Factores que afectan la rugosidad de la superficie en la impresión 3D de metal

La rugosidad de la superficie de las piezas metálicas impresas en 3D varía considerablemente dependiendo de una serie de factores y, por lo general, se sitúa entre unos pocos micrómetros y varias decenas de micrómetros. A diferencia de las piezas mecanizadas tradicionalmente, donde el acabado de la superficie es en gran medida una función de la geometría de la herramienta y los parámetros de corte, la fabricación aditiva de metal introduce un conjunto mucho más amplio de variables - el proceso de impresión en sí, las características físicas del material que se imprime y los pasos de post-procesamiento aplicados después interactúan para determinar la condición final de la superficie. Comprender cómo contribuye cada uno de estos factores ayuda a explicar por qué dos piezas impresas a partir del mismo diseño pueden terminar con una calidad de superficie significativamente diferente.

Fusión de lecho de polvo con láser (L-PBF). Este es uno de los procesos de impresión 3D en metal más comunes que se utilizan en la actualidad. Funciona mediante el uso de un láser de alta-energía para fundir el polvo metálico, que luego se acumula capa por capa hasta darle la forma final a la pieza. En condiciones ideales, la rugosidad de la superficie con este proceso se puede controlar en alrededor de Ra 10 a 30 μm. Por ejemplo, al imprimir piezas metálicas con estructuras relativamente simples utilizando este proceso, se pueden lograr niveles de rugosidad relativamente bajos una vez que se han optimizado los parámetros. Esto se debe a que la energía del láser está bastante concentrada, lo que permite un control preciso sobre la forma y el tamaño del baño de fusión. Esta precisión significa que el polvo se fusiona y se acumula más densamente a medida que se solidifica, lo que ayuda a reducir la rugosidad de la superficie hasta cierto punto. La naturaleza estrechamente enfocada del rayo láser también significa que se puede minimizar la entrada de calor al polvo circundante sin derretir, reduciendo la cantidad de polvo parcialmente sinterizado que tiende a adherirse a los bordes de una característica impresa y contribuir a un acabado más rugoso.

Fusión por haz de electrones (EBM). Este proceso utiliza un haz de electrones para escanear y fundir polvo metálico. Las piezas impresas mediante este proceso suelen encontrarse dentro de un rango de rugosidad general similar, aunque los resultados pueden variar según las características del haz de electrones y la estrategia de escaneo utilizada. Los haces de electrones transportan alta energía y ofrecen un enfoque excelente, lo que permite una fusión y formación de piezas de alta-precisión. En aplicaciones donde los requisitos de calidad de la superficie son especialmente exigentes, el ajuste-de los parámetros del proceso puede reducir la rugosidad hasta cerca de Ra 10μm o incluso menos. Vale la pena señalar que la EBM generalmente se lleva a cabo a temperaturas elevadas de la cámara de construcción-y en condiciones de vacío, lo que cambia el comportamiento del lecho de polvo en comparación con los procesos basados en láser-- la temperatura elevada reduce el estrés térmico durante la construcción, pero también puede causar que más partículas de polvo se sintericen ligeramente alrededor de los contornos de una pieza, lo cual es una de las razones por las que las superficies de EBM a veces presentan un carácter de rugosidad ligeramente diferente que las superficies de L-PBF, incluso cuando son nominales. Los valores de rugosidad son similares.

Diferentes materiales metálicos. El punto de fusión, la viscosidad y otras características físicas de un material determinado afectan directamente la fluidez y el comportamiento de dispersión del polvo-durante el proceso de impresión, lo que a su vez influye en la rugosidad de la superficie. Por ejemplo, las aleaciones de aluminio - que tienen un punto de fusión relativamente bajo y buena fluidez - tienden a llenar huecos y formar superficies lisas más fácilmente durante la impresión, y su rugosidad generalmente puede alcanzar el rango de Ra 15 a 25 μm. Por el contrario, algunos metales con puntos de fusión más altos y mayor viscosidad, como ciertas superaleaciones de alta-temperatura, pueden no extenderse y fusionarse de manera ideal durante el proceso de impresión, y su rugosidad puede ser algo más alta - típicamente en el rango de Ra 20 a 35 μm. Esta diferencia es importante en la práctica: un diseñador de piezas que elige entre una aleación de aluminio y una superaleación a base de níquel-para una aplicación determinada no solo está sopesando las propiedades mecánicas y la resistencia a la temperatura, sino que también acepta implícitamente un acabado superficial de referencia diferente antes de aplicar cualquier pos-procesamiento.

Composición de la aleación. La proporción de diferentes elementos dentro de una aleación también afecta la rugosidad de la superficie. Por ejemplo, las aleaciones que contienen una mayor proporción de elementos que se oxidan fácilmente pueden experimentar una degradación de la calidad de la superficie debido a la oxidación que se produce durante el proceso de impresión, lo que a su vez aumenta la rugosidad. Este efecto es particularmente relevante para los procesos de impresión 3D de metal que no operan en un ambiente completamente inerte o de vacío, donde la exposición a trazas de oxígeno durante el ciclo de fusión de cada capa puede acumularse en un efecto mensurable en la superficie terminada en el transcurso de una construcción que puede involucrar miles de capas individuales.

Tratamiento térmico. Un tratamiento térmico adecuado puede aliviar la tensión interna y mejorar la estructura metalúrgica de una pieza, reduciendo así la rugosidad de la superficie. Después del tratamiento térmico, la superficie de una pieza puede volverse notablemente más uniforme, con una rugosidad reducida en varios micrómetros. Por ejemplo, recocer una pieza metálica impresa después de la construcción ayuda a refinar la estructura del grano, haciendo que la microestructura de la superficie sea más uniforme. La rugosidad se puede reducir desde aproximadamente Ra 20 μm antes del tratamiento hasta aproximadamente Ra 15 μm después. Si bien el tratamiento térmico a menudo se aplica principalmente para aliviar la tensión residual y mejorar las propiedades mecánicas como la ductilidad, su efecto sobre la rugosidad de la superficie es un beneficio secundario útil - que los diseñadores a veces pasan por alto al planificar la secuencia completa de pos-procesamiento de una pieza, aunque puede reducir significativamente la cantidad de acabado mecánico necesario posteriormente.

Procesamiento mecánico. Se puede reducir significativamente la rugosidad mediante métodos de procesamiento mecánico como lijado y pulido. El lijado elimina protuberancias e imperfecciones de la superficie, mejorando la planitud general de la superficie. Luego, el pulido refina aún más la superficie, reduciendo la rugosidad a solo unos pocos micrómetros o incluso menos. Por ejemplo, después de un pulido fino, la rugosidad de una pieza metálica impresa en 3D puede alcanzar menos de Ra 5 μm, lo que satisface las demandas de aplicaciones con requisitos de acabado superficial extremadamente altos, como los componentes de instrumentos ópticos. Este tipo de secuencia de acabado - tratamiento térmico para estabilizar el material, seguido de lijado para eliminar las características superficiales más gruesas, seguido de pulido para lograr la calidad de la superficie final - refleja cómo la reducción de la rugosidad en la fabricación aditiva de metales rara vez se logra en un solo paso. En lugar de ello, normalmente implica una combinación de capas de tratamientos térmicos y mecánicos, cada uno de los cuales aborda una escala diferente de irregularidad de la superficie, desde el alivio de tensiones en masa hasta la suavidad a nivel de micras.

En conjunto, estas tres categorías de factores - tipo de proceso, propiedades del material y método de post-procesamiento - interactúan en lugar de actuar de forma independiente. Una pieza impresa mediante L-PBF a partir de una aleación de aluminio de baja-viscosidad con parámetros bien-optimizados ya puede lograr una rugosidad construida relativamente favorable-, mientras que el mismo diseño impreso a partir de una superaleación de alta-viscosidad mediante EBM podría comenzar desde una base más rugosa incluso antes de aplicar cualquier pos-procesamiento. Esto significa que lograr un acabado superficial objetivo para una aplicación determinada no es simplemente una cuestión de especificar un paso de pos-procesamiento al final del flujo de trabajo - sino que requiere considerar el proceso y la elección del material desde el principio, ya que estas decisiones ascendentes establecen el piso y el techo prácticos para lo que el pos-puede lograr de manera realista. Para aplicaciones con estrictos requisitos de acabado de superficie, comprender cómo interactúan estas variables permite a los ingenieros seleccionar la combinación correcta de proceso, material y método de acabado desde el principio, en lugar de intentar compensar una mala condición inicial de la superficie mediante un procesamiento posterior extenso y costoso.