Visión general de polvo metálico para impresión 3D
El polvo metálico para impresión 3D es la materia prima utilizada en diversos procesos de fabricación aditiva de metales para producir piezas metálicas tridimensionales capa a capa. A diferencia de la fabricación sustractiva tradicional, que elimina material, la fabricación aditiva crea componentes fundiendo y fusionando material a partir de un modelo digital en 3D.
Los polvos metálicos utilizados en la impresión 3D permiten producir piezas metálicas intrincadas, ligeras y de alto rendimiento con geometrías complejas que son difíciles o imposibles de fabricar por métodos convencionales. Las tecnologías de impresión 3D de metales más comunes que utilizan polvos metálicos incluyen:
- Sinterización directa de metales por láser (DMLS) - Utiliza un láser para fundir y fusionar selectivamente capas de polvo metálico a partir de un modelo CAD en 3D.
- Fusión por haz de electrones (EBM) - Utiliza un haz de electrones en el vacío para fundir y fusionar polvos capa por capa.
- Chorro aglomerante - El agente adhesivo líquido se deposita selectivamente para unir materiales en polvo, que posteriormente se infunden con bronce en un horno de sinterización.
Tipos de polvo para impresión 3D en metal
Hay muchos tipos de metales disponibles en forma de polvo para la impresión 3D. Los polvos metálicos más comunes incluyen:
| Material en polvo | Características principales |
|---|---|
| Acero inoxidable | Resistencia a la corrosión, alta resistencia |
| Aluminio | Ligero, alta conductividad térmica |
| Titanio | Extremadamente resistente pero ligero |
| Cromo cobalto | Biocompatibilidad, resistencia al desgaste. |
| Cobre | Alta conductividad térmica y eléctrica |
| Aleaciones de níquel | Resistencia al calor, durabilidad |
También hay disponibles otros polvos metálicos, como aceros para herramientas, metales preciosos, superaleaciones y aleaciones personalizadas para aplicaciones especializadas. La elección depende de los requisitos mecánicos, las condiciones de funcionamiento, la funcionalidad de la pieza, las necesidades de postprocesado y los costes del material.
Producción de polvo metálico
Los polvos metálicos pueden producirse de varias maneras. Los métodos de producción más comunes incluyen:
Atomización - La corriente de metal fundido se rompe en finas gotitas que se solidifican en partículas de polvo. Esto produce polvos esféricos ideales para la impresión 3D.
- Atomización con agua - Utiliza chorros de agua a alta presión
- Atomización con gas - Utiliza chorros de gas inerte
Electrólisis - El metal se extrae de una solución mediante corriente eléctrica para depositar polvo fino.
Fresado - El fresado mecánico se realiza para triturar el metal y convertirlo en polvo. Esto produce partículas irregulares y angulosas.
También se utilizan otros métodos como la reducción química, la condensación de vapores metálicos y la fusión por inducción de electrodos. La técnica de producción del polvo influye en la forma de las partículas, la distribución de tamaños, la fluidez, la pureza y la microestructura.
Atributos del polvo metálico
Entre los atributos clave del polvo para la impresión 3D se incluyen:
| Parámetro | Descripción |
|---|---|
| Forma de las partículas | Esférico, satélite, angular |
| Tamaño de las partículas | Gama común 10-100 micras |
| Distribución por tamaños | Mezcla de partículas finas y gruesas |
| Fluidez | Capacidad de las partículas para fluir por su propio peso |
| Densidad aparente | Densidad en polvo en condiciones normales |
| Densidad del grifo | Densidad tras golpeteo/agitación mecánica |
| Pureza | Libre de contaminantes como óxidos y nitruros |
| Microestructura | Tamaño de grano, distribución de fases, defectos |
| Contenido en humedad | Debe mantenerse bajo, en atmósfera inerte |
Tamaño y distribución de las partículas influyen directamente en el flujo del polvo, la eficacia de la fusión, la calidad de la superficie, la porosidad y las propiedades mecánicas. Los tamaños más finos mejoran la resolución, mientras que los tamaños más grandes reducen los costes. Lo ideal es una mezcla.
Forma del polvo y textura de la superficie determinan la fricción entre partículas, la fluidez, la esparcibilidad y la densidad aparente. Los polvos suaves y esféricos fluyen y se extienden de forma óptima con una alta densidad de empaquetamiento.
El control de los atributos del polvo y la personalización de las aleaciones requieren conocimientos de metalurgia, producción de polvo, procesos de fabricación aditiva y ciencia de los materiales.
Aplicaciones del polvo metálico para impresión 3D
Las capacidades únicas de la impresión 3D en metal están permitiendo aplicaciones clave en todos los sectores que aprovechan la libertad de diseño, la consolidación de piezas, la reducción de peso y las mejoras de rendimiento:
Aeroespacial - Palas de turbina, armazones estructurales, motores de cohetes
Automoción - Piezas ligeras, prototipos a medida
Médico - Implantes, prótesis, instrumental quirúrgico
Energía - Intercambiadores de calor para las industrias nuclear, petrolera y del gas
Industrial - Robótica y utillaje ligeros
Consumidores - Joyas, piezas de arte decorativo
La impresión 3D facilita la consolidación de conjuntos complejos en una sola pieza. Esto reduce los pasos de fabricación, los plazos de entrega y los costes de la cadena de suministro, y mejora el rendimiento gracias a la optimización del diseño.
polvo metálico para impresión 3D Proveedores
Hay varios proveedores líderes mundiales que fabrican polvos metálicos estándar y personalizados específicamente para la impresión 3D:
| Proveedor | Sede central | Materiales en polvo |
|---|---|---|
| Sandvik | Suecia | Aceros inoxidables, aleaciones de níquel, aleaciones de titanio, aceros para herramientas |
| Aditivo para carpinteros | EE.UU. | Aceros inoxidables, cromo-cobalto, cobre, aleaciones de níquel |
| Praxair | EE.UU. | Titanio, superaleaciones de níquel, acero inoxidable |
| Pulvimetalurgia GKN | EE.UU. | Aceros inoxidables, titanio, aleaciones de aluminio |
| Tecnología LPW | REINO UNIDO | Aleaciones de titanio, aleaciones de aluminio, aceros inoxidables |
La capacidad del proveedor para personalizar la química de la aleación, modificar las características del polvo, garantizar la consistencia entre lotes y colaborar en la calidad de las piezas son factores importantes a la hora de tomar decisiones sobre el suministro de polvo.
Costes del polvo metálico
El coste varía en función de la composición, el método de producción, la pureza, la forma del polvo y la distribución de tamaños. Por término medio:
- El polvo de acero inoxidable 316L cuesta ~$50 por kg
- El polvo de aluminio AlSi10Mg cuesta ~$55 por kg
- El polvo de titanio Ti64 cuesta ~$170 por kg
- El polvo de cromo cobalto cuesta ~$110 por kg
Los proveedores ofrecen descuentos por volumen en función del uso. Los problemas de contaminación dificultan la reutilización de los polvos. El apoyo a la infraestructura de reciclaje de polvo está mejorando para reducir los residuos. En general, el polvo sin fundir representa entre el 30 y el 50% de los costes operativos de la impresión 3D metálica.
Especificaciones del polvo metálico
Las normas del sector están evolucionando en cuanto a especificaciones, métodos de ensayo y certificación del polvo:
| Estándar | Organización | Alcance |
|---|---|---|
| ASTM F3049 | ASTM Internacional | Guía estándar para la caracterización de polvos metálicos para AM |
| ASTM F3056 | ASTM Internacional | Especificación para la fabricación aditiva de aleación de níquel |
| AS9100 rev D | SAE Internacional | Sistemas de gestión de la calidad aeroespacial |
| ISO/ASTM 52900 | ISO/ASTM | Terminología normalizada para el AM - Principios generales |
| ISO/ASTM 52921 | ISO/ASTM | Norma para polvos metálicos utilizados en DMLS/SLM |
Las propiedades clave del polvo, como la distribución del tamaño de las partículas, la velocidad de flujo, la densidad y la composición, se comprueban de acuerdo con estas especificaciones. Los clientes pueden solicitar a los fabricantes de polvo metálico datos de pruebas adicionales, informes de análisis de lotes y certificados de conformidad.
Ventajas e inconvenientes de los polvos metálicos para impresión 3D
Ventajas:
- Producir piezas metálicas 3D complejas, ligeras y optimizadas
- Permitir la consolidación de piezas, la personalización y la innovación en el diseño
- Plazos de comercialización más cortos que en la fabricación convencional
- Reducir los residuos en comparación con las técnicas sustractivas
Limitaciones:
- Costes de material relativamente elevados
- Número limitado de aleaciones cualificadas en comparación con las aleaciones de fundición/forjado
- Requisitos estrictos sobre las características del polvo
- Uso significativo de energía durante la impresión y el postprocesado
- Menor resistencia del material en comparación con los metales forjados
- Desafío para lograr el acabado superficial y las tolerancias dimensionales
La industria y los investigadores académicos de todo el mundo trabajan para mejorar la calidad, ampliar las opciones de aleación, reducir los costes, aumentar la uniformidad e industrializar la AM metálica mediante innovaciones en toda la cadena de valor.
El futuro de los polvos metálicos para impresión 3D
Tendencias clave que configuran la futura hoja de ruta de los polvos metálicos:
Nuevas aleaciones: Más opciones de aleación que igualen las propiedades del aluminio forjado y el titanio ampliarán su adopción en componentes estructurales. Se está investigando en aceros de alta resistencia, aleaciones de cobre y metales preciosos.
Polvos mejorados: Unos controles más estrictos de la distribución del tamaño, la forma y la microestructura darán lugar a polvos adaptados a procesos y aplicaciones específicos de AM. Esto mejora la calidad y las propiedades de los materiales.
Sistemas de reciclaje: Una infraestructura intersectorial para recoger, caracterizar y reutilizar polvos metálicos en un circuito cerrado hará más sostenible la impresión 3D.
Flujos de trabajo automatizados: La racionalización de los flujos de trabajo para la manipulación de polvos mediante contenedores, sensores y vehículos de guiado automático mejorará la seguridad, la coherencia y la productividad.
Infraestructura de certificación: Los institutos centralizados que prestan servicios de certificación de polvo y cualificación de piezas infundirán confianza en industrias críticas como la médica y la aeroespacial para que adopten la AM.
Especialización: Los fabricantes de sistemas, los productores de polvo metálico, los compradores de piezas, las empresas de software y los científicos de materiales especializados en nichos de la cadena de valor de la AM impulsarán la innovación focalizada.
Reducción de costes: Enfoques como la fabricación de polvo a granel, las aleaciones estandarizadas, el postprocesado automatizado y la gestión digital de inventarios mejorarán la economía.
Con los continuos avances en estas áreas, la industrialización y la adopción generalizada de la impresión 3D en metal están preparadas para un fuerte crecimiento durante la próxima década en varios mercados clave.
PREGUNTAS FRECUENTES
P: ¿Cuál es el polvo metálico más utilizado en impresión 3D?
R: El acero inoxidable 316L es el polvo metálico más utilizado en la actualidad debido a sus buenas propiedades mecánicas, soldabilidad y resistencia a la corrosión. Otras opciones populares son el titanio Ti64 y el aluminio AlSi10Mg.
P: ¿Cómo elegir el polvo metálico adecuado para una aplicación?
R: Las consideraciones clave son la temperatura de funcionamiento, la resistencia a la corrosión, la resistencia al desgaste, la resistencia de la pieza, los requisitos de peso, las necesidades de conductividad, la biocompatibilidad, el estado de contacto con los alimentos y las restricciones de postprocesamiento. Consulte los detalles de la aplicación con los fabricantes de polvo para obtener recomendaciones sobre las aleaciones.
P: ¿El uso de polvo metálico más fino mejora la calidad de las piezas?
R: Los polvos más finos (~10-45 micras) mejoran la resolución, el acabado superficial y la precisión porque permiten fundir capas más finas. Pero esto reduce la velocidad de fabricación y aumenta los costes. La mezcla de partículas finas y gruesas ofrece un enfoque equilibrado.
P: ¿Cómo se mantienen los polvos metálicos seguros y libres de contaminación durante su almacenamiento y manipulación?
R: Los polvos metálicos son muy reactivos y propensos a la oxidación. La absorción de humedad también degrada la calidad del polvo con el tiempo. Por eso son esenciales las atmósferas de gas inerte, el almacenamiento al vacío, los contenedores sellados y una exposición mínima al oxígeno/agua con manipulación automatizada del polvo.
P: ¿Pueden reutilizarse los polvos metálicos para reducir los costes de material en la impresión 3D?
R: Sí, pero la reutilización tiene sus inconvenientes. El polvo no utilizado puede reutilizarse, pero se necesitan pruebas exhaustivas para comprobar si hay contaminación, variaciones en la distribución del tamaño de las partículas o en la composición durante múltiples ciclos. Esta caracterización añade costes y riesgos.
