Tipos de impresión 3D en metal
El polvo metálico es la columna vertebral de la impresión 3D en metal. Aunque es difícil y peligroso de manejar en bruto, sus características únicas lo convierten en el tipo de material metálico por excelencia. La gran mayoría de las tecnologías de impresión 3D en metal utilizan polvo metálico. Por eso, las principales diferencias entre los tipos de impresoras 3D en metal se refieren a cómo fusionan estas el polvo para convertirlo en piezas metálicas. Estos métodos varían enormemente, desde el uso de láseres de alta energía para fusionar polvo suelto hasta la extrusión de filamento de polvo metálico aglomerado. En este artículo echaremos un vistazo a los tipos de impresión 3D en metal más utilizados, cómo funcionan y cuáles son sus ventajas.
Fusión de lecho de polvo
Conocida por muchos nombres, la fusión de lecho de polvo es actualmente el tipo más común de impresión 3D en metal. Estas máquinas distribuyen una fina capa de polvo sobre una plataforma de fabricación y funden selectivamente una sección transversal de la pieza en la capa de polvo. Existen dos tipos distintos de técnicas de fusión de lecho de polvo: Fusión selectiva por láser y fusión por haz de electrones.
Fusión selectiva por láser (SLM)
También recibe el nombre de: sinterizado directo de metal por láser (DMLS), sinterizado selectivo por láser (SLS), impresión directa en metal (DMP) o fusión de lecho de polvo por láser (LPBF).
La mayoría de las máquinas de fusión de lecho de polvo son máquinas de fusión selectiva por láser (SLM). Las máquinas SLM utilizan láseres de alta potencia para crear piezas fusionando capas metálicas. Tras la impresión, el operario retira la pieza (o piezas) del lecho de polvo, la separa de la plataforma de fabricación y la posprocesa. Es el estándar actual de impresión 3D en metal; la mayoría de las empresas del sector de la fabricación aditiva en metal venden máquinas SLM.
Al ser la variante más evolucionada de la impresión 3D en metal, la SLM se considera a menudo el estándar con el que se comparan el resto de las tecnologías. La fusión selectiva por láser es ideal para crear piezas precisas y geométricamente complejas que no podrían mecanizarse de otro modo. Encajan en una amplia variedad de aplicaciones: desde el sector odontológico y sanitario hasta la industria aeroespacial. Los volúmenes de construcción van de muy pequeños (cubo de 100 mm) a grandes (800 mm x 500 mm x 400 mm), y la velocidad de impresión es moderada. La precisión de estas máquinas viene determinada por la anchura del haz láser y la altura de la capa. La mayoría de los materiales que se pueden imprimir en 3D hoy en día se pueden utilizar en una máquina SLM.
Aunque son máquinas revolucionarias, como tienen numerosos requisitos en cuanto a las instalaciones y el posprocesado, suelen utilizarlas únicamente los usuarios industriales. Las máquinas SLM requieren profesionales cualificados para manejarlas. El proceso es complicado y muchas piezas deben imprimirse y ajustarse varias veces para obtener el resultado esperado. Tras la impresión, la mayoría de las piezas necesitan un nivel considerable de posprocesado y tratamiento térmico. Además, el polvo metálico que utilizan estas máquinas es extremadamente peligroso y caro de manipular: la mayoría de las máquinas SLM de funcionalidad completa cuestan más de un millón de dólares y se necesita un técnico cualificado para manejarlas.
Fusión por haz de electrones (EBM)
Las máquinas EBM utilizan un haz de electrones en lugar de un láser para fabricar las piezas. GE Additive es la única empresa que fabrica máquinas EBM. El haz de electrones produce una pieza menos precisa que la SLM, pero el proceso en su conjunto es más rápido para piezas más grandes. Estas máquinas tienen casi todas las mismas limitaciones, costes y problemas que las máquinas SLM, pero se utilizan sobre todo en aplicaciones aeroespaciales y médicas. Al igual que la SLM, las máquinas EBM cuestan más de un millón de dólares y se necesita un técnico cualificado para manejarlas.
Deposición de energía directa (DED)
La deposición de energía directa usa metal como materia prima y un láser para fabricar las piezas. A diferencia de la fusión de lecho de polvo, el material (que puede ser polvo o hilo de metal) y el láser se sitúan en un único cabezal de impresión que dispensa y fusiona el material simultáneamente. Las piezas resultantes son muy similares a las de la fusión de lecho de polvo, aunque esta tecnología presenta algunas diferencias clave y también ofrece otras oportunidades.
Deposición de energía directa de polvo
También recibe el nombre de: Deposición de material por láser (LMD), polvo soplado
Muy similar a la fusión selectiva por láser, la deposición de energía directa también utiliza un láser y polvo metálico para fabricar piezas metálicas. En lugar de esparcir el polvo sobre un lecho y fundirlo con un láser, las máquinas DED soplan con precisión el polvo desde un cabezal de impresión sobre una pieza, utilizando un láser en el cabezal para fundirlo con la pieza en construcción.
Como ambas máquinas utilizan polvo metálico y un láser, las piezas impresas con DED son muy similares a las impresas con SLM, con una excepción fundamental: las máquinas DED pueden utilizar su exclusivo sistema de distribución de polvo para reparar piezas no impresas que presenten deficiencias. Los materiales disponibles, el posprocesado y los requisitos de gestión del polvo son análogos a los de la SLM, y las máquinas también cuestan alrededor de un millón de dólares.
DED de hilo de metal
También recibe el nombre de: Fabricación aditiva por haz de electrones (EBAM)
Las máquinas DED de hilo de metal utilizan un láser para fundir la materia prima de forma muy similar a sus homólogas DED de polvo; sin embargo, como materia prima usan hilo de metal en lugar de polvo soplado. Se trata de una tecnología de nicho que se utiliza con volúmenes de construcción mayores (de hasta 5 m x 1 m x 1 m) y tiempos de impresión más rápidos en detrimento de la precisión y la calidad. Como resultado, las piezas de DED de hilo de metal están diseñadas para ser considerablemente más grandes y menos precisas que las que se fabrican mediante máquinas de lecho de polvo. Cada una de estas máquinas cuesta varios millones de dólares y son muy poco habituales.
Inyección de aglutinante
La inyección de aglutinante (Binder Jetting) es un método de impresión 3D en metal a gran escala y de alta fidelidad que puede sustituir la SLM como principal método de impresión 3D basado en polvo suelto. En los dos últimos años, esta tecnología ha pasado de un único fabricante a varias empresas (algunas de las cuales lideran el sector de la fabricación aditiva). Por su rapidez y escalabilidad, puede ser la tecnología que catapulte la fabricación aditiva en metal a las grandes tiradas de producción.
La tecnología de inyección de aglutinante metálico es similar a la que utiliza una impresora convencional (2D) para inyectar tinta rápidamente en el papel. Primero, una máquina de inyección de aglutinante distribuye uniformemente polvo metálico sobre el lecho de impresión, formando una capa sin aglutinar. A continuación, un cabezal de inyección similar al de una impresora 2D distribuye el polímero aglutinante en la forma de la sección transversal de la pieza, adhiriendo el polvo suelto. El proceso se repite hasta que la máquina produce un conjunto acabado de piezas completas.
Las piezas impresas en máquinas de inyección de aglutinante requieren un paso de posprocesado denominado «sinterización» para convertirse totalmente en metálicas. En este proceso, la pieza impresa se calienta en un horno hasta justo por debajo de su temperatura de fusión. El material aglutinante se quema y el polvo metálico se une para formar una pieza metálica completa. Este proceso puede hacerse por lotes, lo que significa que no afecta al rendimiento de manera significativa.
La inyección de aglutinante presenta dos grandes ventajas frente a la fusión selectiva por láser. En primer lugar, las máquinas pueden imprimir mucho más rápido utilizando varios cabezales para inyectar en varios lugares simultáneamente. En segundo lugar, la máquina puede fabricar decenas e incluso centenares de unidades de la misma pieza a la vez. Estas piezas se pueden sinterizar en un gran horno para conseguir una infraestructura de producción por lotes manejable. Como resultado, la inyección de aglutinante es notablemente más rápida por pieza que cualquier otro método de impresión en metal. Esta velocidad (y los requisitos de gestión del polvo) conlleva unos costes enormes: actualmente, el precio de las únicas máquinas de este tipo está muy por encima del millón de dólares.
Extrusión de polvo aglomerado
También recibe el nombre de: fabricación aditiva por difusión atómica, deposición de polvo aglomerado
La extrusión de polvo aglomerado (BPE) es una novedad prometedora en el ámbito de la fabricación aditiva en metal. A diferencia de casi todos los demás procesos importantes de impresión 3D, las máquinas BPE no utilizan polvo metálico suelto. En su lugar, el polvo se une en polímeros cerosos del mismo modo que se crea el material de moldeo por inyección de metal. El resultado es un material mucho más seguro y fácil de usar que el polvo suelto: el material de extrusión de polvo aglomerado puede manipularse manualmente y no requiere las medidas de seguridad que sí requieren las máquinas de polvo suelto. El filamento BPE se extruye de una boquilla de forma muy similar a la impresión 3D FFF estándar, obteniéndose una pieza «en verde» que contiene polvo metálico distribuido uniformemente en polímero ceroso. Tras la impresión, el BPE tiene dos pasos de posprocesado: primero, el polímero se disuelve en su mayor parte en una máquina de «lavado», y después la pieza lavada se sinteriza en un horno (similar a la inyección de aglutinante). Durante el proceso de sinterizado, la pieza se contrae para compensar el espacio abierto por el aglutinante disuelto, dando lugar a una pieza totalmente metálica.
Como proceso de impresión basado en filamentos, las limitaciones de las piezas BPE son muy similares a las de la impresión convencional de plástico FFF: funciona bien para casi todas las geometrías de piezas y puede imprimir con relleno de celda abierta. Las piezas impresas con sistemas BPE suelen requerir un tratamiento posterior —tratamiento térmico para piezas que necesitan propiedades avanzadas (aunque esto es necesario para todos los metales) y mecanizado/pulido posterior para mejorar el acabado de superficie—, pero no hay gestión del polvo y los requisitos de las instalaciones son menores. Las máquinas BPE utilizan un proceso más sencillo para ser mucho más asequibles que otros métodos de impresión 3D en metal, y cuestan entre 120 000 y 200 000 dólares. El sistema Metal X de Markforged utiliza este proceso. Para obtener más información, consulte este artículo sobre el proceso de Metal X.