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Fusión selectiva por láser

Esquema de la fusión selectiva por láser y la transferencia de calor en el baño de fusión. La fusión selectiva por láser ( SLM ) es uno de los muchos nombres comerciales [ 1 ] p...

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Esquema de la fusión selectiva por láser y la transferencia de calor en el baño de fusión.

La fusión selectiva por láser ( SLM ) es uno de los muchos nombres comerciales [ 1 ] para una tecnología de fabricación aditiva de metales (AM) que utiliza un lecho de polvo con una fuente de calor para crear piezas metálicas. También conocida como sinterización láser directa de metales ( DMLS ), el término estándar ASTM es fusión de lecho de polvo ( PBF ). PBF es una técnica de prototipado rápido, impresión 3D o fabricación aditiva diseñada para utilizar un láser de alta densidad de potencia para fundir y fusionar polvos metálicos. [ 2 ] [ 3 ]

Historia

La fusión selectiva por láser es una de las muchas tecnologías patentadas de fusión de lecho de polvo, iniciada en 1995 en el Instituto Fraunhofer ILT en Aquisgrán , Alemania. Un proyecto de investigación dirigido por Wilhelm Meiners, Konrad Wissenbach y Andres Gasser dio como resultado la denominada patente básica de SLM del ILT. [ 4 ]

El comité de estándares ASTM International F42 ha agrupado la fusión selectiva por láser en la categoría de "sinterización láser", aunque se reconoce que este término es erróneo, ya que el proceso funde completamente el metal en una masa sólida, homogénea y totalmente densa, a diferencia de la sinterización selectiva por láser (SLS), que es un verdadero proceso de sinterización . Otro nombre para la fusión selectiva por láser es sinterización láser directa de metal (DMLS), nombre registrado por la marca EOS, pero engañoso respecto al proceso real, ya que la pieza se funde durante la producción, no se sinteriza, lo que significa que la pieza es totalmente densa. [ 5 ]

Un proceso similar es la fusión por haz de electrones (EBM), que utiliza un haz de electrones como fuente de energía. [ 6 ]

Proceso

La fusión selectiva por láser (SLM) permite procesar una variedad de aleaciones, lo que posibilita la creación de prototipos funcionales fabricados con el mismo material que los componentes de producción. Dado que los componentes se construyen capa a capa, es posible diseñar geometrías complejas de forma libre, características internas y conductos internos complejos que no podrían producirse mediante técnicas de fabricación convencionales como la fundición o el mecanizado. La SLM produce piezas metálicas duraderas y completamente densas que funcionan bien tanto como prototipos funcionales como piezas de producción para uso final. [ 7 ]

El proceso comienza dividiendo los datos del archivo CAD 3D en capas, generalmente de 20 a 100 micrómetros de espesor, creando una sección transversal 2D de cada capa. Este formato de archivo es el estándar industrial .stl , utilizado en la mayoría de las tecnologías de impresión 3D o estereolitografía basadas en capas . A continuación, este archivo se carga en un software de preparación de archivos que asigna parámetros, valores y soportes físicos que permiten que el archivo sea interpretado y fabricado por diferentes tipos de máquinas de fabricación aditiva.

Mediante la fusión selectiva por láser, finas capas de polvo metálico atomizado se distribuyen uniformemente sobre una placa de sustrato, generalmente metálica, fijada a una plataforma indexada que se mueve en el eje vertical (Z). Este proceso se lleva a cabo dentro de una cámara con una atmósfera controlada de gas inerte , argón o nitrógeno, con niveles de oxígeno inferiores a 1000 partes por millón. Una vez distribuida cada capa, cada sección bidimensional de la geometría de la pieza se fusiona mediante la fusión selectiva del polvo. Esto se logra con un haz láser de alta potencia, generalmente un láser de fibra de iterbio de cientos de vatios. El haz láser se dirige en las direcciones X e Y mediante dos espejos de escaneo de alta frecuencia y se mantiene enfocado a lo largo de la capa gracias a una configuración de lentes F-Theta. La energía del láser es lo suficientemente intensa y focalizada como para permitir la fusión completa de las partículas y formar una estructura sólida. El proceso se repite capa tras capa hasta completar la pieza. [ 8 ]

Las máquinas SLM utilizan principalmente un láser de fibra óptica de iterbio de alta potencia con potencias estándar que oscilan entre 100 y 1000  W. Dentro de la cámara de construcción, hay una plataforma de dispensación de material y una plataforma de construcción, junto con un sistema de recubrimiento (cuchilla o rodillo) que se utiliza para distribuir uniformemente el nuevo polvo sobre la plataforma de construcción. Las piezas se construyen aditivamente capa a capa, generalmente con capas de 30 a 60 micrómetros de espesor. [ 9 ]

Materiales

Las máquinas de fusión selectiva por láser (SLM) pueden operar con un espacio de trabajo de hasta 1 m (39,37  in) en X, Y y Z. [ 10 ] [ 11 ] Algunos de los materiales que se utilizan en este proceso pueden incluir superaleaciones a base de Ni, cobre, aluminio, acero inoxidable, acero para herramientas, cromo cobalto, titanio y tungsteno. SLM es especialmente útil para producir piezas de tungsteno debido al alto punto de fusión y la alta temperatura de transición dúctil-frágil de este metal. [ 12 ] Para que el material se utilice en el proceso, debe existir en forma atomizada (en forma de polvo). Estos polvos son generalmente prealeaciones atomizadas con gas, siendo el proceso más económico para obtener polvos esféricos a escala industrial. La esfericidad es deseada porque garantiza una alta fluidez y densidad de empaquetamiento, lo que se traduce en una dispersión rápida y reproducible de las capas de polvo. Los polvos altamente esféricos con un bajo nivel de porosidad interna se producen mediante atomización por plasma y esferoidización de polvo . [ 13 ] Para optimizar aún más la fluidez, se suelen emplear distribuciones estrechas del tamaño de partícula con un bajo porcentaje de partículas finas como 15 – 45  μm o 20 – 63 μm. Las aleaciones actualmente disponibles utilizadas en el proceso incluyen AISI 316L, AISI 304, C67, F53, H13, acero inoxidable 17-4 PH y 15-5 , acero maraging , cromo cobalto , inconel 625 y 718, aleaciones a base de cobre (latón CW510, Ecobrass, bronce), [ 14 ] aluminio [ 15 ] AlSi10Mg y titanio Ti6Al4V. [ 16 ] Las propiedades mecánicas de las muestras producidas mediante fusión selectiva por láser difieren de las fabricadas mediante fundición. [ 17 ] Las muestras de AlSiMg producidas mediante sinterización láser directa de metales exhiben una resistencia a la fluencia mayor que las construidas con aleación comercial A360.0 fundida en un 43 % cuando se construyen a lo largo del plano xy y un 36 % a lo largo del plano z. [ 17 ] Si bien se ha demostrado que la resistencia a la fluencia del AlSiMg aumenta tanto en el plano xy como en el plano z, la elongación a la rotura disminuye a lo largo de la dirección de construcción. [ 17 ] Esta mejora de las propiedades mecánicas de las muestras de sinterización láser directa de metales se ha atribuido a una microestructura muy fina. [ 17 ] 

Además, la presión de la industria ha añadido más polvos de superaleación a los procesos disponibles, incluido el AM108. No es solo la operación de impresión y la orientación lo que produce un cambio en las propiedades del material, sino también el procesamiento posterior requerido mediante el tratamiento térmico de presión isostática en caliente (HIP) y el granallado lo que cambia las propiedades mecánicas a un nivel de diferencia notable en comparación con los materiales equiaxiales fundidos o forjados. Según una investigación realizada en la Universidad Metropolitana de Tokio, se muestra que la ruptura por fluencia y la ductilidad son típicamente menores para las superaleaciones a base de Ni impresas aditivamente en comparación con el material forjado o fundido. [ 18 ] La direccionalidad de la impresión es un factor influyente importante junto con el tamaño del grano. Además, las propiedades de desgaste son típicamente mejores como se ve en los estudios realizados en Inconel 718 aditivo debido a la condición de la superficie; el estudio también demostró la influencia de la potencia del láser en la densidad y la microestructura. [ 19 ] La densidad del material que se genera durante los parámetros de procesamiento láser puede influir aún más en el comportamiento de la grieta de tal manera que la reapertura de la grieta después del proceso HIP se reduce cuando aumenta la densidad. Es fundamental tener una visión completa del material, incluyendo su procesamiento desde la impresión hasta el postprocesamiento necesario, para poder definir las propiedades mecánicas finales para su uso en el diseño.

Descripción general y beneficios

Entre los beneficios de la fusión selectiva por láser se incluyen: [ 20 ]

  • Reducción de costes
  • Reducción del tiempo entre el diseño y la fabricación.
  • Reducir el número de piezas necesarias en un diseño
  • Reducir el peso de un producto
  • Mejorar la funcionalidad de un producto

Los desafíos actuales que se presentan con SLM son la limitación en los materiales procesables, la falta de desarrollo de los parámetros del proceso y los defectos metalúrgicos como el agrietamiento y la porosidad. [ 20 ] Los desafíos futuros incluyen la imposibilidad de crear piezas completamente densas debido al procesamiento de aleaciones de aluminio. [ 20 ] Los polvos de aluminio son ligeros, tienen alta reflectividad, alta conductividad térmica y baja absortividad láser en el rango de longitudes de onda de los láseres de fibra que se utilizan en SLM. [ 20 ]

Estos problemas pueden superarse investigando más a fondo cómo interactúan los materiales al fusionarse.

Formación de defectos

Esquema de los principales defectos y fenómenos microestructurales producidos mediante impresión 3D en relación con SLM, particularmente en lo que respecta a transformaciones de estado sólido, dinámica de fluidos térmicos y dinámica de partículas. [ 21 ]

A pesar de los grandes avances que la SLM ha aportado a la fabricación aditiva , el proceso de fusión de un medio en polvo mediante un láser concentrado genera diversos defectos microestructurales a través de numerosos mecanismos que pueden afectar negativamente la funcionalidad y la resistencia de la pieza fabricada. Si bien se han investigado muchos defectos, en esta sección revisaremos algunos de los principales que pueden surgir con la SLM.

Dos de los defectos mecánicos más comunes incluyen la falta de fusión (FF) o el agrietamiento dentro de las regiones solidificadas. La FF implica el atrapamiento de gas dentro de la estructura en lugar de un sólido cohesivo. Estos defectos pueden surgir por no usar una fuente láser con la potencia adecuada o por escanear la superficie del polvo demasiado rápido, lo que provoca una fusión insuficiente del metal e impide un entorno de unión fuerte para la solidificación. El agrietamiento es otro defecto mecánico en el que la baja conductividad térmica y los altos coeficientes de expansión térmica generan cantidades suficientemente altas de tensiones internas para romper los enlaces dentro del material, especialmente a lo largo de los límites de grano donde hay dislocaciones. [ 22 ]

Además, aunque SLM solidifica una estructura a partir de metal fundido , la dinámica de fluidos térmicos del sistema a menudo produce composiciones no homogéneas o porosidad no deseada que pueden afectar acumulativamente la resistencia general y la vida útil a la fatiga de una estructura impresa. Por ejemplo, el haz láser dirigido puede inducir corrientes de convección al impactar directamente en una zona estrecha de "ojo de cerradura" o a lo largo del metal semifundido que pueden afectar la composición general del material. [ 23 ] De manera similar, se ha descubierto que durante la solidificación, las microestructuras dendríticas progresan a lo largo de gradientes de temperatura a diferentes velocidades, produciendo así diferentes perfiles de segregación dentro del material. [ 24 ] En última instancia, estos fenómenos de dinámica de fluidos térmicos generan inconsistencias no deseadas dentro del material impreso, y seguirá siendo necesaria una mayor investigación para mitigar estos efectos.

La formación de poros es un defecto muy importante cuando las muestras se imprimen mediante SLM. Se observa que los poros se forman durante los cambios en la velocidad de escaneo del láser debido a la rápida formación y posterior colapso de profundas depresiones en forma de ojo de cerradura en la superficie, que atrapan gas de protección inerte en el metal solidificado. [ 25 ] Otra posible causa de la formación de poros es el llamado efecto de aglomeración, que se obtiene con frecuencia en el caso de aceros inoxidables austeníticos. [ 26 ] La mala humectabilidad de la superficie y los bajos aportes de energía pueden provocar la ruptura de la pista de fusión para minimizar la energía. En consecuencia, se forman varios puntos de fusión esféricos, dejando poros después de la solidificación. [ 27 ] [ 28 ]

Por último, los efectos secundarios derivados del haz láser pueden afectar involuntariamente las propiedades de la estructura. Un ejemplo de ello es el desarrollo de precipitados de fase secundaria dentro de la estructura principal debido al calentamiento repetitivo de las capas inferiores solidificadas a medida que el haz láser recorre el lecho de polvo. Dependiendo de la composición de los precipitados, este efecto puede eliminar elementos importantes del material principal o incluso fragilizar la estructura impresa. [ 29 ] Además, en lechos de polvo que contienen óxidos, la potencia del láser y las corrientes de convección producidas pueden vaporizar y dispersar los óxidos en otras zonas. Estos óxidos se acumulan y presentan un comportamiento no humectante, generando así una escoria que no solo elimina las propiedades beneficiosas del óxido en la composición, sino que también crea un microambiente favorable para el agrietamiento del material.

Propiedades mecánicas

Durante los procesos de fusión selectiva por láser (SLM) se presentan elevados gradientes de temperatura , lo que genera condiciones de no equilibrio en la interfaz sólido-líquido. Esto provoca una rápida solidificación, ya que el baño de fusión experimenta una transformación de fase de líquido a sólido. En consecuencia, pueden producirse diversos efectos, como la formación de fases de no equilibrio y cambios en la microestructura.

Por las razones expuestas anteriormente , las propiedades mecánicas de las aleaciones producidas mediante SLM pueden diferir sustancialmente de las de sus contrapartes fabricadas convencionalmente en su estado inicial. Una característica fundamental de las aleaciones fabricadas mediante SLM es la gran anisotropía en sus propiedades mecánicas. Mientras que la estructura granular en los metales fundidos se caracteriza típicamente por granos isotrópicos y aproximadamente uniformes, las aleaciones fabricadas mediante SLM presentan una elongación sustancial de los granos en la dirección de construcción. [ 30 ] La anisotropía en la estructura granular está asociada con la anisotropía en la distribución de defectos, la dirección de propagación de grietas y, en última instancia, las propiedades mecánicas.

Por otro lado, debido a las características termocinéticas especiales asociadas con la SLM, existen numerosas arquitecturas microestructurales novedosas y exclusivas de este proceso. Como nueva técnica de procesamiento, la SLM puede producir una microestructura única que resulta difícil de lograr con técnicas convencionales.

Superaleaciones a base de níquel

Microestructuras de Ti6-Al-4V; forjada (a), SLM horizontal (b), SLM vertical (c) y SLM horizontal después del tratamiento térmico a 900 °C y 102 MPa (d).

Se han reportado mejoras en la resistencia a la fluencia , la resistencia a la tracción máxima y la tenacidad en aleaciones de níquel. [ 30 ] [ 31 ] [ 32 ] El Inconel IN625, una aleación de níquel-cromo endurecida por precipitación, mostró una resistencia a la fluencia igual o incluso mayor a temperaturas elevadas de 650 °C y 800 °C que el IN625 forjado. Sin embargo, el IN625 fabricado mediante SLM exhibió una ductilidad inferior en condiciones de prueba de fluencia. Mediante la aplicación de tratamientos térmicos cíclicos , tanto el IN625 fabricado mediante SLM como el forjado obtuvieron cierta resistencia adicional. La cantidad de resistencia adicional en las aleaciones fue generalmente proporcional a la fracción de volumen de la matriz de la fase γ (a 650 °C) y la fase δ (a 800 °C). [ 31 ]

Sin embargo, la resistencia a la fatiga y la dureza de las aleaciones fabricadas mediante SLM al soportar cargas cíclicas a alta temperatura tienden a ser significativamente inferiores a las de las aleaciones fundidas o forjadas. Para otra superaleación, Inconel IN718, los investigadores encontraron que el material fabricado aditivamente presentaba grandes granos columnares con una orientación paralela a la dirección de construcción, mientras que el material forjado presentaba una estructura de grano fino sin textura significativa. [ 33 ]

La fabricación aditiva de superaleaciones de níquel mediante SLM aún presenta importantes desafíos debido a la compleja composición de estas aleaciones. Con múltiples elementos de aleación y una alta fracción de aluminio/titanio, estos materiales, al consolidarse mediante SLM, forman diversas fases secundarias, lo que afecta la procesabilidad y provoca debilidad en la estructura.

Aleaciones a base de hierro (aceros inoxidables)

Imagen SEM de una región cercana a una microfisura en el material SLM 316L. Se observan límites de grano (GB) y límites de baño de fusión (MPB) parcialmente fisurados.

El acero inoxidable grado 316L es una aleación austenítica a base de hierro que presenta un bajo contenido de carbono (< 0,03%). Los ensayos de tracción y de fluencia del acero 316L realizados a 600  °C y 650  °C concluyeron que el acero SLM alcanzó la velocidad de fluencia mínima a deformaciones de fluencia significativamente menores, alrededor de una década menores, en comparación con su contraparte forjada. [ 34 ] Se considera que la estructura celular es la causa principal de las diferencias en el comportamiento de deformación, especialmente durante la primera etapa de fluencia, principalmente porque limita la capacidad de endurecimiento por deformación del material. La resistencia a la tracción máxima (UTS) también es menor para las muestras AM ya que el endurecimiento por deformación es insignificante. [ 35 ]

La fractura en el material fabricado mediante SLM se produce principalmente entre los granos. El daño en los límites de grano provoca el agrietamiento y, posteriormente, la falla del material. La deformación es causada y acelerada por la aparición de precipitados en los límites de grano. Se presume que la mayor energía de falla de apilamiento (SFE) del acero 316L fabricado mediante SLM también contribuyó a su comportamiento de fluencia. [ 34 ]

Aplicaciones

Los tipos de aplicaciones más adecuadas para el proceso de fusión selectiva por láser son, por un lado, geometrías y estructuras complejas con paredes delgadas y huecos o canales ocultos, o por otro, lotes de producción pequeños. Se puede obtener una ventaja al producir formas híbridas donde se pueden producir geometrías sólidas y parcialmente formadas o de tipo reticular para crear un solo objeto, como un vástago de cadera, una copa acetabular u otro implante ortopédico donde la osteointegración se ve favorecida por la geometría de la superficie. Gran parte del trabajo pionero con tecnologías de fusión selectiva por láser se centra en piezas ligeras para la industria aeroespacial [ 36 ] , donde las limitaciones de fabricación tradicionales, como el utillaje y el acceso físico a las superficies para el mecanizado, restringen el diseño de los componentes. La SLM permite construir piezas de forma aditiva para formar componentes con forma casi final en lugar de eliminar material de desecho. [ 37 ]

Las técnicas tradicionales de fabricación en grandes volúmenes tienen un coste de preparación relativamente alto (por ejemplo, moldeo por inyección , forja , fundición a la cera perdida ). Si bien la fabricación aditiva por fusión selectiva por láser (SLM) actualmente tiene un alto coste por pieza debido a su sensibilidad al tiempo y al coste total de capital del equipo, para cantidades limitadas de piezas personalizadas a medida, el proceso sigue siendo atractivo para diversas aplicaciones. Este es el caso, por ejemplo, de repuestos para equipos y máquinas obsoletos (por ejemplo, coches clásicos) o productos personalizados como implantes diseñados para pacientes individuales.

Las pruebas realizadas por el Centro de Vuelos Espaciales Marshall de la NASA , que está experimentando con la técnica para fabricar algunas piezas difíciles de producir a partir de aleaciones de níquel para los motores de cohete J-2X y RS-25 , muestran que las piezas difíciles de producir fabricadas con esta técnica son algo más débiles que las piezas forjadas y fresadas, pero a menudo evitan la necesidad de soldaduras, que son puntos débiles. [ 36 ]

Esta tecnología se utiliza para fabricar piezas directamente para diversas industrias, como la aeroespacial, la dental, la médica y otras que requieren piezas de tamaño pequeño a mediano y alta complejidad, así como para la industria de herramientas, para fabricar insertos de herramientas directas o que exigen plazos de entrega cortos. La tecnología se emplea tanto para la creación rápida de prototipos, ya que reduce el tiempo de desarrollo de nuevos productos, como para la fabricación en serie, como método de ahorro de costes para simplificar ensamblajes y geometrías complejas. [ 38 ]

La Universidad Politécnica del Noroeste de China está utilizando un sistema similar para fabricar piezas estructurales de titanio para aeronaves. [ 39 ] Un estudio de EADS muestra que el uso del proceso reduciría los materiales y los residuos en aplicaciones aeroespaciales. [ 40 ]

El 5 de septiembre de 2013, Elon Musk tuiteó una imagen de la cámara del motor de cohete SuperDraco de SpaceX , refrigerado regenerativamente, emergiendo de una impresora 3D de metal EOS, señalando que estaba compuesta de la superaleación Inconel . [ 41 ] En un movimiento sorpresivo, SpaceX anunció en mayo de 2014 que la versión calificada para vuelo del motor SuperDraco está completamente impresa , y es el primer motor de cohete totalmente impreso . Utilizando Inconel, una aleación de níquel y hierro, fabricada aditivamente por sinterización láser directa de metal, el motor opera a una presión de cámara de 6900 kilopascales (1000 psi) a una temperatura muy alta. Los motores están contenidos en una góndola protectora impresa, también impresa con DMLS, para evitar la propagación de fallas en caso de una falla del motor. [ 42 ] [ 43 ] [ 44 ] El motor completó una prueba de calificación completa en mayo de 2014 y está programado para realizar su primer vuelo espacial orbital en abril de 2018. [ 45 ] 

La capacidad de imprimir en 3D las piezas complejas fue clave para lograr el objetivo de baja masa del motor. Según Elon Musk , «Es un motor muy complejo, y fue muy difícil dar forma a todos los canales de refrigeración, la cabeza del inyector y el mecanismo de estrangulamiento. Poder imprimir aleaciones avanzadas de muy alta resistencia... fue crucial para poder crear el motor SuperDraco tal como es». [ 46 ] El proceso de impresión 3D para el motor SuperDraco reduce drásticamente el tiempo de entrega en comparación con las piezas fundidas tradicionales , y «tiene una resistencia , ductilidad y resistencia a la fractura superiores , con una menor variabilidad en las propiedades de los materiales ». [ 47 ]

También en 2018, la FDA aprobó el primer implante de columna vertebral impreso en 3D hecho de titanio utilizando SLM. [ 48 ]

Aplicaciones industriales

  • Aeroespacial : conductos de aire, accesorios o soportes que sujetan instrumentos aeronáuticos específicos, la sinterización láser satisface las necesidades tanto de la industria aeroespacial comercial como militar.
  • Energía : la fusión láser se puede utilizar para producir impulsores de bombas innovadores, reactores de alta presión y piezas de repuesto difíciles de encontrar.
  • Fabricación : La sinterización láser puede abastecer mercados especializados con volúmenes bajos a precios competitivos. La sinterización láser es independiente de las economías de escala, lo que permite prescindir de la optimización del tamaño de los lotes.
  • Dispositivos médicos : Los dispositivos médicos son productos complejos y de alto valor. Deben cumplir con los requisitos del cliente con exactitud. Estos requisitos no solo se derivan de las preferencias personales del operador: también deben cumplirse las normativas legales, que varían considerablemente entre regiones. Esto da lugar a una gran variedad de modelos y, por consiguiente, a volúmenes reducidos de las variantes ofrecidas. Además, la investigación sobre la fabricación aditiva de metales biodegradables para la producción de implantes está ganando cada vez más popularidad. [ 49 ]
  • Prototipado : La sinterización láser puede ser útil al proporcionar prototipos de diseño y funcionales. Como resultado, las pruebas funcionales pueden iniciarse de forma rápida y flexible. Al mismo tiempo, estos prototipos pueden utilizarse para evaluar la posible aceptación por parte del cliente. [ 50 ]
  • Herramientas : El proceso directo elimina la generación de trayectorias de herramienta y los múltiples procesos de mecanizado, como la electroerosión. Los insertos de herramienta se fabrican de un día para otro o incluso en tan solo unas horas. Además, la libertad de diseño permite optimizar el rendimiento de la herramienta, por ejemplo, integrando canales de refrigeración conformados en la misma. [ 51 ]

Otras aplicaciones

  • Piezas con cavidades, socavados y ángulos de desmoldeo.
  • Modelos de ajuste, forma y función
  • Herramientas, dispositivos de fijación y plantillas
  • Canales de refrigeración conformados
  • Rotores e impulsores
  • Corchetes complejos [ 52 ]

La fusión láser puede producir estructuras químicas (metales puros, sus óxidos y carburos ) y estructuras físicas (homogéneas, aleaciones , compuestos , aleaciones de oro-hierro, oro-cobalto, oro-níquel ). [ 53 ]

Potencial

La fusión selectiva por láser o fabricación aditiva, a veces denominada fabricación rápida o prototipado rápido , se encuentra en sus inicios y cuenta con relativamente pocos usuarios en comparación con métodos convencionales como el mecanizado, la fundición o la forja de metales. Como cualquier proceso o método, la fusión selectiva por láser debe adaptarse a la tarea en cuestión. Mercados como el aeroespacial o el de la ortopedia médica han estado evaluando esta tecnología como proceso de fabricación. Las barreras para su aceptación son elevadas y los problemas de cumplimiento normativo dan lugar a largos periodos de certificación y cualificación. Esto se evidencia en la falta de estándares internacionales completamente definidos para medir el rendimiento de los sistemas de la competencia. El estándar en cuestión es ASTM F2792-10, Terminología estándar para tecnologías de fabricación aditiva.

Diferencia con la sinterización selectiva por láser (SLS)

El uso de SLS se refiere al proceso aplicado a una variedad de materiales como plásticos, vidrio y cerámica, así como metales. [ 54 ] Lo que distingue a SLM de otros procesos de impresión 3D es la capacidad de fundir completamente el polvo, en lugar de calentarlo hasta un punto específico donde los granos de polvo se fusionan, lo que permite controlar la porosidad del material . Por otro lado, SLM puede ir un paso más allá que SLS, al usar el láser para fundir completamente el metal, lo que significa que el polvo no se fusiona, sino que se licúa el tiempo suficiente para fundir los granos de polvo en una pieza homogénea . Por lo tanto, SLM puede producir piezas más resistentes debido a la porosidad reducida y un mayor control sobre la estructura cristalina, lo que ayuda a prevenir fallas en la pieza . Además, ciertos tipos de nanopartículas con desajuste de red minimizado, empaquetamiento atómico similar a lo largo de planos cristalográficos coincidentes y estabilidad termodinámica pueden introducirse en el polvo metálico para servir como núcleos de refinamiento de grano para lograr microestructuras equiaxiales, de grano fino y sin grietas. [ 55 ] Sin embargo, la SLM solo es factible cuando se utiliza un solo polvo metálico.

Beneficios

La fabricación mediante fusión selectiva por láser (SLM) ofrece muchas ventajas sobre las técnicas de fabricación tradicionales. La más evidente es la capacidad de producir rápidamente una pieza única, ya que no se requieren herramientas especiales y las piezas se pueden fabricar en cuestión de horas.

La SLM es una de las pocas tecnologías de fabricación aditiva que se utilizan en la producción. Dado que los componentes se construyen capa a capa, es posible diseñar características y conductos internos que no podrían fabricarse mediante fundición o mecanizado. Las geometrías complejas y los ensamblajes con múltiples componentes se pueden simplificar, obteniendo piezas más ligeras y en menor cantidad, lo que resulta en un ensamblaje más rentable. La SLM no requiere herramientas especiales como la fundición , por lo que es ideal para series de producción cortas.

Impacto ambiental

Hay varios componentes, entornos y consideraciones de materiales que pueden afectar el impacto ambiental del proceso SLM. Primero, la energía incorporada que se usó para hacer la impresora, que tiene más de 500 piezas, contribuye alrededor de 124 000 MJ para una Renishaw AM250 estándar. [ 56 ] Es importante señalar que el material más destacado es el acero, que es 100 % reciclable. [ 57 ] Para aprovechar realmente la reciclabilidad, se puede implementar un enfoque de cuna a cuna para asegurar que todas las piezas de acero se desechen correctamente al final de su vida útil mediante el desmontaje. El consumo de electricidad suele ser la parte más intensiva en energía de la impresora, ya que los láseres de alta potencia, los enfriadores, las configuraciones y la separación de piezas contribuyen a esto. Un menor volumen de piezas, un mayor tiempo activo, un mayor tiempo de inactividad activa (enfriadores en funcionamiento) y el mecanizado por descarga eléctrica (EDM) aumentan el consumo de energía. El consumo energético máximo durante el uso puede rondar los 640 MJ por pieza, mientras que un uso más eficiente se sitúa en torno a los 40 MJ por pieza. En este sentido, un factor clave para optimizar el respeto al medio ambiente es el uso de energía totalmente renovable en lugar de electricidad generada a partir de gas o carbón. Si se considera la energía incorporada del ciclo de vida completo, los procesos de impresión menos eficientes, que consumen más de 2400 MJ por pieza, son los que más energía consumen, mientras que los procesos más eficientes pueden llegar a consumir tan solo 140 MJ por pieza. En definitiva, la energía incorporada total, considerando todas las piezas fabricadas, depende de muchos factores, pero casi siempre predomina durante la fase de impresión y, más concretamente, durante los largos periodos de inactividad y el procesamiento posterior de la eliminación de piezas mediante electroerosión. La excepción se da en entornos de investigación donde la máquina no se utiliza constantemente y su uso es menos frecuente; en este caso, predomina la energía incorporada procedente del procesamiento primario y la fabricación.

Los costos de transporte varían según las plantas de fabricación y los consumidores, pero suelen ser insignificantes (<1%) en comparación con otros factores de alto impacto en el ciclo de vida de la fabricación aditiva por fusión selectiva por láser (SLM). Otros factores, también insignificantes, aunque a veces variables, son: el uso de gas inerte, los residuos de material (polvo), los materiales utilizados, la atomización y la eliminación de los componentes de la máquina.

Dependiendo de la pieza fabricada y su uso previsto, SLM puede ayudar a fabricar piezas más ligeras con dimensiones complejas que reducen tanto el mecanizado de postprocesamiento intensivo en energía como EDM o mecanizado de control numérico computarizado (CNC) y disminuyen el peso de la pieza. [ 58 ] [ 59 ] A menudo, una comparación directa solo puede hacerse observando piezas fabricadas mediante dos procesos diferentes. Un ejemplo es una pala de turbina fabricada por fundición de precisión y SLM, donde se utilizaron 10853,34 kWh y 10181,57 kWh para fabricar la misma pieza, respectivamente. [ 60 ] Además, la fabricación convencional contribuyó con 7325 kgCO₂ mientras que AM tuvo 7027 kgCO₂ de emisiones. Esto significa que en este escenario específico AM es beneficioso en un 4%, lo que podría ser significativo para los 25 578 aviones en todo el mundo. [ 61 ] Otro ejemplo es la  reducción de peso de 1 kg mediante un cuerpo de válvula hidráulica que estima un ahorro de 24 500 L de combustible para aviones y 63 toneladas de emisiones de CO₂ gracias a un diseño ligero y una menor cantidad de material utilizado en comparación con los métodos de fabricación tradicionales. [ 59 ] La SLM suele ser una opción más sostenible debido a la menor cantidad de materia prima utilizada, el uso de herramientas menos complejas, el potencial de piezas ligeras, geometrías finales casi perfectas y la fabricación bajo demanda. [ 62 ]

Restricciones

El tamaño, los detalles de las características y el acabado superficial, así como el error dimensional de impresión en el eje Z, son factores que deben considerarse antes de utilizar la tecnología. Sin embargo, al planificar la fabricación en la máquina, donde la mayoría de las características se construyen en los ejes X e Y a medida que se deposita el material, se pueden controlar adecuadamente las tolerancias de las características. Por lo general, las superficies deben pulirse para lograr acabados de espejo o extremadamente lisos.

Para la fabricación de utillaje, es fundamental considerar la densidad del material de la pieza o inserto terminado antes de su uso. Por ejemplo, en los insertos para moldeo por inyección, cualquier imperfección superficial provocará imperfecciones en la pieza de plástico, y los insertos deberán ajustarse a la base del molde, controlando la temperatura y la superficie para evitar problemas.

Independientemente del sistema de materiales utilizado, el proceso SLM deja un acabado superficial granulado debido al "tamaño de las partículas de polvo, la secuencia de construcción capa por capa y [la dispersión del polvo metálico antes de la sinterización por el mecanismo de distribución de polvo]". [ 63 ]

La eliminación de la estructura de soporte metálica y el procesamiento posterior de la pieza generada pueden ser procesos laboriosos y requerir el uso de máquinas de mecanizado , electroerosión y/o rectificado con el mismo nivel de precisión que proporciona la máquina de prototipado rápido.

El pulido láser mediante fusión superficial de piezas producidas por SLM permite reducir la rugosidad superficial utilizando un haz láser de alta velocidad que proporciona la energía térmica suficiente para fundir las crestas de la superficie. La masa fundida fluye entonces hacia los valles de la superficie por tensión superficial , gravedad y presión láser , disminuyendo así la rugosidad. [ 63 ]

Al utilizar máquinas de prototipado rápido, los archivos .stl , que solo contienen datos de malla sin procesar en formato binario (generados con SolidWorks , CATIA u otros programas CAD importantes), necesitan una conversión posterior a archivos .cli y .sli (el formato requerido para máquinas que no utilizan estereolitografía). [ 64 ] El software convierte los archivos .stl a archivos .sli ; al igual que con el resto del proceso, este paso puede generar costos.

Componentes de la máquina

Los componentes típicos de una máquina SLM incluyen: fuente láser, rodillo, pistón de plataforma, placa de construcción extraíble, polvo de suministro, dosis de suministro (por ejemplo, pistón) y óptica y espejos. [ 65 ] El volumen de construcción típico en la mayoría de las plataformas es (por ejemplo, para EOS M 290 [ 66 ] ) de 250 x 250 x 325  mm, y la capacidad de "crecer" varias piezas a la vez,

Véase también

Referencias

  1. ↑ "Pioneros en la impresión 3D de metales" . SLM Solutions Group AG.
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