Visión general de polvo de titanio para impresión 3D
El titanio es un metal fuerte, ligero y resistente a la corrosión que resulta ideal para imprimir en 3D geometrías complejas para aplicaciones aeroespaciales, de automoción, médicas y otras aplicaciones exigentes. El polvo de titanio puede utilizarse para imprimir piezas metálicas de densidad completa con excelentes propiedades mecánicas mediante tecnologías de fusión de lecho de polvo como la fusión selectiva por láser (SLM) y la fusión por haz de electrones (EBM).
Este artículo ofrece una guía completa sobre el polvo de titanio para impresión 3D, que incluye composición, propiedades, especificaciones, aplicaciones, ventajas e inconvenientes, proveedores, costes y mucho más.
Composición de polvo de titanio para impresión 3D
El polvo de titanio para la fabricación aditiva está compuesto casi en su totalidad por el elemento titanio. Sin embargo, pueden estar presentes pequeñas cantidades de otros elementos como aluminio, vanadio, hierro, oxígeno, nitrógeno y carbono.
Calidades de titanio para fusión en lecho de polvo
| Grado | Composición |
|---|---|
| Ti 6Al-4V | 90% titanio, 6% aluminio, 4% vanadio |
| Ti 6Al-4V ELI | Igual que Ti 6Al-4V pero con límites más bajos para el oxígeno intersticial, el hierro y el nitrógeno |
| Titanio comercialmente puro de grado 1 | 99.2% Titanio mínimo |
| Titanio comercialmente puro de grado 2 | 99,5% Titanio mínimo |
| Titanio comercialmente puro de grado 3 | 99,8% Titanio mínimo |
| Titanio comercialmente puro de grado 4 | 99,9% Titanio mínimo |
El Ti 6Al-4V es el grado más utilizado actualmente en la fabricación aditiva debido a su excelente relación resistencia-peso, soldabilidad y resistencia a la corrosión. La variante ELI ha mejorado la ductilidad y la resistencia a la fractura.
Los grados de titanio comercialmente puro tienen menor resistencia pero mejor biocompatibilidad para implantes médicos. El titanio de grado 5, con mayor contenido de oxígeno, no suele utilizarse para la fusión en lecho de polvo.
Propiedades de polvo de titanio para impresión 3D Partes
Las piezas de titanio impresas en 3D pueden alcanzar propiedades similares o superiores a las del titanio fabricado tradicionalmente, con la ventaja añadida de la libertad de diseño.
Propiedades mecánicas
| Propiedad | Ti 6Al-4V | Ti 6Al-4V ELI | CP Ti Grado 2 |
|---|---|---|---|
| Resistencia a la tracción | 930 - 1050 MPa | 860 - 965 MPa | 345 - 485 MPa |
| Límite elástico | 825 - 890 MPa | 795 - 875 Mpa | ≥ 275 MPa |
| Alargamiento a la rotura | 8 – 15% | ≥10% | 20% |
| Resistencia a la fatiga | ≥ 400 MPa | ≥ 550 MPa | 275 - 550 MPa |
| Resistencia a la fractura | 55 - 115 MPa√m | ≥ 100 MPa√m | N/A |
El titanio impreso en 3D tiene una rigidez, dureza y resistencia al desgaste comparables a las de los métodos tradicionales de fabricación de titanio. El procesamiento posterior, como el prensado isostático en caliente (HIP), puede mejorar aún más las propiedades del material.
Ventajas
- Elevada relación resistencia/peso
- Resistencia a la corrosión
- Biocompatibilidad y osteointegración
- Libertad de diseño para optimizar la topología
- Reducción de residuos en comparación con los métodos sustractivos
- Los canales de refrigeración conformados aumentan el rendimiento
Limitaciones
- Su alta reactividad con el oxígeno dificulta su manipulación
- Los defectos de impresión, como la porosidad, pueden reducir la vida a fatiga
- Material en polvo caro y problemas de reciclado
- Puede ser necesario un tratamiento posterior para cumplir las especificaciones del material.
Especificaciones de polvo de titanio para impresión 3D
El polvo de titanio utilizado para la fabricación aditiva debe cumplir normas estrictas en cuanto a distribución del tamaño de las partículas, morfología, química y otros atributos.
Distribución por tamaños
| Parámetro | Valor típico | Papel |
|---|---|---|
| Gama de tamaños de partículas | 15 - 45 micras | Determina la resolución mínima de las características, la dispersión del polvo |
| D10 | 20 micras | Indica una fracción de polvo más fina |
| D50 | 30 micras | Tamaño medio de las partículas |
| D90 | 40 micras | Indica partículas más grandes |
| Densidad aparente | 2,7 g/cc | Densidad del lecho de polvo, afecta a la reproducibilidad |
El polvo debe tener una morfología casi esférica con pocos satélites para una dispersión suave del polvo. La química debe ajustarse a las especificaciones de grado con bajos niveles de impurezas.
Otros atributos críticos
- Fluidez
- Contenido residual de oxígeno y nitrógeno
- Consistencia de densidad aparente y de grifo
- Reciclabilidad
- Compatibilidad química con el proceso
- Características de manejo
Cumplir los estrictos requisitos de calidad de cada parámetro es fundamental para fabricar productos sin defectos.
Aplicaciones de polvo de titanio para impresión 3D
La impresión 3D amplía la libertad de diseño del titanio, impulsando su adopción en sectores como:
Aeroespacial
- Soportes estructurales
- Celosías ligeras
- Componentes del motor
Automoción
- Equipamiento para deportes de motor
- Piezas personalizadas
Médico y dental
- Implantes ortopédicos
- Instrumental quirúrgico
- Prótesis específicas para cada paciente
Petróleo y gas
- Válvulas resistentes a la corrosión
- Accesorios de tubería a medida
Productos de consumo
- Equipamiento deportivo
- Cajas de reloj
- Monturas de gafas
La topología optimizada y la refrigeración conforme permiten mejorar el rendimiento de muchas piezas impresas en titanio.
Proveedores de polvo de titanio para impresión 3D
La mayoría de los proveedores de polvo de titanio ofrecen el grado Ti 6Al-4V adaptado a la fabricación aditiva. Algunos también ofrecen servicios de diseño de aleaciones personalizadas.
Principales empresas de polvo de titanio
| Empresa | Grados ofrecidos | Servicios |
|---|---|---|
| AP&C | Ti 6Al-4V, Ti 6Al-4V ELI | Desarrollo de aleaciones personalizadas |
| Tekna | Ti 6Al-4V, Ti 6Al-4V ELI | Esferoidización avanzada del plasma |
| Aditivo para carpinteros | Ti 6Al-4V, Ti 6Al-4V ELI | Amplias pruebas de control de calidad |
| Praxair | Ti 6Al-4V | Atomización de nitrógeno |
| Época | Titanio comercialmente puro | Pedidos de pequeñas cantidades |
Muchos fabricantes de impresoras 3D, como EOS y SLM Solutions, también ofrecen polvos de titanio asociados. Los polvos reciclados son más baratos pero tienen mayores niveles de impurezas.
Coste del titanio en polvo
| Grado | Morfología | Precios |
|---|---|---|
| Ti 6Al-4V | Esférica | $350-$1000 por kg |
| Ti 6Al-4V ELI | Esférica | $500-$2000 por kg |
| CP Ti grado 1-4 | Irregular | $100-$500 por kg |
El coste depende en gran medida del volumen de pedidos, la calidad, los márgenes de los proveedores y el reciclaje.
Pros y contras de polvo de titanio para impresión 3D
Ventajas de la impresión 3D en titanio
- Excelentes propiedades mecánicas
- Alta biocompatibilidad
- Resistencia a la corrosión y al calor
- La baja densidad permite diseños ligeros
- Libertad de diseño para optimizar la topología
- Entrega más rápida de piezas personalizadas
- Reducción de residuos en comparación con el mecanizado
Desventajas de la impresión 3D en titanio
- El polvo de titanio es caro
- La reactividad plantea problemas de manipulación
- Los defectos de porosidad pueden limitar la resistencia a la fatiga
- Puede ser necesario un tratamiento posterior
- El reciclaje de polvo presenta riesgos de contaminación
- Base limitada de proveedores de calidad aeroespacial
Gracias a las continuas mejoras de la tecnología, la productividad y la calidad, la impresión 3D permite casos de uso del titanio inviables con otros métodos.
Comparación de los procesos de impresión en titanio
Las tecnologías de fusión de lecho de polvo, como la fusión selectiva por láser (SLM) y la fusión por haz de electrones (EBM), se utilizan predominantemente para imprimir titanio en 3D en la actualidad.
Fusión selectiva por láser (SLM)
- Mayor resolución y acabado superficial
- Velocidades de construcción más rápidas
- Tamaño limitado de la cámara de fabricación
Fusión por haz de electrones (EBM)
- Construye piezas totalmente densas en vacío
- Excelentes propiedades mecánicas
- Posibilidad de mayores volúmenes de fabricación
- Velocidad de fabricación más lenta que la SLM
Deposición de energía dirigida (DED)
- Repara los componentes existentes
- Añade características a piezas fundidas o forjadas
- Combinación de impresión 3D y mecanizado
- Mayor porosidad que los métodos de lecho de polvo
Cada proceso tiene ventajas y desventajas para la impresión de titanio. La fabricación híbrida que combina procesos aporta flexibilidad.
Normas para el polvo de titanio y las piezas impresas
Las normas de calidad siguen evolucionando con el rápido ritmo de avance de la fabricación aditiva de metales. Algunas normas clave son:
- ASTM F2924 - Especificación estándar para la fabricación aditiva de titanio-6 aluminio-4 vanadio con fusión en lecho de polvo.
- ASTM F3001 - Especificación estándar para la fabricación aditiva de titanio-6 aluminio-4 vanadio ELI (extra low interstitial) con fusión en lecho de polvo.
- ASTM F3184 - Especificación estándar para la fabricación aditiva de aleaciones de acero inoxidable por fusión en lecho de polvo.
- ISO/ASTM 52921 - Terminología estándar para la fabricación aditiva
Estas normas de consenso voluntario ayudan a definir los criterios de aceptación de los atributos críticos del polvo y de la pieza impresa. La cualificación de las piezas por parte del usuario sigue siendo vital.
PREGUNTAS FRECUENTES
¿Cuál es la mejor aleación de titanio para la impresión 3D?
Ti 6Al-4V es actualmente el polvo de aleación de titanio más utilizado para la fabricación aditiva debido a sus excelentes propiedades mecánicas y resistencia a la corrosión combinadas con su disponibilidad comercial. Ti 6Al-4V ELI proporciona una mayor resistencia a la fractura.
¿Con qué métodos se pueden imprimir piezas de titanio en 3D?
La fusión selectiva por láser (SLM) y la fusión por haz de electrones (EBM) son las principales tecnologías de fusión de lecho de polvo utilizadas para imprimir titanio. Los métodos de deposición de energía dirigida (DED) también son capaces pero tienen más porosidad.
¿Necesita soportes el titanio cuando se imprime en 3D?
Sí, el titanio requiere soportes durante la impresión porque se solidifica rápidamente. Es necesario optimizar cuidadosamente los soportes para evitar defectos superficiales y desperdicio de material, al tiempo que se proporciona un anclaje adecuado.
¿Es más barato imprimir en 3D o mecanizar titanio?
Para piezas personalizadas únicas, la impresión 3D de titanio suele ser más barata, ya que no requiere utillaje. Para la producción en serie, el mecanizado CNC del titanio puede tener un coste por pieza inferior, pero los gastos iniciales de preparación y el desperdicio de material son mayores.
¿Qué sectores utilizan piezas de titanio impresas en 3D?
El sector aeroespacial es el que más recurre a la impresión de titanio en la actualidad, gracias a las mejoras en la relación compra-vuelo de componentes complejos. Los sectores de la medicina, la automoción, el petróleo y el gas, los artículos deportivos y el consumo también aprovechan el titanio impreso en 3D.
¿Cuánto cuesta el polvo de titanio para impresión 3D?
El polvo de titanio puede oscilar entre $100-2000 por kilogramo en función de la composición, la calidad, la cantidad del pedido y otros factores. Los polvos esféricos Ti 6Al-4V y Ti 6Al-4V ELI para aplicaciones críticas tienen un precio superior a $500/kg.
¿Cuáles son algunos ejemplos de piezas de titanio impresas en 3D?
La impresión 3D permite fabricar piezas innovadoras de titanio, como soportes de fuselajes, turbinas, componentes para deportes de motor, prótesis personalizadas, moldes de inyección refrigerados e incluso gafas o joyas con complejos diseños reticulares.
