Filamentos y polvos metálicos para la impresión 3D
Principalmente, hay dos factores que determinan si una aleación metálica se puede imprimir o no hoy en día: la imprimibilidad y la demanda. Aunque existe una gran variedad de procesos de impresión 3D en metal, casi todos se basan en polvos metálicos. Estos materiales adoptan dos formas en la impresión: polvo metálico en bruto para la impresión 3D o filamento de polvo metálico aglomerado para la impresión 3D. Como resultado, los materiales metálicos que se pueden imprimir hoy en día están limitados en gran medida por la disponibilidad del polvo y por si ese polvo se puede aglutinar eficazmente. El aluminio, por ejemplo, es muy difícil de imprimir con buenos resultados, por lo que es relativamente infrecuente.
La impresión 3D en metal es útil para fabricar piezas difíciles de mecanizar, ya sea por su complejidad o por el material, porque puede resultar más barata especialmente en tiradas cortas. Los materiales más duros, como aceros inoxidables, aceros para herramientas, titanio y otros, son más difíciles de trabajar, requieren herramientas de mayor calidad y mejores máquinas, y tienen unos costes generales superiores. Los costes de fabricación adicionales se suman al valor relativo que aporta la impresión 3D, lo que les permite superar el «punto de inflexión» en el que la impresión 3D sale más a cuenta. Al otro lado del espectro, los materiales fáciles y baratos de mecanizar (acero de gama baja, aluminio) no tienen tanta demanda porque se pueden fabricar con facilidad. Tenemos, pues, un grupo de materiales de impresión metálica «comunes» con los que tradicionalmente es muy difícil trabajar, más fáciles de usar con la fabricación aditiva que con la sustractiva.
¿Cuáles son los metales más utilizados para la impresión 3D?
- Aceros inoxidables (17-4 PH, 316L, 304)
- Aceros para herramientas (H13, A2, D2)
- Aleaciones especiales (Inconel, cromo-cobalto y otras)
- Titanio (Ti64)
- Aluminio (4047, 6061, 7075)
Impresión 3D en acero
El acero es el material más utilizado para la impresión 3D en metal. Su resistencia, su capacidad para convertirse en polvo metálico para impresión 3D, su coste relativamente bajo y su posprocesabilidad lo convierten en un material apto para muchas aplicaciones. Se pueden imprimir la mayoría de variedades del acero: las dos más comunes son los aceros inoxidables y los aceros para herramientas. No todos los aceros se imprimen habitualmente: los aceros aleados, que son los más comunes de fabricar convencionalmente, rara vez se imprimen. Debido a sus costes de fabricación convencionales más bajos y a sus propiedades materiales inferiores, no son un material tan valioso para imprimir.
Aceros inoxidables
Los aceros inoxidables son aceros rígidos con una excelente resistencia a la corrosión por su alto contenido de cromo (al menos el 12 % y a menudo hasta el 18 %). Existen dos variedades: austeníticos y martensíticos.
Los aceros inoxidables austeníticos son el tipo más común de acero inoxidable. Son resistentes a la corrosión y se pueden mecanizar y soldar, aunque no se pueden tratar térmicamente. El 303 y el 304 son los tipos más comunes de aceros inoxidables austeníticos, y el 316L es una variante que ofrece la máxima resistencia a la corrosión.
Los aceros inoxidables martensíticos son mucho más duros que los austeníticos, pero más frágiles y menos resistentes a la corrosión. Como grupo, carecen de la versatilidad general de los aceros austeníticos; sin embargo, pueden someterse a tratamiento térmico y endurecerse por precipitación. Son los mejores cuando se necesita un acero inoxidable duro y rígido. El acero inoxidable 17-4 PH es un tipo de acero inoxidable martensítico especialmente útil que puede someterse a tratamiento térmico para ajustarse a una gran variedad de propiedades del material; se trata del acero martensítico más común, aunque también se imprimen otros (como el 420).
Aceros para herramientas
Los aceros para herramientas reciben su nombre por su aplicación más importante: herramientas de todo tipo. Contienen carburo, un compuesto extremadamente duro esencial para aplicaciones como cortar, moler, estampar, moldear o formar. En general, son muy duros, resistentes a la abrasión y se pueden usar a altas temperaturas. Los aceros para herramientas se clasifican según los sistemas de clasificación AISI-SAE, divididos en tipos según su función. Los tres tipos más comúnmente impresos en 3D de metal son la series A, D y H de aceros para herramientas.
Los aceros para herramientas de la serie A son excelentes aceros para herramientas de uso general, con un buen equilibrio de resistencia al desgaste, tenacidad y mecanicidad. Hay ocho variedades de aceros para herramientas de la serie A. El más común es el A2, un acero para herramientas versátil que suele utilizarse para fabricar punzones y troqueles, pero que puede emplearse en una gran variedad de aplicaciones.
Los aceros para herramientas de la serie D están optimizados para ofrecer resistencia al desgaste y dureza. No son especialmente duros y solo se usan en aplicaciones de trabajo en frío. La variedad más común de acero para herramientas de la serie D es el D2, que se utiliza para todo tipo de herramientas de corte: cuchillas, herramientas de corte industrial o incluso cuchillos.
Los aceros para herramientas de la serie H cortan y dan forma al material a temperaturas altas (o cíclicas). No son tan resistentes al desgaste como los aceros para herramientas de las series A o D a bajas temperaturas, pero mantienen bien su resistencia y rigidez a altas temperaturas. Aunque existen muchos tipos de acero para herramientas de la serie H, H13 es la variedad más común impresa en 3D. Su excelente dureza, resistencia al desgaste y resistencia al calor lo convierten en un buen acero para herramientas de uso general optimizado para el uso a altas temperaturas (trabajo en caliente).
Impresión 3D en titanio
Aunque el titanio no es en absoluto un material habitual en la fabricación convencional, sus propiedades únicas y su elevado coste lo convierten en un gran candidato para la impresión 3D. Es fuerte, increíblemente ligero, resistente al calor y a los productos químicos, y puede ser biocompatible. Aunque existen varios tipos de titanio que pueden imprimirse, hay uno con diferencia que es el más común: el titanio 64 (Ti-6Al-4V).
El Ti64 es el tipo de titanio más común tanto en la impresión 3D como en la fabricación convencional. Posee una excelente relación peso-resistencia y puede tratarse térmicamente para mejorar aún más su resistencia. El material también destaca en entornos adversos por su resistencia a la corrosión y al calor. Por eso se utiliza mucho en aeronáutica (misiles, cohetes, aviones), medicina (implantes ortopédicos) y otros lugares en los que una alta relación peso-resistencia resulta positiva.
Impresión 3D en aluminio
El aluminio es especialmente difícil de imprimir. Por esa razón, es un material de impresión relativamente poco común a pesar de ser sumamente habitual en la fabricación convencional. Las variedades que se imprimen suelen ser de aluminio de fundición, no de tipos mecanizables más comunes como el 6061 o el 7075. Todas estas aleaciones de aluminio para fundición contienen una cantidad significativa de silicio (hasta un 12 %) y son más débiles y menos rígidas que el 6061. No está claro cuándo el aluminio se podrá utilizar como material de impresión 3D de forma generalizada, pero hasta entonces materiales como el acero y el titanio consiguen una relación peso-resistencia similar cuando se imprimen con relleno de celdas abiertas.
Aleaciones especiales
Además de utilizar los metales más comunes, las impresoras 3D también pueden fabricar piezas de aleaciones especialmente adecuadas para entornos hostiles. Estas «superaleaciones» —metales que presentan gran solidez, resistencia al calor, buena estabilidad superficial y resistencia a la corrosión o la oxidación— pueden utilizarse en una amplia variedad de aplicaciones de alto rendimiento. Hay dos subgrupos que son los más habituales: Inconel y cromo-cobalto.
Inconel
El Inconel es la aleación de níquel patentada más utilizada y más conocida. Es un material extremadamente duro, rígido y resistente a la corrosión que se utiliza en turbinas, juntas de motores y cohetes. Hay dos formulaciones principales que se imprimen en 3D: el Inconel 718, más fuerte y duro; y el Inconel 625, más resistente al calor. Ambos materiales son increíblemente caros de mecanizar de forma convencional, lo que convierte a la impresión 3D en una alternativa rentable para fabricar piezas de gran precisión.
Cromo-cobalto
El cromo-cobalto es una superaleación conocida por su biocompatibilidad, alta resistencia específica y resistencia a la corrosión. Es, en esencia, una aleación de mayor calidad y precio que el titanio. Al igual que el Inconel, se utiliza en turbinas y otros entornos hostiles. A diferencia del Inconel, puede utilizarse en aplicaciones médicas, como implantes ortopédicos o dentales.
Perspectivas de futuro
El éxito a largo plazo de las impresoras en metal depende en gran medida de su capacidad para admitir una amplia variedad de materiales de forma fiable. En la actualidad, la lista es corta y se centra en los materiales de mayor calidad cuya fabricación resulta más rentable. Sin embargo, a medida que avance la impresión 3D en metal, es de esperar que surjan nuevos filamentos y polvos de impresión 3D en metal con precios más económicos aptos para diferentes plataformas de impresión en metal. Estos materiales, a su vez, abrirán nuevas aplicaciones para la impresión en metal, lo que fomentará su adopción en la industria de la fabricación.