¿Existe una diferencia significativa en la precisión de la impresión 3D entre los diferentes materiales metálicos?

1. Propiedades del material: las características físicas y químicas que afectan la posibilidad de precisión.
La precisión de la impresión 3D con materiales metálicos se debe principalmente a la interacción entre el comportamiento termodinámico del material durante el proceso de fusión y solidificación y la gestión del proceso. Los cambios en las propiedades de los siguientes cuatro materiales comunes afectan directamente la precisión de sus impresiones:
Aleación de titanio (como TC4/Ti-6Al-4V)
Las aleaciones de titanio son fuertes, livianas y resistentes a la oxidación; sin embargo, solo se pueden imprimir con precisión por dos razones principales:
Alta tasa de contracción térmica: TC4 tiene un coeficiente de expansión lineal de 8,6 × 10 ⁻⁶/grado, lo que significa que puede causar fácilmente tensión residual cuando se enfría rápidamente, lo que puede causar que las piezas se deformen y cambien de forma. Por ejemplo, si no utiliza el prensado isostático en caliente (HIP) después de imprimir un molde para la pala de un motor de avión, las dimensiones pueden variar hasta ± 0,3 mm. Después del procesamiento HIP, las dimensiones pueden variar tan solo ± 0,05 mm.
Baja tasa de absorción del láser: la aleación de titanio puede reflejar hasta un 60 % de la luz láser, por lo que necesita una alta densidad de energía (normalmente > 100 W/mm²) para fundirse de manera uniforme. Sin embargo, demasiada energía podría provocar salpicaduras y cambiar la rugosidad de la superficie. Puede reducir la rugosidad de la superficie de Ra25 μ m a Ra10 μ m cambiando la técnica de escaneo (por ejemplo, usando el escaneo de tablero de ajedrez).
El acero inoxidable 316L es un ejemplo.
El acero inoxidable tiene una ventana de proceso grande y no es muy sensible a las grietas por calor, lo que lo hace mejor para imprimir:
Piscina de fusión amplia y estable: el 316L se funde a 1375 grados y se puede crear una piscina de fusión estable con una potencia de láser de 50 a 200 W y una precisión dimensional de ± 0,05 mm. Una empresa que fabrica dispositivos médicos utilizó la tecnología SLM para imprimir placas óseas con una tolerancia de apertura de ± 0,02 mm, que cumplía con los requisitos para la unión de implantes ortopédicos.
Uniformidad en la organización: la naturaleza austenítica del 316L hace que sea menos probable que se separe durante el proceso de impresión. Cuando se utiliza con un tratamiento de solución sólida (aislamiento a 1050 grados durante 1 hora y enfriamiento con agua), se pueden reparar las fallas de unión entre capas, lo que aumenta la vida útil a la fatiga en un 30%.
Aleación de aluminio, como AlSi10Mg
El mayor problema con la impresión de aleaciones de aluminio es que tiene una alta conductividad térmica y es propensa a agrietarse cuando se calienta.
Las grietas se forman cuando algo se enfría rápidamente: AlSi10Mg tiene una conductividad térmica de 150 W/(m · K), y el baño de fusión puede enfriarse a una velocidad de 10 ⁶ grados/s, lo que facilita la formación de fracturas calientes en los límites de los granos. Agregar un 0,5 % de elemento Sc puede hacer que el tamaño del grano sea inferior a 1 μm, lo que reduce la tasa de agrietamiento del 15 % al 0,5 %.
Efecto de la película de óxido superficial: Es probable que la superficie de aluminio genere una película gruesa de óxido (Al ₂ O3), lo que hace que el polvo no fluya bien y significa que la impresión debe realizarse con protección de gas inerte al vacío. Después de mejorar el sistema de circulación de gas, la rugosidad de la superficie de un soporte de batería para vehículos de nueva energía pasó de Ra50 μm a Ra15 μm.
Aleaciones de alta temperatura-a base de níquel-, como Inconel 718
El desafío de las aleaciones de alta-temperatura es controlar la microestructura a temperaturas muy altas:
Tendencia de crecimiento de cristales columnares: durante la impresión, Inconel 718 tiende a generar cristales columnares que se desarrollan en la dirección de la construcción. Esto hace que el material sea anisotrópico. Cambiar la velocidad de escaneo (600–1000 mm/s) y el espesor de la capa (30–50 μm) puede hacer que el tamaño del grano aumente de 500 μm a 100 μm, lo que hace que la resistencia a la tracción aumente en un 15%.
Sensibilidad a las microfisuras: Es probable que la fase '(Ni ∝ (Al, Ti)) forme depósitos desiguales cuando se enfría rápidamente, lo que puede provocar microfisuras. Más del 90% de las microfisuras se pueden eliminar mediante un tratamiento térmico gradual (aislamiento de 720 grados durante 8 horas, seguido de enfriamiento por aire y aislamiento de 620 grados durante 8 horas).
2. Adaptabilidad del proceso: elegir un camino para una implementación precisa
La precisión de la impresión 3D en metal depende tanto del material como de qué tan bien coincida el tipo de proceso. Los siguientes cuatro procesos comunes tienen niveles de precisión bastante diferentes:
Beneficio de precisión de fusión selectiva por láser (SLM): el diámetro del punto láser de SLM puede ser tan pequeño como 50 μm, el espesor de la capa puede estar entre 20 y 60 μm, la precisión dimensional puede ser tan alta como ± 0,05 mm y la rugosidad de la superficie Ra puede ser tan baja como 10 μm. Una empresa de aviación utilizó SLM para imprimir palas de turbina, asegurándose de que la tolerancia del perfil de la pala estuviera dentro de ± 0,03 mm, que es lo que los motores de aviación necesitan para poder montarse.
Restricciones de materiales: para que los materiales con alta reflectividad (como el cobre) absorban más, es necesario utilizar un láser verde (532 nm) o un láser azul (450 nm). Sin embargo, el coste del equipo aumenta entre un 30% y un 50%.
Características de precisión de fusión por haz de electrones (EBM): EBM funciona en el vacío con mucha densidad de energía en el haz de electrones (hasta 10 ⁴ W/mm ²), lo que lo hace bueno para imprimir materiales con altos puntos de fusión, incluidas las aleaciones de titanio. Cierto fabricante de implantes ortopédicos utilizó EBM para imprimir copas de articulación de cadera. La rugosidad de la superficie fue Ra menor o igual a 8 μm, no había capa de óxido y las copas eran más biocompatibles que las fabricadas con métodos tradicionales.
Control de tensión térmica: la EBM puede calentar piezas hasta 700 grados Celsius, lo que puede reducir la tensión residual y la deformación en un 80 %.
La deposición de energía dirigida (DED) tiene un diámetro de boquilla de 0,8 a 2 mm, un espesor de capa de 0,5 a 2 mm, una precisión dimensional de ± 0,5 mm y una rugosidad superficial de Ra20 a 100 μm. Cierta empresa de motores de aviación utilizó DED para reparar el disco de una turbina. La capa de reparación y el sustrato están unidos con una resistencia metalúrgica de 400 MPa, que cumple con los requisitos de servicio.
Ventaja de la eficiencia: DED tiene una tasa de sedimentación de 200 cm³/h, que es más de 10 veces mayor que la de SLM. Esto lo hace bueno para arreglar o preformar piezas grandes.
Adhesivo en aerosol (BJ)
Potencial de precisión: BJ tiene una precisión dimensional de ± 0,1 mm y una rugosidad superficial de Ra20-60 μm. Sin embargo, es necesario desengrasarlo (400-600 grados) y sinterizarlo (1200-1300 grados) después del tratamiento, lo que hace que se contraiga entre un 15% y un 20%. Cierta empresa de automóviles emplea inserciones de molde impresas BJ y, una vez terminadas, el tamaño se mantiene estable dentro de ± 0,05 mm, que es lo que se necesita para la fabricación en masa.
Ventaja de costos: la pieza única de BJ cuesta entre un 60 % y un 70 % menos que SLM, lo que la hace adecuada para situaciones en las que se necesita precisión media y gran escala.
3. Ejemplo típico: verificación de aplicaciones prácticas de discrepancias de precisión
Palas de aleación de titanio para motores de aviones Impresión con SLM
Una empresa de aviación empleó tecnología SLM para fabricar palas de aleación de titanio TC4. Al mejorar las técnicas de escaneo (como el escaneo en espiral) y las estructuras de soporte (como el soporte de celosía), la tolerancia del perfil de la hoja pasó de ± 0,1 mm a ± 0,03 mm, y la rugosidad de la superficie pasó de Ra25 μ m a Ra8 μ m. Esto hizo que el motor fuera un 2% más eficiente.
El acero inoxidable 316L se utiliza para la implantación de dispositivos médicos. impresión SLM
Una empresa de ortopedia utilizó SLM para imprimir placas óseas de acero inoxidable 316L. La tolerancia de apertura se estableció en ± 0,02 mm y, después del pulido electrolítico, la rugosidad de la superficie Ra < 0,8 μ m cumplió con el estándar médico ISO 13485, lo que redujo el tiempo que tardó el hueso en integrarse en un 30 %.
Pack de baterías para un vehículo de nueva energía: AlSi10Mg Impreso con SLM
Una empresa de vehículos de nueva energía emplea soportes de paquete de baterías impresos SLM para cambiar el tamaño del grano agregando un 0,5 % de elemento Sc, lo que reduce la tasa de fractura en caliente del 15 % al 0,5 %. La resistencia del soporte aumenta un 25 % y su peso disminuye un 30 % cuando se trata térmicamente-con T6 (solución sólida a 530 grados + 170 grados de envejecimiento).