resistencia y eficiencia en lugar de múltiples partes que deben unirse o sujetarse en posproducción.

Además, los avances recientes en el diseño automatizado han permitido la producción de productos para una gran variedad de aplicaciones. El software de optimización de topología permite a los diseñadores especificar los parámetros de una pieza y permitir que el software defina su arquitectura en función de las propiedades estructurales, funcionales, térmicas o de otro tipo deseadas. Los resultados finales son diseños que pueden hacerse más fuertes, más ligeros, más duros y más resistentes a las fuerzas naturales y las condiciones externas.

Reducción del tiempo de producción

Una de las conocidas ventajas de la fabricación aditiva de metales es la reducción del tiempo que tardan los productos en pasar de la etapa de diseño a la producción final en comparación con el mecanizado tradicional. Dado que hay poca necesidad de mecanizado y herramientas específicas para procesar el objeto después de ser impreso en 3D, el AM de metal puede crear piezas en días en lugar de semanas.

Aproveche la fabricación aditiva en su planta de California con CMTC

¿Suena la fabricación aditiva de metales como una tecnología que podría aprovechar su empresa de fabricación? Como cualquier tecnología nueva, siempre hay una pequeña curva de aprendizaje. Es por eso que en nuestra guía Tipos de procesos de fabricación de aditivos metálicos, profundizamos en el funcionamiento interno de todos los procesos mencionados anteriormente, los materiales utilizados y los pros y contras de cada uno.

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