La fabricación directa de geometrías complejas permite simplificar el número de pasos en el proceso de producción e incluso eliminar la necesidad de utillajes. Ello permite producir de un modo económico y rápido desde la primera unidad. Si a esto le añadimos un significativo ahorro de material, sin renunciar a la elevada precisión y calidad del proceso, llegaremos a la conclusión de que la fabricación aditiva es la opción de producción más rentable en múltiples nichos de mercado, sobre todo en los más exigentes.
Desde que comenzara a implantarse en el año 1987, la fabricación aditiva con metales ha sido siempre una de las aplicaciones más demandadas, tanto por su capacidad para la creación de las máquinas y herramientas usadas en la propia fabricación, como para el mismo proceso de producción. Con la llegada de los sistemas de fusión en lecho de polvo, la deposición capa a capa de metal ha posibilitado la aplicación de muchas otras tecnologías.
Ventajas
A medida que la tecnología ha ido madurando, las aplicaciones de la impresión metálica en 3D se han diversificado y su valor para la economía de las empresas ha emergido de tres formas claras:
Reducción de los plazos de entrega
La principal ventaja de la fabricación aditiva es la mayor rapidez para pasar de la fase de diseño a la producción de la pieza final. Una vez impresa la pieza, no suele ser necesario el empleo de herramientas o dispositivos de mecanizado específicos para procesar la pieza.
Los técnicos solo deben eliminar aquellos elementos creados para el proceso de fabricación, como las estructuras de soporte. Esto permite reducir significativamente el tiempo de post-procesamiento. No es necesario mecanizar la pieza mediante fresado o torneado para ajustar su forma. El mecanizado, antes necesario para crear agujeros o añadir otros elementos de conexión, tampoco es ya necesario. Por lo tanto, fabricación aditiva de piezas metálicas se traduce en la reducción de los plazos de entrega a días en lugar de semanas.
Por ejemplo, la producción de series largas mediante moldeo por inyección puede resultar económicamente razonable. Sin embargo, primero hay que fabricar los moldes y luego optimizar la velocidad de la línea de producción y de toda la fábrica. Como resultado, la primera pieza puede tardar entre 15 y 60 días, mientras que en el caso de la impresión 3D, el plazo de entrega puede reducirse a sólo 2 o 3 días.
Ahorro de costes gracias a la reducción del material desperdiciado
Nuevo enfoque en materia de diseño
Si consideramos las piezas metálicas desde la perspectiva del diseñador, las tecnologías de impresión 3D permiten producir estructuras únicas y complejas. Hasta ahora, los elementos que no podían fundirse se añadían a la pieza en la fase de post-producción. Por ejemplo, añadir orificios y las tuercas requiere mecanizar la pieza después de sacarla del molde.
Tecnologías de fabricación aditiva en metal
La fabricación aditiva con metal se aplica a través de diversos tipos de tecnologías, entre las que destacan:
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Selective Laser Melting (SLM)
La fusión selectiva por láser es una técnica aditiva que se inicia con la deposición de una capa de polvo metálico de unas décimas de milímetro en una cuba. Una vez depositada esta capa, un láser incide en las áreas previamente seleccionadas del polvo metálico produciendo la fusión y posibilitando la posterior solidificación. A continuación, la cuba de polvo se mueve hacia abajo para que se aplique una nueva capa de polvo metálico en la parte superior. Este proceso se repite tantas veces como sea necesario hasta finalizar la altura total del componente.
Los metales empleados para este tipo de fabricación aditiva son principalmente tipologías de acero y aleaciones de titanio, níquel o aluminio. El resultado: geometrías complejas de gran densidad con una resistencia comparable a la de los métodos de fabricación tradicionales con metal. Por ello, los componentes fabricados mediante SLM son piezas con una geometría muy próxima al resultado final que necesitamos.
Otra técnica muy empleada en la fabricación aditiva con materiales metálicos es el Electron Beam Melting, que en castellano se puede traducir como fusión o sinterizado de polvo metálico por haz de electrones. Este proceso consiste en la deposición capa a capa de polvo metálico que queda fundido de manera selectiva por la incidencia controlada de un haz de electrones como fuente energética.
La producción se realiza al vacío, impidiendo que el material fundido se contamine por la exposición a una atmósfera reactiva que pueda ocasionar la oxidación del material. Por lo tanto, el EBM nos permite emplear materiales con una alta afinidad al oxígeno, como es el titanio. Además, con este tipo de técnica aditiva se elimina la necesidad de utilizar gases inertes adicionales como ocurre en otras tecnologías y, debido a que la cámara y el material se han calentado durante el proceso, no es necesario el tratamiento térmico posterior para la liberación de las tensiones del material.
El polvo metálico procesado en el EBM puede ser cualquiera dentro de una amplia gama de aleaciones, como las de cobalto, níquel o titanio. Debido a la mayor densidad de energía del haz de electrones, la densidad del material final puede ser mayor, si bien a costa de una menor precisión y acabado superficial de los componentes.
Láser Cladding
Esta tecnología de fabricación aditiva también emplea el metal como materia prima. Consiste en la fusión directa de polvo metálico proyectado sobre la superficie de un substrato obteniendo una dilución mínima. Únicamente se funde una pequeña capa del sustrato, consiguiendo deposiciones de entre 50µm y 2mm de altura y con muy buenas propiedades del material de aporte.
Por ello, el Láser Cladding se utiliza principalmente para mejorar las características de una pieza ya tratada o para restaurarla. Actúa como complemento de otras tecnologías de fabricación de la pieza dando solución a los problemas de porosidad, distorsión térmica o dificultades en el procesado de zonas muy localizadas. Permite eliminar los errores que suelen aparecer con otras técnicas aditivas de tratamiento superficial con aporte de material.
El polvo de aporte puede ser de origen cerámico o metálico, dependiendo de las características de la pieza sobre la que vayamos a trabajar. Por su gran utilidad como técnica “reparadora”, sectores como la aeronáutica, la automoción o la máquina herramienta la emplean para dotar a las piezas de protección al desgaste o a la corrosión, así como para la restauración de moldes y matrices, cigüeñales, engranajes, cuchillas de corte, etc.
