Manufactura Aditiva Metálica: Claves para la Producción Moderna

La manufactura 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, la Manufactura Aditiva Metálica (MAM) y numerosas aplicaciones del proceso están pasando al primer plano de la manufactura para producción.

Impulsada por el lanzamiento de nuevas máquinas de MAM con plataformas de materiales abiertas y velocidades de impresión más rápidas, las ventas de sistemas de MAM están en auge, con el segmento esperado para crear una oportunidad de ingresos de casi 4 mil millones para 2024. A medida que continúan los avances en la manufactura aditiva metálica, es importante estar al tanto de los beneficios de la MAM y cómo las numerosas aplicaciones del proceso están cambiando la faz de la manufactura.

Enlaces Rápidos:

• Historia de la Manufactura Aditiva Metálica
• Procesos de Manufactura Aditiva Metálica / Impresión 3D
• Técnicas de Manufactura Aditiva Metálica
• Ventajas de la Tecnología MAM
• Aproveche la Manufactura Aditiva en su Instalación de California con CMTC

Historia de la Manufactura Aditiva Metálica

El proceso de manufactura aditiva puede rastrear sus raíces a mediados de la década de 1980, cuando se introducían métodos de desarrollo de productos más rápidos. Originalmente llamada prototipado rápido, este proceso era capaz de producir modelos dimensionales para crear prototipos más rápidos para probar el ajuste y función del modelo.

Para 1987, una nueva técnica de procesamiento de plástico conocida como Estereolitografía (SLA) se comercializó, convirtiéndose en la primera patente en manufactura aditiva. Con SLA, los fabricantes podían solidificar polímeros líquidos sensibles a la luz UV con un láser, produciendo modelos 3-D más rápido que nunca. Este hito en procesos aditivos ofreció a fabricantes, ingenieros y diseñadores nuevas oportunidades para crear productos más eficientemente que antes.

A principios de la década de 1990, otros procesos de manufactura aditiva basados en polímeros se volvieron comercialmente disponibles. En 1992, el Sinterizado Selectivo por Láser (SLS), que fusiona materiales en polvo en un sólido usando un láser, se volvió disponible. Poco después, la manufactura aditiva metálica fue patentada y disponible para el mercado. Al igual que otros procesos de manufactura aditiva, esta tecnología permitió la producción rápida de prototipos, productos y herramientas metálicas. Mientras que la introducción de procesos de manufactura aditiva metálica permitió la fabricación de piezas metálicas sinterizando el polvo metálico de elección, el resultado final fueron materiales más comparables a compuestos que a aleaciones, ya que materiales con puntos de fusión bajos podían combinarse ahora con metales de alta resistencia, como acero inoxidable.

Procesos de Manufactura Aditiva Metálica e Impresión 3D

El proceso de manufactura aditiva crea objetos agregando material capa por capa, ya sea metal, plástico o cerámica. La manufactura aditiva puede aumentar y, en algunos casos, reemplazar los métodos tradicionales de crear objetos mediante mecanizado, corte, torneado, conformado, fresado y otros procesos de manufactura "sustractiva".

Para hacer un objeto usando manufactura aditiva, se crea un diseño usando software CAD (Diseño Asistido por Computadora) o escaneando el objeto que se imprimirá. El software puede traducir el escaneo en un marco preciso para que la máquina de impresión 3D siga capa por capa.

La manufactura aditiva metálica, también conocida como impresión 3D metálica, toma el proceso de manufactura aditiva y lo aplica exclusivamente a 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 máquinas de manufactura aditiva, objetos que nunca podrían haberse creado ni hace unos años ahora pueden fabricarse con nueva resistencia y estándares usando una variedad de materiales.

La amplia gama de polvos metálicos disponibles para técnicas de manufactura aditiva se expande constantemente. 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 Manufactura Aditiva Metálica

Los métodos de manufactura aditiva metálica pueden clasificarse según el proceso usado para unir el metal, que incluye un aglutinante, boquilla calentada o láseres. A continuación se muestran algunas de las técnicas más comunes de manufactura aditiva metálica. Dependiendo de la técnica empleada, la pieza impresa resultante puede ser de forma neta o casi neta.

Aditivo de Cama de Polvo Basado en Láser

Los métodos de fusión de cama de polvo (PBF) emplean el uso de un láser o haz de electrones para fundir y fusionar el polvo metálico en un sólido. Esta técnica incluye los siguientes métodos de manufactura aditiva metálica: fusión por haz de electrones (EBM), sinterizado directo de metal por láser (DMLS), sinterizado selectivo por calor (SHS) y fusión selectiva por láser (SLM). El sinterizado selectivo por láser (SLS) es una técnica adicional que usa un láser como fuente de energía para sinterizar materiales en polvo, aunque los polímeros, en lugar de metales, se usan comúnmente en SLS.

Independientemente del método, todas las técnicas de cama de polvo basadas en láser requieren la extensión del polvo metálico sobre capas previas, ya sea mediante rodillo o cuchilla. Los metales más comúnmente empleados en este proceso aditivo son acero inoxidable, titanio, aluminio, acero, cobalto-cromo y cobre.

Inyección de Aglutinante Metálico

Este método de manufactura aditiva metálica es similar al de una impresora de inyección de tinta bidimensional. Los polvos metálicos se inyectan sobre una plataforma de construcción para imprimir objetos usando un enfoque continuo o bajo demanda (DOD). Un aglutinante líquido se aplica para combinar el polvo capa por capa, construyendo el objeto deseado. Las piezas recién impresas son inicialmente frágiles y requieren sinterizado posterior e infiltración para fortalecerse. El resultado final puede pasar por un proceso de acabado opcional donde la pieza se pule o platea 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 llevar a tensiones residuales acumuladas. También es una de las técnicas de manufactura aditiva metálica menos costosas.

Laminación de Láminas

Este método une láminas de material capa por capa mediante unión, soldadura ultrasónica o brasado para construir un objeto. Los métodos de laminación de láminas son procesos de baja temperatura y pueden unir diferentes materiales. Típicamente, los métodos de laminación de láminas son para modelos visuales y estéticos en lugar de uso estructural.

Deposición de Energía Dirigida

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

Ventajas de la Tecnología MAM

En las últimas décadas de su existencia, las tecnologías de manufactura aditiva han tenido un impacto revolucionario en el sector manufacturero en general. Esta capacidad de consolidar ensamblajes (imprimir una pieza como una sola unidad en lugar de múltiples piezas que deben unirse o fijarse) reduce el desperdicio de material y típicamente mejora la calidad y rendimiento general del producto. Además de esta ventaja de ahorro de desperdicio, los métodos MAM ofrecen beneficios únicos que incluyen:

La Complejidad es "Gratis"

Al usar procesos de manufactura sustractiva tradicionales, la complejidad aumentada en el diseño de una pieza resulta en costos cada vez más altos a medida que se necesitan más operaciones de fresado, contorneado y acabado sustractivo. Al usar Aditivo, 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 desde un lingote de forma casi neta es simple y requiere pocas pasadas en la fresadora y por lo tanto bajo costo. Imprimir el bloque usando Aditivo requeriría muchas pasadas en la máquina para depositar la cantidad requerida de material para construir la forma, resultando en un costo mucho mayor. Sin embargo, si la pieza es una forma orgánica (piense en una abrazadera que parece una estructura de raíz de árbol), el fresado probablemente requerirá fijaciones personalizadas y muchas pasadas de máquina, a menudo con múltiples cambios de herramienta y codificación extensa de trayectoria de herramienta, todo llevando a alto costo. Para imprimir la forma orgánica con Aditivo, la trayectoria de herramienta se crea automáticamente usando software y el número de pasadas y cantidad de material depositado se reduce enormemente, resultando en un costo menor para esta pieza.

Eliminación de Costos Extra

Los procesos aditivos metálicos reducen el desperdicio de material comparado con métodos tradicionales. Dado que la materia prima se construye precisamente capa por capa, hay poca necesidad de restar o rebajar piezas del objeto sólido. Solo el material necesario se usa y coloca exactamente donde se necesita, haciendo que las tecnologías MAM sean eficientes en recursos.

Además, la manufactura aditiva metálica reduce el desperdicio eliminando la necesidad de herramientas costosas, ahorrando dinero y tiempo a su negocio. Al elegir el proceso correcto de manufactura aditiva metálica, puede acceder a una amplia variedad de materiales para satisfacer sus necesidades de producción específicas.

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 ciertos compromisos al elegir un material para una aplicación específica. Sin embargo, esta concesión pronto podría ser cosa del pasado debido a los avances en tecnología de impresión 3D.

Mientras que antes los fabricantes estaban limitados a los materiales usados en MAM, hay una variedad cada vez mayor de polvos metálicos capaces de usarse. Algunos de los materiales metálicos más comunes disponibles incluyen:

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

A medida que se hacen avances en manufactura aditiva, la lista de polvos metálicos capaces de usarse continuará expandiéndose.

Capacidades de Diseño Mejoradas y Optimización Topológica

Con la manufactura aditiva metálica, se pueden crear estructuras únicas y complejas que de otro modo habrían tomado tiempo y piezas adicionales. Al consolidar ensamblajes, los objetos ahora pueden producirse como una sola unidad para mayor resistencia y eficiencia en lugar de múltiples piezas que deben unirse o fijarse post-producción.

Además, los avances recientes en diseño automatizado han permitido la producción de productos para una gran cantidad de aplicaciones. El software de Optimización Topológica permite a los diseñadores especificar los parámetros de una pieza y permitir que el software defina su arquitectura basada en propiedades estructurales, funcionales, térmicas u otras deseadas. Los resultados finales son diseños que pueden hacerse más fuertes, ligeros, resistentes y más resistentes a fuerzas naturales y condiciones externas.

Reducción en Tiempo de Producción

Una de las ventajas bien conocidas de la manufactura aditiva metálica es la reducción del tiempo que toma para que los productos pasen de la etapa de diseño a producción final comparado con el mecanizado tradicional. Dado que hay poca necesidad de mecanizado y herramientas específicas para procesar el objeto después de ser impreso en 3D, la MAM puede crear piezas en días en lugar de semanas.

Aproveche la Manufactura Aditiva en su Instalación de California con CMTC

¿Suena la manufactura aditiva metálica como una tecnología que podría aprovechar su negocio manufacturero? Como cualquier nueva tecnología, siempre hay una curva de aprendizaje. Por eso en nuestra guía Tipos de Procesos de Manufactura Aditiva Metálica, profundizamos en el funcionamiento interno de todos los procesos mencionados, los materiales usados y los pros y contras de cada uno.

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