Materiales metálicos para impresión 3D
La impresión 3D, también conocida como fabricación aditivapermite crear piezas metálicas complejas directamente a partir de datos CAD en 3D. A diferencia de los métodos sustractivos tradicionales, como el mecanizado CNC, la impresión 3D construye piezas capa a capa sin necesidad de herramientas o dispositivos específicos.
La impresión 3D sobre metal abre nuevas posibilidades para producir componentes metálicos personalizados, ligeros y de alto rendimiento con geometrías complejas. Las industrias aeroespacial, automovilística, médica y de defensa están adoptando cada vez más la impresión 3D sobre metal para aplicaciones de producción de uso final.
Sin embargo, no todos los metales pueden imprimirse fácilmente en 3D. Los materiales metálicos más utilizados son el aluminio, el titanio, el níquel, el acero inoxidable y las aleaciones de cobalto y cromo. La elección del material depende de los requisitos específicos de la aplicación: solidez, resistencia a la corrosión, rendimiento a altas temperaturas, biocompatibilidad, etc.
Esta completa guía ofrece una visión detallada de los distintos metales y aleaciones utilizados en la impresión 3D. Analizamos la composición, las propiedades, las aplicaciones y los pros y los contras de los materiales metálicos más populares para ayudarle a seleccionar el material adecuado para sus necesidades.
Principales conclusiones sobre los materiales metálicos de impresión 3D:
- Las aleaciones de aluminio ofrecen una buena relación resistencia-peso y resistencia a la corrosión a un coste menor.
- Las aleaciones de titanio ofrecen una excelente resistencia con baja densidad y biocompatibilidad para usos médicos.
- Los aceros inoxidables tienen una gran solidez y resistencia a la corrosión para utillajes y piezas funcionales.
- Las superaleaciones de níquel pueden soportar altas temperaturas, lo que las hace adecuadas para la industria aeroespacial.
- Las aleaciones de cobalto-cromo proporcionan dureza, resistencia al desgaste y biocompatibilidad para implantes dentales y médicos.
- La elección del material depende de los requisitos mecánicos, las necesidades de postprocesado, los costes y la idoneidad del método de impresión 3D.
- La orientación de las piezas, las estructuras de soporte, el grosor de las capas y los parámetros de fabricación deben optimizarse para cada material metálico.
- El tratamiento posterior, como el prensado isostático en caliente, puede mejorar las propiedades finales de la pieza.
Composición de materiales metálicos para impresión 3D
La composición de los elementos de aleación en los metales y la microestructura proporcionan propiedades específicas y determinan la idoneidad del material para la impresión 3D.
Aleaciones de aluminio
El aluminio es conocido por su baja densidad y su buena resistencia a la corrosión. Las aleaciones de aluminio forjado y fundido son las más utilizadas:
| Tipo de aleación | Composiciones |
|---|---|
| 6061 | Mg, Si, Cu, Cr |
| 7075 | Zn, Mg, Cu, Cr |
| A356 | Si, Mg, Cu |
El 6061 ofrece mayor resistencia a la corrosión, mientras que el 7075 tiene mayor resistencia. La A356 es una aleación moldeable.
Aleaciones de titanio
El titanio tiene una elevada relación resistencia-peso y biocompatibilidad, pero puede ser difícil de mecanizar. Aleaciones comunes:
| Tipo de aleación | Composiciones |
|---|---|
| Ti-6Al-4V | Al, V |
| Ti 6242 | Al, Sn |
Ti-6Al-4V ofrece el mejor equilibrio de propiedades y es la aleación de titanio más utilizada.
Aceros inoxidables
Los aceros inoxidables contienen Cr y Ni para ofrecer una buena resistencia a la corrosión. Algunas aleaciones utilizadas:
| Tipo de aleación | Composiciones |
|---|---|
| 316L | Ni, Mo, Cr |
| 17-4PH | Ni, Cr, Cu |
| 303 | S, Cr, Ni |
El 316L proporciona una excelente resistencia a la corrosión. El 17-4PH es un acero inoxidable martensítico endurecido por precipitación.
Superaleaciones de níquel
Las superaleaciones de níquel tienen una gran resistencia y soportan temperaturas extremas. Aleaciones comunes:
| Tipo de aleación | Composiciones |
|---|---|
| Inconel 718 | Ni, Cr, Fe, Nb, Mo |
| Inconel 625 | Ni, Cr, Mo, Nb |
El Inconel 718 se utiliza mucho en aplicaciones aeroespaciales. El Inconel 625 tiene una excelente resistencia a la corrosión.
Aleaciones de cobalto-cromo
Las aleaciones de cobalto-cromo proporcionan dureza, resistencia al desgaste y biocompatibilidad. Se utilizan principalmente dos grados:
| Tipo de aleación | Composiciones |
|---|---|
| CoCrMo | Co, Cr, Mo |
| CoNiCrMo | Co, Ni, Cr, Mo |
Ambos ofrecen propiedades similares. El CoCrMo es el más utilizado.
Propiedades mecánicas de los materiales metálicos
Las propiedades mecánicas del metal determinan el rendimiento de la pieza impresa en 3D. A continuación se muestran las propiedades típicas de las aleaciones más utilizadas:
| Material metálico | Límite elástico (MPa) | Resistencia a la tracción (MPa) | Alargamiento (%) | Densidad (g/cm3) |
|---|---|---|---|---|
| AlSi10Mg | 230 | 450 | 8 | 2.68 |
| Ti-6Al-4V | 880 | 930 | 10 | 4.43 |
| Acero inoxidable 316L | 290 | 515 | 40 | 8 |
| Inconel 718 | 1138 | 1275 | 12 | 8.19 |
| Inconel 625 | 550 | 860 | 35 | 8.44 |
| CoCrMo | 655 | 860 | 8 | 8.3 |
- Las aleaciones de aluminio ofrecen una resistencia media con un alargamiento excelente.
- Las aleaciones de titanio proporcionan una resistencia muy elevada teniendo en cuenta su baja densidad.
- El acero inoxidable 316L ofrece una buena ductilidad y una excelente resistencia a la corrosión.
- Las superaleaciones Inconel son extremadamente resistentes pero menos dúctiles.
- El cromo-cobalto tiene una gran dureza, lo que dificulta su mecanizado tras la impresión.
Aplicaciones de la impresión 3D en metal
La elección del material depende de la aplicación final y de los requisitos específicos de diseño:
| Industria | Aplicaciones | Materiales utilizados |
|---|---|---|
| Aeroespacial | Palas de turbina, soportes estructurales | Aleaciones de titanio, Inconel, Acero inoxidable |
| Automoción | Piezas a medida, utillaje | Aluminio, acero de baja aleación |
| Médico | Implantes, instrumental quirúrgico | Titanio, cromo-cobalto |
| Petróleo y gas | Válvulas, bombas, herramientas | Acero inoxidable, Inconel |
| Defensa | Piezas complejas, blindaje ligero | Aluminio, titanio |
Algunas aplicaciones típicas que aprovechan las piezas metálicas impresas en 3D:
- Aeroespacial: Soportes y componentes estructurales complejos y ligeros
- Automoción: Piezas personalizadas para aplicaciones de automoción
- Medicina: Implantes e instrumental quirúrgico específicos para cada paciente
- Petróleo y gas: Válvulas y bombas de alto rendimiento para oleoductos y gasoductos
- Defensa: Componentes detallados y ligeros para vehículos y equipos
Ventajas e inconvenientes de los principales materiales metálicos
He aquí una comparación de las ventajas y limitaciones de las aleaciones metálicas más utilizadas en la impresión 3D:
| Material | Pros | Contras |
|---|---|---|
| Aluminio 6061 | Bajo coste, buena resistencia a la corrosión | Menor resistencia |
| Aluminio 7075 | Elevada relación resistencia/peso | Difícil de soldar |
| Titanio Ti-6Al-4V | Alta resistencia, baja densidad | Material caro |
| Acero inoxidable 316L | Excelente resistencia a la corrosión | Menor resistencia que las aleaciones |
| Inconel 718 | Resiste temperaturas extremas | Desafío para la máquina |
| Cromo cobalto | Excelente resistencia al desgaste y biocompatibilidad | Ductilidad limitada |
Proveedores de materiales metálicos para impresión 3D
Muchas empresas suministran polvos metálicos e hilo específicamente para procesos de impresión 3D:
| Material | Proveedores clave |
|---|---|
| Aleaciones de aluminio | AP&C, Sandvik, HC Starck |
| Aleaciones de titanio | AP&C, TLS Technik, Tekna |
| Aceros inoxidables | Sandvik, Aditivos Carpenter |
| Superaleaciones de níquel | AP&C, Sandvik, Praxair |
| Aleaciones de cromo-cobalto | AP&C, Sandvik, Soluciones SLM |
Factores como la calidad del polvo, la consistencia, la forma y la distribución del tamaño de las partículas afectan a las propiedades de la pieza final y a la estabilidad del proceso de impresión. Los proveedores más reputados ofrecen aleaciones bien caracterizadas y personalizadas para la AM.
Análisis de costes de los materiales metálicos para impresión 3D
Los costes de material constituyen una parte significativa del coste final de la pieza en la impresión 3D sobre metal. A continuación se muestran rangos de precios aproximados:
| Material | Coste por Kg | Coste por cm3 |
|---|---|---|
| Aleaciones de aluminio | $50-$150 | $0.15-$0.45 |
| Aleaciones de titanio | $350-$1000 | $1.00-$3.00 |
| Aceros inoxidables | $90-$250 | $0.25-$0.75 |
| Inconel 718 | $350-$600 | $2.50-$4.50 |
| Cromo cobalto | $500-$1200 | $3.50-$8.50 |
- Las aleaciones de titanio y cromo-cobalto son las más caras, mientras que el aluminio tiene un precio moderado.
- Los costes de material varían en función del volumen de fabricación: las piezas más grandes en aleaciones caras requieren presupuestos de material más elevados.
- La optimización para reducir los residuos de soporte y el tratamiento posterior puede ayudar a reducir los costes efectivos de material.
Normas para polvos metálicos
Para garantizar impresiones repetibles de alta calidad, los polvos metálicos utilizados en la impresión 3D deben cumplir ciertas normas mínimas:
| Propiedad | Normas clave |
|---|---|
| Distribución granulométrica | ASTM B822, ISO 4490 |
| Fluidez | ASTM B213, ISO 4490 |
| Densidad aparente | ASTM B212, ISO 3923 |
| Densidad del grifo | ASTM B527, ISO 3953 |
| Composición química | ASTM E1479, análisis OES |
- La calidad del polvo influye en las propiedades finales de la pieza, como la densidad, el acabado superficial y las propiedades mecánicas.
- Los polvos esféricos con una distribución controlada del tamaño de las partículas tienen una excelente fluidez.
- La química y la densidad constantes proporcionan estabilidad y repetibilidad al proceso.
Métodos de impresión 3D para metales
Diversas tecnologías de impresión 3D pueden procesar metales y aleaciones:
| Método | Materiales | Principales ventajas | Limitaciones |
|---|---|---|---|
| Cama de polvo Fusion | La mayoría de las aleaciones | Excelente precisión y acabado superficial | Ritmos de construcción lentos |
| Deposición de energía dirigida | La mayoría de las aleaciones | Elementos incorporados en piezas existentes | Resolución inferior |
| Chorro aglomerante | Acero inoxidable | Impresión de alta velocidad | Menor resistencia |
| Extrusión de metales | Aleaciones limitadas | Bajos costes de equipamiento | Menor densidad |
- Las tecnologías de lecho de polvo como el DMLS ofrecen la máxima resolución y precisión.
- La inyección de ligante funciona con una gama más amplia de aleaciones, pero la resistencia final de la pieza es menor.
- La deposición de energía dirigida permite imprimir grandes piezas con forma casi de red.
Requisitos de postprocesamiento
Las piezas metálicas asimétricas suelen requerir un tratamiento posterior para conseguir las propiedades deseadas:
| Post-proceso | Propósito | Materiales utilizados |
|---|---|---|
| Eliminación de soportes | Retirar las estructuras de soporte | Aleaciones con soportes delgados y frágiles |
| Alivio del estrés | Reducir las tensiones residuales | Todas las aleaciones |
| Prensado isostático en caliente | Aumentar la densidad, mejorar las propiedades | Todas las aleaciones |
| Acabado de superficies | Mejorar la rugosidad de la superficie | Todas las aleaciones |
| Tratamiento térmico | Modificar la microestructura | Aleaciones endurecibles como el aluminio |
| Mecanizado | Dimensiones y acabado superficiales precisos | La mayoría de las aleaciones |
- Se recomienda el tratamiento térmico de alivio de tensiones para todas las aleaciones con el fin de evitar distorsiones.
- El tratamiento HIP puede mejorar significativamente las propiedades finales del material.
- El mecanizado CNC proporciona precisión dimensional y acabado superficial.
Cómo elegir un material metálico para la impresión 3D
Siga estas pautas para seleccionar un material metálico óptimo:
- Adaptar las propiedades de la aleación a los requisitos de diseño, como resistencia, dureza, resistencia térmica, etc.
- Algunas aleaciones, como el Inconel, son difíciles de mecanizar.
- Evalúe el tamaño y la geometría de la pieza: algunos metales, como el aluminio, son mejores para piezas grandes.
- Evaluar los volúmenes de producción: crear prototipos con materiales más baratos y luego pasar a aleaciones de mayor rendimiento.
- Tenga en cuenta la disponibilidad y el coste de los materiales desde la fase de diseño.
- Colabore estrechamente con su proveedor de servicios de impresión 3D para seleccionar el mejor material.
- Optimice los parámetros de impresión, como la orientación y el grosor de la capa, en función de la aleación específica elegida.
- Realice construcciones de prueba y pruebas de caracterización de materiales antes de iniciar la producción.
Preguntas frecuentes
P: ¿Qué aleación metálica tiene la mayor resistencia para la impresión 3D?
R: Las superaleaciones de Inconel, como Inconel 718, tienen la mayor resistencia a la tracción, pero son menos dúctiles. El titanio Ti-6Al-4V tiene la mejor relación resistencia-peso.
P: ¿Las piezas impresas en 3D en acero inoxidable son resistentes a la corrosión?
R: Sí, el 316L y otras aleaciones de acero inoxidable mantienen su excelente resistencia a la corrosión después de la impresión 3D.
P: ¿Cuál es la aleación de titanio más utilizada en impresión 3D?
R: Ti-6Al-4V es la aleación de titanio más popular, que comprende 90% de toda la impresión 3D de titanio. Ofrece las mejores propiedades en todos los sentidos.
P: ¿Qué aleación de aluminio es la mejor para la impresión 3D?
R: Los más utilizados son el 6061 y el 7075. El 6061 ofrece una buena resistencia a la corrosión a un coste menor, mientras que el 7075 se elige para aplicaciones estructurales de alta resistencia.
P: ¿Son obligatorios los pasos de posprocesamiento para las piezas metálicas impresas en 3D?
R: El tratamiento posterior, como la eliminación de soportes, el alivio de tensiones y el acabado de superficies, es muy recomendable para optimizar las propiedades y el rendimiento del material.
P: ¿Qué proceso de impresión 3D funciona con la gama más amplia de aleaciones metálicas?
R: El chorro de aglutinante y la deposición de energía dirigida pueden funcionar con la mayoría de las aleaciones, pero la fusión de lecho de polvo produce piezas de mayor resolución.
P: ¿Cómo se compara la precisión de las piezas entre el mecanizado y la impresión 3D de metales?
R: Las piezas mecanizadas con CNC permiten tolerancias más estrictas y un mejor acabado superficial que los metales impresos en 3D. Sin embargo, la impresión 3D permite geometrías más complejas.
P: ¿Qué proceso de impresión 3D en metal tiene las velocidades de construcción más rápidas?
R: El chorro de aglutinante puede alcanzar las velocidades de impresión más altas, construyendo piezas hasta 10 veces más rápido que los procesos de fusión de lecho de polvo.
