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Jun 18, 2023

Fabricación de piezas metálicas: no para tontos

Supongamos que no sabe nada sobre la fabricación aditiva (AM), más comúnmente conocida como impresión 3D. Dado que esta tecnología que está cambiando la industria ha estado con nosotros durante más de tres décadas,

Supongamos que no sabe nada sobre la fabricación aditiva (AM), más comúnmente conocida como impresión 3D. Dado que esta tecnología que ha cambiado la industria ha estado con nosotros durante más de tres décadas, esa suposición es muy improbable, pero no deja de ser la premisa detrás de este artículo estilo “tonto”. Si ya eres un experto en el tema, no dudes en hacer algo más interesante, como imprimir en 3D algunas piezas interesantes o ver la última serie de Netflix.

Para todos los demás, comencemos con una descripción general muy simplista de la fabricación aditiva. Cada una de las siete tecnologías AM reconocidas por la Sociedad Estadounidense de Pruebas y Materiales (ASTM) comienza con un modelo CAD 3D de la pieza de trabajo deseada. Este archivo se representa digitalmente como una barra de pan en miles o quizás cientos de miles de rebanadas finas como el papel antes de enviarlo a la impresora 3D.

Varias de las tecnologías más comunes utilizan una fuente de luz láser o LED para trazar sucesivamente el perfil de cada capa y las secciones interiores sobre la superficie de una tina de resina o lecho de polvo de metal o polímero, solidificando esas áreas. Una vez que se completa cada capa, se pasa material adicional a través de la pieza de trabajo en crecimiento y el proceso continúa, una y otra vez, de abajo hacia arriba hasta que la pieza esté terminada.

También existen sistemas que utilizan un cabezal de extrusión como una pistola de pegamento caliente para construir piezas. Algunos rocían polvo metálico o extruyen alambre delgado en el camino de una fuente de energía enfocada (un láser o un rayo de electrones), depositando así metal fundido sobre la superficie de trabajo, mientras que otros rocían selectivamente aglutinante polimérico sobre un lecho de polvo, creando una pieza "verde". que luego debe ser sinterizado en un horno. Existen otros métodos y se proporcionarán detalles adicionales, pero eso es AM en pocas palabras. Sencillo, ¿verdad?

Como ya hemos mencionado, AM lleva mucho tiempo con nosotros. Una vez limitada a la impresión de polímeros, desde entonces se ha expandido a cerámicas de grado de ingeniería, materiales compuestos que contienen fibra de carbono o aramida (Kevlar) y, quizás más notablemente, metales y sus diversas aleaciones. Discutiremos la impresión 3D de polímeros y otros materiales no metálicos en un futuro Informe de la industria de fabricación aditiva; sin embargo, el resto de este se centrará en la fabricación aditiva de metal, el mucho más joven (y por el momento, más pequeño pero más rápido). -creciente) segmento de lo que se ha convertido en un mercado multimillonario.

Hans Langer, fundador de Electro Optical Systems (EOS) en Krailling, Alemania, podría argumentar que es "mucho más joven". En 1994, apenas ocho años después de que el inventor de la estereolitografía, Charles Hull, fundara 3D Systems, la empresa de Langer aprovechó su experiencia en la impresión de polvo de polímero (también conocida como sinterización selectiva por láser o SLS) para presentar la EOSINT M 160, una máquina que él y muchos otros consideran ser la primera impresora 3D de metal.

Esta máquina utilizó una mezcla de metales en polvo como níquel y bronce para imprimir piezas con propiedades mecánicas similares a las fabricadas mediante tecnología de moldeo por inyección de metal (MIM). Claramente fue un gran salto adelante, pero pasaría otra década antes de que EOS comenzara a vender impresoras 3D capaces de crear piezas metálicas "completamente densas", abriendo la puerta a una adopción cada vez más generalizada en las industrias aeroespacial, médica, de transporte y energética.

Langer y su equipo denominaron a esta tecnología temprana “sinterización directa de metal por láser” o DMLS, un acrónimo que ya no es del todo exacto. Como se señaló, esas primeras máquinas de lecho de polvo requerían bronce o un metal similar de baja temperatura de fusión para actuar como aglutinante; por el contrario, las impresoras DMLS modernas tienen suficiente potencia láser para fundir o “fusionar” incluso los materiales más resistentes al calor, incluidos el titanio, el Inconel, el Hastelloy y los metales refractarios como el tungsteno y el niobio. Esta es la razón por la que EOS ha cambiado desde entonces el verbo DMLS "sintering" por "schmelzen" (en alemán, "derretir"), un término más preciso y que también les permite conservar su acrónimo de larga data y marca registrada.

Dejando a un lado la breve lección de historia, EOS tiene mucha competencia de otros fabricantes de impresoras 3D, muchos de ellos con sus propias siglas especiales. Por ejemplo, SLM Solutions Group AG ha registrado su tecnología de lecho de polvo metálico homónima, SLM, abreviatura de fusión por láser selectiva. Concept Laser, ahora parte de GE Additive, tiene su tecnología LaserCUSING, 3D Systems ofrece DMP (impresión directa de metal), TRUMPF ha desarrollado la fusión láser de metales (LMF) y Velo3D ofrece su sistema Sapphire con su proceso de fusión inteligente subyacente.

Todos son ejemplos de fusión láser en lecho de polvo (LPBF), un subconjunto de metales de la tecnología descrita por ASTM International como fusión en lecho de polvo (PBF), que también incluye la impresión de polímeros. Como su nombre lo indica, las impresoras LPBF utilizan un lecho de polvo metálico, sobre el cual se coloca un láser o una serie de láseres que realizan la tarea descrita al principio: trazar el contorno y la trama o rellenar el interior de cada capa de pieza digital. Esto crea un pequeño "charco" de metal derretido que se fusiona con la capa inferior, se enfría y se solidifica inmediatamente una vez que ha pasado el láser.

Estrechamente relacionada con LPBF está la fusión por haz de electrones (EBM), que, como se puede imaginar, utiliza un haz de electrones en lugar de un láser para realizar la fusión. Al momento de escribir este artículo, sólo existe un importante proveedor de EBM: Arcam, ahora propiedad de GE Additive. Independientemente del método de entrega de energía, los dos procesos son bastante similares. Ambos son también mucho más complejos de lo que se ha descrito hasta ahora, y aquí es donde cada fabricante de impresoras 3D comienza a diferenciarse del resto.

Por ejemplo, los constructores calientan sus lechos de polvo metálico para reducir el choque térmico que se produce cuando la luz láser o los electrones de alta energía inciden en un polvo metálico que de otro modo sería frío; dependiendo del material, la impresora y la geometría de la pieza, esta temperatura puede ser de varios cientos de grados C ( alrededor de 600 °F) o más.

Y debido a que el oxígeno y la humedad causan todo tipo de estragos en los haces de electrones y los charcos de fusión, y también tienden a reaccionar con metales como el titanio y el aluminio, el ambiente dentro de la cámara de construcción de una impresora 3D de metal debe controlarse estrictamente. En la mayoría de los casos, se genera un vacío para extraer aire y otras impurezas de la cámara, después de lo cual se llena con una cantidad precisa de argón o gas inerte similar. Una vez más, cada constructor tiene su propio enfoque único, aunque cada uno debe seguir las mismas leyes de la física.

Otra consideración importante es el método de introducción de materia prima fresca una vez completada cada capa. Algunas impresoras 3D utilizan una cuchilla de metal duro o plástico para raspar una fina capa de polvo sobre la pieza de trabajo en crecimiento. Otros utilizan un rodillo, compactando el material a medida que avanza, y algunos emplean un método de escobilla de goma rígida o un sistema alternativo de repintado sin contacto. El desafío en todos los casos es entregar una cantidad constante y predecible de pólvora a través de una superficie que no es necesariamente plana y que, en realidad, puede tener pequeñas protuberancias y bordes afilados que pueden atrapar la hoja al pasar, un evento desafortunado conocido como "chocar la hoja". construir."

Este último punto nos lleva al Santo Grial de la fusión de lechos de polvo con láser: gestionar las intensas tensiones térmicas que hacen que las capas de piezas individuales se deformen o doblen hacia arriba durante la construcción, tensiones que requieren un tratamiento térmico posterior para aliviarlas. Al igual que con ciertos tipos de impresión de polímeros, la solución aquí es anclar la pieza a la placa de construcción (el elemento extraíble sobre el que se construyen la mayoría de las piezas metálicas) y a otras piezas o secciones de piezas utilizando estructuras tipo andamio estratégicamente ubicadas. Sin embargo, el control preciso de la salida del láser y la atmósfera dentro de la cámara de construcción puede ayudar a reducir o, en algunos casos, eliminar la necesidad de dichas estructuras.

De todos modos, una vez que la pieza impresa en 3D se ha cortado de la placa de construcción utilizando una sierra de alta precisión o una máquina de electroerosión por hilo, estos "soportes" deben retirarse mediante mecanizado CNC, rectificado manual o robótico o métodos de desbarbado vibratorio. Aquí también existe una oportunidad para suavizar los acabados superficiales característicamente rugosos generados por la mayoría de los procesos de fabricación aditiva y para terminar las características de piezas de tolerancia estrecha o de aplicación crítica de la máquina. Todos estos son una parte integral del proceso de impresión 3D. Por esta razón, entre otras, la impresión 3D de metal y el mecanizado tradicional (también conocido como tecnologías de fabricación sustractiva) seguirán complementándose en el futuro previsible.

Hay más formas de despellejar al gato AM de metal que LPBF y EBM. Una de ellas es la deposición de energía dirigida (DED), una tecnología que se utiliza comúnmente para reparar piezas como álabes de turbinas, pero que también es muy adecuada para construir componentes metálicos desde cero. Al igual que con la capa de polvo láser (y, de hecho, con todas las tecnologías de impresión 3D), existen numerosas iteraciones específicas de marcas, entre ellas la conformación de red con ingeniería láser (LENS) de Optomec, la deposición de metal por láser (LMD) de TRUMPF y la deposición directa de metal (DMD) de Precision Optical. Fabricación (POM).

Muchos sistemas DED inyectan una corriente de polvo metálico en la trayectoria de un láser de alta potencia que se dirige a una pieza de trabajo existente o a una placa de construcción. A medida que los dos se fusionan, se forma un charco de fusión en la superficie, lo que da como resultado una deposición neta de material dentro de una región bien definida. Se requiere una cámara de construcción sellada llena de gas inerte para metales reactivos como el titanio; de lo contrario, se usará un gas protector que rodea la viga y elimina el oxígeno del área de construcción en aleaciones menos reactivas como el acero inoxidable.

Otros fabricantes de máquinas DED consumen materia prima de alambre en lugar de polvo metálico. Uno de ellos es EBAM de Sciaky, abreviatura de fabricación aditiva por haz de electrones. Pero también está Norsk Titanium con su deposición rápida por plasma (RPD), 3DMP (impresión de metal 3D) de Gefertec, Lincoln Electric y WAAM (fabricación aditiva por arco de alambre), y muchos otros. En términos generales, todos caen bajo el paraguas de DED, ya sea DED por cable, DED por arco o WAAM.

Irónicamente, esta última es la forma más antigua conocida de AM metálico. En 1925, el inventor Ralph Baker de Wilkinsburg, Pensilvania, junto con su empleador Westinghouse Electric, solicitaron una patente sobre el “Método de fabricación de artículos decorativos” de Baker. Describe el uso de soldadura por arco “para producir receptáculos o contenedores de formas ornamentales y útiles”, un proceso prácticamente indistinguible del actual revestimiento de alambre, revestimiento duro y otros métodos bien conocidos para construir superficies de piezas.

Lo que ha cambiado con respecto a la era de Baker es el uso de un pórtico CNC o control de movimiento robótico para impulsar el cabezal de deposición, lo que le permite rastrear geometrías de piezas complejas en tres dimensiones. Esto le da a DED una gran flexibilidad, sin importar su productividad. Algunos sistemas DED cuentan con velocidades de deposición de aproximadamente una docena de kilogramos por hora en una amplia gama de aleaciones de alto rendimiento, entre ellas cobre, titanio, acero inoxidable y metales refractarios.

La NASA, por ejemplo, está explorando el uso de DED a base de polvo para construir boquillas de escape de muchos metros de diámetro. De manera similar, Relativity Space ha impreso con éxito en 3D tanques de combustible igualmente masivos y se dice que ha reducido las piezas necesarias para construir un cohete típico de 100.000 a solo 1.000 componentes. Lincoln Electric y otros proveedores de DED pueden producir rápidamente componentes de maquinaria y herramientas a gran escala que antes requerían meses de construcción. Equipando centros de mecanizado de cinco ejes con cabezales DED, como lo han hecho los fabricantes de máquinas DMG MORI, Okuma y Mazak, se puede lograr la llamada fabricación híbrida de piezas complejas y de alta precisión en una sola operación.

El polvo también se puede aplicar de otras formas. Por ejemplo, Markforged ha desarrollado medios para unir polvo metálico con un material similar a la cera en largos carretes de filamentos que se parecen mucho a los que se encuentran en las desmalezadoras. De funcionamiento idéntico a la fabricación de filamentos fundidos (FFF) a base de polímeros, este material relleno de metal se alimenta a través de un cabezal de extrusión calentado y se deposita sobre la superficie de trabajo inferior, construyendo piezas a medida que avanza. Cuando están listos, se lavan para eliminar la mayor parte del agente aglutinante y luego se sinterizan en un horno hasta que se curan. Llaman a su proceso metal FFF.

Desktop Metal ha inventado una tecnología similar. Su Studio System emplea deposición de metal ligado (BMD), que, como su nombre lo indica, se basa en varillas de polvo de metal ligado preenvasado que se extruyen capa por capa para construir la pieza de trabajo. Sin embargo, en lugar de una operación de lavado secundario, las piezas pasan por un proceso de sinterización de dos etapas. Ambos sistemas están diseñados para simplificar el proceso de impresión y eliminar la necesidad de polvos metálicos sueltos, lo que permite su uso incluso en entornos de oficina.

Luego está el chorro de aglutinante. Aquí, se pulveriza selectivamente un aglutinante a base de polímero sobre la superficie de un lecho de polvo metálico, manteniendo temporalmente las partículas juntas. De manera similar a los sistemas LPBF, luego se aplica una capa de polvo fresco sobre la superficie y el proceso se repite, produciendo finalmente una pieza "verde". Al igual que con otros sistemas de AM que dependen de la sinterización, estas construcciones relativamente frágiles deben lavarse con solvente o curarse con luz ultravioleta antes de dirigirse al horno para el proceso de fusión final, donde se vuelven completamente densas.

Hay mucho más allá de las tecnologías basadas en sinterizado. Por ejemplo, la fabricación aditiva ultrasónica (UAM) de Fabrisonic utiliza una “bocina” para proyectar ondas sonoras de alta frecuencia extrema sobre láminas delgadas de metal, uniéndolas. Incluso se pueden unir metales diferentes como el titanio y el aluminio para crear sándwiches de metal y, cuando se combinan con un cabezal de fresado CNC, es posible crear piezas complejas que contengan electrónica integrada. Luego está Jason Jones de Hybrid Manufacturing Technologies, quien inventó el revestimiento láser y los cabezales de extrusión de polímeros que pueden adaptarse a cualquier fresadora CNC, torno multitarea o brazo robótico. Y los fabricantes de máquinas herramienta Matsuura y Sodick han llevado LPBF un paso más allá al incorporar AM metálico en ciertos modelos de centros de mecanizado vertical, brindando a los fabricantes la capacidad de imprimir y mecanizar moldes de inyección de plástico con canales de enfriamiento conformes en una sola operación.

¿La comida para llevar? La impresión 3D en metal apenas está comenzando.

Ningún artículo sobre fabricación aditiva de metales estaría completo sin una breve mención del diseño de piezas fabricadas aditivamente, principios a los que muchos se refieren como DfAM. En cierto modo, es la parte más importante de la conversación, especialmente en lo que respecta a la fabricación aditiva de metales. Esto se debe a que todas las formas de impresión 3D (metal, polímero o de otro tipo) presentan a los diseñadores oportunidades que antes no estaban disponibles para productos más fuertes, livianos y efectivos que han sido optimizados para la aplicación prevista.

Sin embargo, aprovechar estas capacidades depende de dos cosas: la habilidad del diseñador y el software que utiliza. Lograr el primero de ellos requiere educación, experiencia y una gran cantidad de trabajo duro. La buena noticia es que los fabricantes de impresoras 3D y la comunidad AM en general ofrecen muchos recursos para cada uno, sin importar el hecho de que universidades como Penn State han comenzado a ofrecer títulos en ingeniería aditiva. Para una persona joven (o incluso para una no tan joven) es un buen momento para estar en la industria manufacturera.

En cuanto al software relacionado con AM, la industria CAD ha hecho un buen trabajo para mantenerse al día y, en algunos casos, superar el desarrollo de impresoras 3D, y ahora ofrece productos que van mucho más allá de las herramientas de corte y preparación de construcción a las que me refiero anteriormente. Optimización de la topología, diseño generativo, gestión del flujo de trabajo de AM: estos son solo algunos de los sistemas disponibles para los fabricantes de aditivos, grandes y pequeños, y todos ellos sirven para hacer que los diseños de piezas de AM sean más sólidos y el proceso de impresión 3D más eficiente.

Hay muy buenas razones para todo esto. La fabricación aditiva promete una serie de beneficios que se extienden mucho más allá de la fábrica. Como dijo recientemente el director ejecutivo de Velo3D, Benny Buller, la fabricación aditiva permite imprimir localmente y generar disrupción a nivel mundial. Esta afirmación aparentemente simple tiene profundas implicaciones. Significa cadenas de suministro más cortas, ciclos de diseño y desarrollo acelerados, reducción del tiempo de inactividad de los equipos y mayor eficiencia del producto. Quizás lo más importante es que significa mucho menos desperdicio, tanto de tiempo, energía como de recursos naturales, todo lo cual es una buena noticia para el planeta y las personas que dependen de él.

Un agradecimiento especial a los expertos en fabricación aditiva y proveedores de soluciones 3D Systems, Nexa3D, Markforged, Optomec, Stratasys Direct Manufacturing y Velo3D por sus aportes y verificación de datos durante la redacción de este artículo.

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