Impresión 3D de metal: Superar los desafíos clave y aprovechar las soluciones emergentes

La impresión 3D de metal no está exenta de desafíos prácticos y oportunidades. Obtenga una comprensión más profunda de dónde esperar contratiempos y cómo abordarlos. Además, conozca la tecnología emergente que podría cambiar la dirección del mercado.

El futuro ha llegado en la impresión 3D de metal, y su costo de entrada podría estar generando vientos en contra. Los grandes fabricantes están profundamente involucrados en esta área y pueden necesitar la ayuda de talleres especializados más pequeños. ¿Qué se necesita para adoptar la impresión 3D y el metal juntos? Adoptar nuevos enfoques de ingeniería y acostumbrarse a nuevos materiales como los polvos metálicos, por empezar.

SpaceX construye piezas clave con ella. También lo hacen NASA, Boeing, Lockheed Martin y GE Aviation. Estos y otros fabricantes están imprimiendo en 3D piezas de metal para usar en los aviones que nos llevan de ciudad en ciudad, las naves espaciales que llevan astronautas a la órbita terrestre baja y los cohetes que lanzan Tesla Roadsters rojos al cinturón de asteroides. Las empresas médicas también se están sumando al juego de la fabricación aditiva con implantes impresos en 3D para reemplazos de cadera y placas de reparación de cráneo para víctimas de accidentes. La automoción y los productos de consumo también están haciendo cola.

Si usted es un fabricante subcontratado de una de estas grandes empresas aeroespaciales, ya comprende los desafíos que acompañan a esta tecnología compleja. Aunque no va a reemplazar los procesos tradicionales o muchos de mecanizado CNC y fabricación en nuestras vidas, está cambiando el panorama de las opciones de fabricación disponibles.

Mire los números: El investigador de mercado IDTechEx pronostica que la impresión 3D de metal crecerá hasta convertirse en una industria de 12 mil millones de dólares para 2028, frente a aproximadamente 2.5 mil millones en 2018. Un estudio de EY de 2016 encontró que el 52 por ciento de las empresas encuestadas eligen el metal en la impresión 3D sobre cualquier otro material. El siguiente material más cercano, el polímero, obtuvo el 31 por ciento de la demanda, con un 6 por ciento que espera imprimir cerámicas.

"Las empresas lo eligen [el metal] porque permite imprimir productos a partir de metales preciosos, titanio, acero para herramientas, acero inoxidable y aleaciones de aluminio", dice EY en el informe. "Entre las empresas que ya utilizan la impresión 3D de metal, las de dos industrias encabezan las listas: aeroespacial y automotriz. El 65 por ciento de estas empresas utilizan impresión 3D de metal; esta alta proporción se debe a la gran cantidad de componentes metálicos en los productos de estos sectores".

Prepárese para esperar y limpiar las piezas y componentes impresos en 3D de metal

Antes de lanzarse al negocio de la impresión 3D, prepárese. Puede sonar obvio, pero construir piezas de esta manera no se parece en nada a desbastar un bloque de aluminio o tornear un eje de cobalto-cromo. La herramienta es un láser, el material es un montón de polvo metálico y el dispositivo de sujeción es una placa metálica plana. Cargue el programa, pulse inicio de ciclo y, horas o días después, su pieza está lista. Casi.

Aquí está el problema: No solo las velocidades de construcción con la impresión 3D de metal son glacialmente lentas en comparación con el mecanizado, sino que las piezas no necesariamente se completan cuando se procesan, ni son completamente precisas. Ya sea que la conozca como sinterizado láser directo de metal, fusión por haz de electrones o fusión láser selectiva, las tolerancias típicas usando fusión de lecho de polvo son de alrededor de +/- 0.005 pulgadas con un acabado superficial comparable a una fundición de precisión (aproximadamente 125 Ra, en el mejor de los casos). Esto significa que generalmente se necesita mecanizado para limpiar superficies críticas, taladrar agujeros, roscar y más.

Además, la fusión de lecho de polvo requiere estructuras como andamios para soportar la pieza durante el procesamiento. Eso significa que pueden ser necesarios rectificado, granallado y mecanizado adicional para eliminar estos soportes.

¿Desea un fondo más fundamental sobre por qué y cómo la impresión 3D ha tenido un impacto? Consulte "El caso de la impresión 3D en la fabricación".

¿Cuál es su opinión? Hable con sus pares en el foro de la comunidad.

Está caliente: Estrés de la impresión 3D en metales

También hay que considerar el estrés térmico. Los láseres y haces de electrones calientan partículas de titanio, aluminio, acero inoxidable, cobalto-cromo, acero para herramientas y docenas de otras aleaciones hasta sus puntos de fusión, que pueden superar los 2,700 grados. Una vez que cada capa está completa, se agrega polvo fresco y el proceso comienza de nuevo. Como puede imaginar, este calentamiento y enfriamiento repetitivo crea un tremendo estrés que debe controlarse durante el proceso de construcción, y luego aliviarse post-construcción mediante tratamiento térmico.

Eso es mucho en qué pensar y gestionar. Además, quienes persiguen una estrategia de impresión 3D deben analizar la escalabilidad, el modelado, la estratificación y la simulación.

Escalabilidad

Hasta hace poco, la impresora 3D de metal más grande apenas era lo suficientemente grande para imprimir una tostadora. Hoy en día, las máquinas disponibles comercialmente pueden construir piezas del tamaño de una canoa y depositar 20 libras de metal por hora. ¿Qué tamaño de máquina necesita, qué tecnología es la mejor y cuánto es su presupuesto? Puede calcular que costará 1 millón de dólares o más, sin contar la curva de aprendizaje.

Modelado

Uno de los mayores obstáculos que enfrentan los fabricantes aditivos es el diseño de piezas. Los ingenieros deben aprender a pensar de manera diferente si quieren tener éxito con esta tecnología, y eso significa adoptar geometrías complejas y "formas orgánicas" que anteriormente no podían fabricarse. Por supuesto, depende de los maquinistas e ingenieros de fabricación descubrir cómo fijar las piezas de forma extraña que se avecinan.

Estratificación

Una vez aprobado el diseño, el programador u operador de la impresora 3D debe diseñar las estructuras de soporte y determinar la mejor manera de posicionar y construir la pieza. La buena noticia es que hay muchos programas de software diseñados para este propósito, y esta tarea no es ni de lejos tan difícil como lo era antes.

Simulación

El lecho está lleno de polvo, la placa de construcción está limpia y el metal listo para fundirse. Sin embargo, antes de presionar el botón, es importante evaluar el proceso de construcción utilizando software de simulación. Esto ayudará a identificar áreas donde el estrés térmico pueda aparecer, detectar dónde se necesitan estructuras de soporte (o son innecesarias) y confirmar si el diseño de la pieza existente es adecuado para la impresión 3D.

Metal impreso en 3D, conoce a tu nuevo amigo, el polímero

En el mundo de la impresión 3D de metal, la fusión de lecho de polvo reina supremamente, al menos por ahora. Varias tecnologías nuevas están invadiendo el territorio del lecho de polvo, incluidos enfoques de proyección térmica y extrusión que prometen costos más bajos (en el rango de 120,000 dólares en lugar de 500,000 y más), mayor precisión y velocidades de construcción mucho más rápidas. Una de estas funciona muy parecido a una impresora de inyección de tinta, excepto que la "tinta" está hecha de polvo metálico mezclado con un aglutinante polimérico.

La pieza se construye en un estado "verde" antes de colocarse en un horno para sinterizado, lo cual es un poco diferente del proceso de inyección de metal de décadas de antigüedad. Dado que utiliza el mismo polvo metálico, no recibe ni de lejos tanto escrutinio metalúrgico como otros polvos aditivos. Y, como todas las tecnologías de impresión 3D de metal, produce piezas totalmente densas.

Similar a la tecnología "binder-jet" utilizada en algunas impresoras de polímero más nuevas, las velocidades de construcción son reportadamente 10 a 100 veces más rápidas que su competencia. Los costos de las máquinas son una fracción de los de las máquinas de lecho de polvo o híbridas. Hay poca necesidad de estructuras de soporte, y las que se usan se pueden quitar fácilmente después del sinterizado. Y dado que no hay luz láser, solo UV para curar el material aglutinante, y el metal se suministra en cartuchos aptos para impresora con los que cualquier trabajador de oficina estaría familiarizado, hay muchas menos preocupaciones de salud y seguridad.

"Adoptar la impresión 3D de metal para fabricar piezas de uso final ha sido un paso que algunas empresas de mecanizado han dado, pero no era algo que los talleres de todas partes pudieran hacer", señala Peter Zelinski, editor en jefe de Modern Machine Shop, en el artículo "La llegada de la fabricación aditiva de metal de bajo costo?". "Ahora, la impresión 3D de metal de bajo costo podría significar que los talleres emplearán rutinariamente tanto métodos aditivos como sustractivos para piezas de metal. Y también podría significar que la gama de piezas de metal adecuadas para la fabricación aditiva está lista para expandirse".

¿Ha tenido alguna experiencia con la impresión 3D de metal u otros procesos de fabricación aditiva? ¿Cómo ha sido para usted y su taller?