Impresión 3D láser de metal: Claves para la fabricación de piezas de precisión

¿Está lista la fabricación de piezas de precisión para la impresión 3D?

El tema de la impresión 3D aditiva por láser de metal aparece frecuentemente en las noticias. Así que puede preguntarse: ¿Cuándo va a hablar Metal Cutting Corporation sobre impresión láser? Al fin y al cabo, a menudo hablamos de varios otros métodos para fabricar piezas metálicas.

En Metal Cutting fabricamos piezas muy pequeñas, para nuestro ejemplo aquí a menudo con dimensiones de 1 mm (0,039") por 2 mm (0,079"), y fabricamos MUCHAS. Estas piezas no suelen tener muchas características complejas o cavidades internas. Pueden ser un tubo o pueden ser macizas.

Así que nuestra pregunta para los expertos en impresión 3D láser de metal es: ¿pueden usar la impresión 3D láser de metal para tales grandes cantidades de piezas tan pequeñas?

Métodos básicos de impresión 3D láser de metal

Para empezar, echemos un vistazo rápido a los tres métodos principales para la impresión 3D aditiva por láser de metal.

Sinterizado directo por láser de metal (DMLS)

Este método más popular básicamente funde un diseño 2D sobre una cama de polvo aplanada, fusionando el polvo y luego añadiendo capa tras capa para construir el objeto. DMLS permite diseños hasta ahora imposibles. Sin embargo, el proceso es muy lento y produce una metalurgia que se acerca pero no iguala en todos los casos a la fabricación tradicional. DMLS también se conoce como sinterizado selectivo por láser (SLS) o fusión selectiva por láser (SLM).

Deposición de energía dirigida (DED)

En este método de alimentación por polvo, un chorro de polvo metálico altamente concentrado se libera lentamente a través de un extrusor y se fusiona al encontrarse con un láser, formando capas en la superficie de la pieza. DED es altamente preciso para la impresión 3D láser de metal y también se usa para reparar piezas rotas. Este método se conoce como deposición láser de metal (LMD).

Inyección de aglutinante metálico (Metal Binder Jetting)

Este método implica aplicar una resina aglutinante líquida sobre un material metálico en polvo. Las capas, en efecto, se "pegan" juntas y luego se sinterizan en un horno de alta temperatura. Este proceso es más rápido y menos costoso que los otros dos métodos; sin embargo, los resultados no son casi tan fuertes o densos como los que se obtienen con DMLS o DED.

Algunas aplicaciones para la impresión láser de metal

La impresión láser de metal se ha vuelto popular para diversas aplicaciones. Estas incluyen desde prototipado hasta componentes funcionales en varias industrias, hasta producción masiva personalizada de artículos cotidianos como joyería y utensilios de cocina.

La impresión láser de metal es muy popular en aplicaciones de implantes dentales y ortopédicos. Permite personalizar estos productos para satisfacer necesidades individuales de los pacientes. (Puede leer más en nuestro blog Pulido de piezas metálicas para dispositivos médicos impresos en 3D). La impresión láser de metal también se usa ampliamente en la industria aeroespacial. Por ejemplo, el motor a reacción LEAP de próxima generación tiene boquillas de combustible impresas en 3D.

Algunos errores comunes

La gente hace suposiciones incorrectas cuando se trata de impresión 3D láser de metal. Suena tonto pero vale la pena señalar que solo porque un producto se diseñe usando modelado CAD 3D no lo hace "listo para impresión 3D"; los procesos de impresión 3D láser requieren post-procesado único.

Al igual que con cualquier método de fabricación, las propiedades del material específico a usar también deben considerarse. Por ejemplo, una suposición es que la impresión láser de metal sustituye a la fundición de metal. Por el contrario, el láser es excelente para piezas únicas y complejas que no pueden fundirse. Las propiedades de un objeto metálico impreso en 3D láser son diferentes de las del objeto "igual" cuando se funde en metal.

Además, la impresión láser de piezas metálicas diseñadas para un proceso como el fresado CNC sería muy costoso. Esto es porque las piezas producidas sustractivamente tienen más masa y volumen, y sus diseños no están optimizados para las ventajas inherentes de la fabricación 3D —esencialmente, vacíos y estructuras ligeras de alta resistencia.

Ventajas de la impresión láser de metal

Desde la perspectiva de un ingeniero, probablemente las ventajas más significativas de la impresión 3D láser de metal son:

• La capacidad de producir vacíos completamente cerrados y otras características imposibles de mecanizar sustractivamente
• Estructuras que producen una resistencia extraordinaria de la pieza y un diseño ligero que antes era imposible de lograr

Para una industria como la aviación, donde la reducción de peso de una aeronave significa menor consumo de combustible, lo ligero es un objetivo importante.

Desde una perspectiva de aplicación, la ventaja más significativa de la impresión láser de metal sería la "personalización masiva" que la impresión 3D aditiva por láser introdujo en industrias que van desde piezas de repuesto de aviación hasta coronas y puentes de odontología, innovaciones ortopédicas y protésicas, y por supuesto, todo el negocio del prototipado. Algunas de estas formas únicas nunca podrían producirse sustractivamente. Incluso para aquellas que podrían mecanizarse o fundirse a un coste por pieza menor, ningún método podría acercarse concebiblemente a los tiempos de entrega casi instantáneos que la impresión 3D láser de metal ha hecho posibles.

La impresión láser de metal también puede reducir la cantidad de material de desecho en el proceso de producción. Donde los métodos de corte sustractivo tradicionales implican la remoción de material para crear una forma, la impresión 3D láser de metal logra una forma mediante la adición de solo el material necesario.

Mientras el polvo metálico esté disponible, la impresión 3D láser es flexible en cuanto a los metales que puede usar. Incluyen titanio, acero inoxidable, Inconel y cobalto-cromo, así como latón, cobre, bronce y metales preciosos como oro, plata y platino. Sin embargo, aunque los desafíos de la impresión 3D láser en atmósfera inerte se han superado, sigue siendo imposible recocer adecuadamente ciertos metales. Por ejemplo, aunque el tungsteno puede "construirse" mediante impresión 3D, el bloque resultante de metal de tungsteno es demasiado frágil para ser usable.

Desventajas de la impresión láser para piezas metálicas

La impresión 3D aditiva por láser es ciertamente famosa por hacer posible lo imposible, pero ¿qué hay de la precisión? ¿Es la impresión 3D un buen método para fabricar piezas metálicas pequeñas de precisión?

Veamos DMLS, el método más maduro y desarrollado, donde las variables importantes que impulsan la precisión dimensional son:

• El tamaño de las partículas de polvo metálico
• Los intervalos de altura de los pasos del elevador
• El tamaño del haz láser

Cada uno de estos factores determina las tolerancias dimensionales. Un tamaño grande de partícula de polvo metálico resulta en pasos mayores. La altura de cada capa de polvo determina de manera similar las tolerancias que se pueden alcanzar.
Y probablemente la variable más importante es el tamaño del láser. Aquí es donde un haz diminuto le da mayor precisión, y un haz más grande produce dimensiones más imprecisas. El problema es que un haz láser más pequeño genera menos calor —y eso significa que tardará más en hacer su trabajo. Así que puede tener una pieza muy precisa y/o muy pequeña, pero va a tardar mucho más en producirse. Eso, a su vez, eleva el coste.

Hay otras formas en que la impresión láser de metal consume tiempo. Mire de nuevo el popular DMLS, donde cada pieza tiene un diminuto punto de unión, como el hilo minúsculo que mantiene un nido de avispa suspendido de un porche. Si tiene 10.000 piezas impresas láser, eso significa que tiene 10.000 puntos de unión que deben separarse. Esta tarea de separación de la base generalmente se realiza usando EDM; pero sea cual sea el método usado, hacerlo 10.000 veces anula la mayoría, si no todas, las ventajas aditivas.

La realidad es que la verdadera producción en masa todavía no es posible con la impresión 3D láser de metal. Esto la hace impráctica y costosa para producir decenas de miles de piezas muy pequeñas. Además, está el alto coste inicial de la impresora 3D: al menos $100.000 para algunas de las nuevas de sobremesa, que buscan desestabilizar a los desestabilizadores anteriores, hasta más de $1 millón para las impresoras de atmósfera controlada usadas con metales como el titanio o los grandes recintos requeridos para máquinas diseñadas para fabricar piezas aeroespaciales. Ese alto coste significa que cualquier aplicación para la que se proponga una impresora láser necesita "añadir" algo realmente único para "restar" valor a los métodos tradicionales de fabricación de metal.

¿Qué nos depara el futuro?

No queremos que piensen que somos tercos o resistentes al cambio. De hecho, nos gustaría dar un reconocimiento a nuestro amigo Scott Cohen y su socio, David Bell, en New Lab. Ellos conocen el futuro tan bien como cualquiera, y no dudamos de que alguien en New Labs resolverá algún día algunos de los problemas que vemos ahora.

Aunque el desarrollo de impresoras 3D láser de tamaño de sobremesa —en lugar de máquinas industriales gigantes— hará la tecnología más accesible, todavía no vemos la impresión láser de metal como adecuada para grandes volúmenes de piezas pequeñas de precisión. En este caso, las máquinas pequeñas no producen piezas pequeñas. Pero por supuesto, ¡un día puede que nos equivoquemos!

Para obtener consejos útiles sobre cómo elegir el mejor método de corte de metal de precisión para su proyecto de fabricación metálica, descargue nuestro libro blanco Elija con confianza: Comparación de métodos de corte de precisión de 2 ejes.