Fabricación aditiva y tecnología de impresión 3D industrial: soluciones, ventajas y buenas práticas
Los procesos de fabricación aditiva o sistema de impresión 3D industrial permiten diseñar nuevas piezas con geometrías complejas o con nuevas funcionalidades en sectores variados como la industria aeronáutica, energía, fabricación de herramientas o de prototipos. Todos tienen un punto en común: la construcción de un objeto añadiendo materia por medio del depósito sucesivo de finas capas de material. En la mayoría de procesos de fabricación aditiva, a lo largo de la cadena de valor, los gases cumplen funciones esenciales para garantizar la calidad final de las piezas y reducir su tiempo de producción:
- seguridad del proceso (protección contra el riesgo de inflamación de los polvos)
- protección de los materiales contra la oxidación y la humedad
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Definición, procesos y tecnologías de la fabricación aditiva
La fabricación aditiva está en constante desarrollo, la actualidad ofrece constantes innovaciones. Estos últimos años, la sustitución de los métodos de fabricación tradicional por tecnologías de fabricación aditiva sin duda tiene ventajas (equipos innovadores, diseño optimizado, piezas más ligeras, creación rápida de prototipos, simplificación de la cadena logística, optimización del coste global de la pieza, etc.). Para aprovechar al máximo este potencial, conviene considerar este modo de fabricación desde la etapa de diseño de la pieza.
¿Qué es la fabricación aditiva?
El término “fabricación aditiva” se refiere al proceso de producción de objetos físicos en 3D añadiendo material capa por capa para obtener las formas deseadas. En el caso concreto de los fabricantes, la fabricación aditiva suele referirse al uso industrial de la impresión 3D para diferentes operaciones como la construcción de herramientas y utillajes, la creación de prototipos, entre otros.
Independientemente del procedimiento [Fusión selectiva por láser (SLM, por sus siglas en inglés) o haz de electrones (EBM, por sus siglas en inglés), deposición de materia en forma de polvo o hilo (DMD, Direct Metal Deposition)], la fabricación aditiva o impresión 3D permite diseñar nuevas piezas con formas geométricas complejas o con nuevas funcionalidades que serían difíciles de lograr con otros métodos de fabricación y permite trabajar con diversos materiales como plásticos, metales, etc.
En el caso específico de la fabricación aditiva de metales también se puede denominar fusión láser de metales o impresión 3D de metales. Consiste en fabricar una pieza a partir de finas capas de polvo metálico fusionadas mediante un rayo láser acoplado a un modelo CAD de la pieza que se va a producir. La pieza se construye capa a capa, en lugar de eliminar material durante el mecanizado.
Los sectores de la aeronáutica, la medicina, la defensa y el diseño utilizan cada vez más este procedimiento. En este proceso, cuanto más compleja es la pieza, más económico resulta. La industria de la fabricación aditiva está transformando los métodos de producción gracias a la reducción de los plazos de desarrollo y fabricación de piezas de alto valor añadido en todos los ámbitos de la ingeniería mecánica, especialmente la aeronáutica y el espacio.
Fabricación de polvos metálicos
Los polvos metálicos que se suelen utilizar en el método de fabricación aditiva son producidos principalmente por un sistema denominado de atomización por gas. Este proceso requiere estabilidad de los parámetros de producción, como la presión y la temperatura del argón o del nitrógeno. Asimismo es crucial para asegurar la calidad de los polvos producidos con el fin de optimizar la granulometría de los polvos para el mercado de la fabricación aditiva.
La calidad de las piezas depende de la alta calidad de los polvos. Una correcta conservación y un reciclado controlado ayudan a limitar su oxidación.
Fabricación de piezas con diferentes tecnologías de impresión 3D
Existen diferentes tipos de procesos y tecnologías de fabricación aditiva que se clasifican según las normas ISO y ASTM. Entre los principales tipos de procesos podemos destacar la extrusión de material, la proyección/inyección de aglutinante, la deposición de metal con energía concentrada/dirigida, la fusión de lecho de polvo, la estratificación de capas (Sheet Lamination/SL) y la fotopolimerización en cuba.
Estos procesos se caracterizan por:
- Extrusión de material (Material Extrusion): proceso por extrusión de alambre (Fused Deposition Modeling / FDM). Es una de las tecnologías más comunes, que utiliza un filamento de plástico fundido que se deposita capa por capa. Es popular en el ámbito doméstico y educativo debido a su bajo coste y facilidad de uso. Pero, más allá de las aplicaciones para imprimir en 3D destinadas al público en general, también se utiliza en fabricación industrial.
- Proyección / inyección de aglutinante (Binder Jetting): permite la fabricación de piezas a partir de material en polvo, que se esparce a lo largo del lecho de impresión capa por capa para crear el objeto 3D. Los materiales van desde cerámicas, polímeros y plásticos, a algunos metales en forma de polvo. Después de imprimir cada capa de material, se utiliza un aglutinante líquido para adherir el polvo y darle una forma sólida antes de imprimir la siguiente capa.
- Proyección de materiales (Material Jetting): partículas finas depositadas y solidificadas (p. ej.: fotopolímeros).
- Deposición de metal con energía concentrada / dirigida (Directed Energy Deposition / DED): un proceso de gestión térmica en el que el material de impresión se funde directamente mediante una fuente de energía utilizando un láser o un arco eléctrico. Los gases que se utilizan son el argón y mezclas de Ar-CO₂. Este proceso permite un control preciso sobre la forma y el tamaño del objeto impreso. DED se usa a menudo para construir piezas o componentes existentes para repararlos o fortalecerlos.
- Fusión de lecho de polvo (powder bed fusion / PBF) es un proceso en el que el polvo se extiende sobre un lecho y luego se fusiona utilizando una fuente de energía. Se utiliza para metales, plásticos o polímeros ya que permite producir distintos modelos de piezas industriales en serie con geometrías complejas. La fuente de energía del proceso de fusión de lecho de polvo es a menudo un láser (Selective Laser Melting / SLM, Selective Laser Sintering/SLS, Direct Metal Laser Sintering / DMLS, etc.). El argón o el nitrógeno se utilizan como gases de protección. El haz de electrones (Electron Beam Melting EBM) en ocasiones se usa para piezas metálicas. En este caso, el helio se utiliza con una contrapresión de helio baja para evitar proyecciones.
- Estratificación de capas (Sheet Lamination / SL): también conocida como fabricación de objetos laminados (LOM) consiste en una técnica para imprimir por superposición de capas sucesivas de hojas unidas o encoladas entre sí por un aglutinante.
- Fotopolimerización en cuba (Vat Photopolymerization) como la estereolitografía (SLA) que solidifica selectivamente un fotopolímero líquido para crear una pieza o un objeto. La SLA expone cada capa a un láser ultravioleta (UV). Esto endurece o «cura» las capas al instante: cada capa se cura y adhiere a la anterior hasta que el objeto está completo.
Otros tipos de procesos que podemos mencionar son:
- Fabricación con filamento fundido de metal (FFF en metal);
- Procesamiento digital de luz (DLP);
- Impresión MultiJet (MJP), o inyección de material (MJ).
Fabricación aditiva y operaciones de acabado
La calidad de las piezas depende de la calidad de los polvos. Es preciso conservarlos y reciclarlos para limitar su oxidación. Una vez terminada la fase de construcción, las piezas son objeto de las siguientes operaciones de acabado:
- enfriamiento en atmósfera neutra antioxidante, nitrógeno o argón,
- eliminación de los soportes, fabricados con la pieza,
- limpieza, posiblemente con el procedimiento de limpieza con dióxido de carbono (CO₂) en estado supercrítico,
- tratamiento de alivio de tensiones (distensión) para eliminar tensiones residuales,
- posibles tratamientos térmicos complementarios en atmósfera controlada para conferir a las piezas las características mecánicas finales,
- tratamiento de la superficie para lograr el acabado superficial deseado (rugosidad, por ejemplo) o mecanizado o criomecanizado (sin aceite) si es necesario.
Le orientaremos a través de nuestros productos y soluciones para que pueda elegir las mejores opciones que le ayuden en su desarrollo de la fabricación aditiva.
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Soluciones Air Liquide para procesos de fabricación aditiva
Air Liquide le acompaña en el desarrollo de la producción de piezas por fabricación aditiva y le ofrece las mejores soluciones de gases según su tipo específico de proceso de producción. Consiga piezas de alta calidad con total seguridad gracias al argón, al nitrógeno y al helio en su proceso de additive manufacturing o fabricación aditiva metálica: producción y almacenamiento de polvo, inertización de la cámara de construcción y post-tratamientos.
Suministro de gases
Aunque solo representan una pequeña parte de la estructura de costes en este sector, los gases son, sin embargo, indispensables para el funcionamiento de las máquinas y desempeñan un papel crucial para la seguridad, la estabilidad de los procesos y la calidad de los productos finales. Los gases industriales evitan cualquier deformación o combustión de la pieza durante su impresión a alta temperatura siendo que el principal gas empleado para la fabricación de piezas metálicas es el argón pero, según los materiales, también pueden utilizarse el nitrógeno o el helio. En consecuencia, requieren que se garantice la continuidad de su suministro y Air Liquide tiene todas las respuestas para sus necesidades.
- Air Liquide suministra con fiabilidad nitrógeno (N₂), argón (Ar) y helio (He) con la pureza requerida, que intervienen en toda la cadena de valor:
- la fabricación del polvo, el reciclaje y el almacenamiento: inertización, plasma...,
- la construcción de piezas: inertización la cámara de construcción, lecho de polvo, proyección...,
- el postratamiento: tratamientos térmicos, limpieza con CO₂.
- Suministro continuo y evolutivo en función de la evolución de las necesidades;
- Seguridad y fiabilidad.
Instalación y equipos
- Red personalizada de distribución de gas: centrales, red hasta el punto de utilización, telemetría, mantenimiento asociado;
- Instalación de seguridad (anoxia);
- Equipos específicos para el almacenamiento de los polvos.
Experiencia y servicios
- Optimización de la adecuación «procesos-gases-materiales»;
- Elaboración del pliego de condiciones;
- Definición y diseño de las instalaciones de red de gases y seguridad;
- Auditorías y peritaje de gases de los sistemas de impresión 3D en metal.
Seguridad de la instalación
Naturalmente, los gases industriales deben utilizarse en condiciones de seguridad controladas (por ejemplo: riesgo de anoxia). Air Liquide le guía para garantizar la seguridad de las instalaciones y le aconseja sobre la implementación de equipos de detección de anoxia, los servicios de mantenimiento de las instalaciones y, por supuesto, la formación sobre el uso de gases.
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Fabricación aditiva metálica
Consejos y buenas prácticas para la fusión por láser
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Fabricación aditiva de metales
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Testimonial de Erpro & Sprint
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Gases utilizados durante todo el proceso de fabricación aditiva
El principal gas utilizado para la fabricación de piezas metálicas es el argón pero, dependiendo de los materiales y procesos, también se pueden utilizar el nitrógeno o el helio. Naturalmente, estos gases deben ser usados en condiciones controladas en términos de seguridad (por ejemplo, riesgo de anoxia), dentro de un marco profesional.
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Preguntas frecuentes
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