¿Qué tecnologías de fabricación aditiva de metal existen?

Existen tres tecnologías principales para producir piezas metálicas mediante fabricación aditiva:

  • Selective Laser Melting (SLM o Fusión Selectiva por Láser). A esta tecnología también se llama, en ocasiones, Powder Bed Fusion (PBF o Fusión en Cama de Polvo) o Direct Metal Laser Sintering (DMLS o Sinterizado por Láser Directo de Metal).
  • Binder Jetting (BJ) o Inyección de Aglutinante (sobre polvo de metal).
  • Bound Metal Deposition (BDM) o Deposición de Metal Aglutinado.

Selective Laser Melting o SLM (/PBF/DMLS)

Introducción

La tecnología SLM es uno de los varios nombre que esta tecnología recible. Fue desarrollada en 1995 en el Fraunhofer Institute ILT en Aachen, Alemania. Tras patentar dicha tecnología, a principios del siglo XXI, el Doctor Dieter Schwarze inició un proyecto empresarial que hoy en día se conoce como SLM Solutions. El Doctor Schwarze sigue, a día de hoy, trabajando en SLM Solutions y liderando los más importantes avances en la tecnología SLM (materiales reactivos, multiláser, gestión del polvo en ciclo cerrado, etc.).

¿Cómo funciona?

Esta tecnología se basa en extender una fina capa de polvo de metal sobre un plato metálico. Utilizando un láser de alta potencia, aplicamos energía sobre dicho polvo de metal fusionando sus partículas entre sí. De este modo tan sencillo, podemos producir la primera «rodaja» de nuestra pieza metálica. A continuación, extendemos otra capa igual encima de la anterior y volvemos a aplicar el láser sobre su superficie. En esta ocasión, las partículas de polvo van a fusionarse entre sí y con las que están inmediatamente debajo, previamente fusionadas.

Repetimos este proceso, capa a capa, hasta que nuestra pieza se encuentra, formada por partículas de polvo fusionadas, dentro de la cuba de impresión, rodeada de polvo suelto.

Entonces sólo hay que extraer el polvo suelto y tamizarlo para volver a utilizarlo en la siguiente impresión, limpiar nuestra pieza y retirar los soportes que la unen al plato de construcción.

Fortalezas

  • Esta es la tecnología que obtiene piezas con mayores capacidades y prestaciones mecánicas.
  • Dada la longevidad de la tecnología (estamos al comienzo de su tercera década) disponemos de una gran gama de materiales con los que podemos trabajar.
  • Además, y por el mismo motivo, se trata de una tecnología muy probada, ampliamente utilizada en sectores como el molde, la automoción, la aeronáutica o las prótesis, entre otros. Es fácil saber, hoy en día, qué es lo que podemos obtener de esta tecnología para un proyecto concreto.
  • También podemos realizar piezas de un cierto tamaño, dentro de ciertos límites, no afectando de forma importante a cuestiones como precisión o propiedades mecánicas de la pieza terminada.
  • Las tolerancias de pieza terminada son las más altas que se encuentran en la fabricación aditiva de metal, aunque aún lejos de lo conseguido en mecanizado.

Debilidades

  • No es una tecnología rápida. A pesar de haberse logrado grandes avances en este aspecto, como la utilización de doce láseres simultáneamente en una sola impresión, es una tecnología más adecuada para el campo del utillaje, el prototipado o la preserie, que para producción en masa y series muy largas.
  • El incremento de velocidad exige un mayor número de láseres, lo que a su vez multiplica el coste de inversión inicial.
  • El polvo de metal utilizado tiene ciertas exigencias a nivel de desarrollo y control de calidad que conducen a costes de producción relativamente elevados.
  • Las piezas deben ser separadas del plato de construcción cortando y eliminando los soportes que las unen a éste. Dicho trabajo exige de un taller de trabajo del metal.

Referencias

Binder Jetting de metal o BJ

Introducción

La tecnología Binder Jetting fue desarrollada por el MIT en 1993 y consiste en «imprimir» con un cabezal de inyección de forma similar a una impresora de chorro de tinta, excepto que lo hace sobre una capa de polvo en lugar de sobre papel. El equipo que desarrolló esta tecnología fue el que registró el término «Three Dimensional Printing» y su abreviatura «3DP».

Se concedió una licencia exclusiva de esta tecnología a la empresa ExOne (hoy propiedad de Desktop Metal) en el año 1996. Desde entonces, han sido muchas las empresas que han desarrollado nuevas tecnologías y procesos de fabricación aditiva basados en esta tecnología, especialmente donde la velocidad de fabricación se ha considerado el objetivo más importante (por ejemplo, Desktop Metal o HP).

¿Cómo funciona?

Esta tecnología también se basa en extender una fina capa de polvo de metal sobre un plato. Luego, utilizando un inyector de aglutinante, unimos las partículas de polvo metálico entre sí. Y después, al repetir en la siguiente capa, volvemos a unirlas pero también con las de la capa anterior.

Lo que estamos construyendo no son piezas metálicas terminadas, sino piezas «verdes» hechas de polvo de metal unido con un aglutinante. Estas piezas no están terminadas y no poseen las propiedades ni la resistencia de una pieza metálica.

A continuación, sólo hay que extraer el polvo suelto y tamizarlo para volver a utilizarlo en la siguiente impresión, limpiar nuestras piezas y colocarlas en un horno de sinterizado.

Fortalezas

  • Sin duda, la tecnología de fabricación aditiva más rápida que existe es el binder jetting. Si hablamos de metal, la tecnología más productiva es sin duda el binder jetting de metal.
  • La tecnología no es compleja por lo que los costes de inversión son medios, la fiabilidad de la tecnología es alta y el mantenimiento y operación de las impresoras es sencillo.
  • Los requerimientos del polvo de metal a utilizar no son tan exigentes, por lo que los costes de producción son más reducidos que utilizando otras tecnologías.
  • No existe la necesidad de un taller del metal para eliminar soportes dado que las piezas se soportan en el polvo suelto durante la impresión. Esto reduce de forma importante el coste y tiempo de postprocesado.

Debilidades

  • Dado que el procesado final se realiza en un horno de sinterizado, similar a la tecnología clásica MIM, se produce una contracción en la pieza que dificulta la obtención de precisiones realmente pequeñas.
  • El proceso es multi-fase. Esto significa que, aunque la tecnología es extraordinariamente productiva, lo normal es que el tiempo a primera pieza sea en torno a los tres días.
  • Es una tecnología mucho más adecuada para la fabricación de gran número de piezas de tamaño pequeño y mediano que para piezas de gran tamaño o muy macizas.

Referencias

Bound Metal Deposition o BMD

Introducción

La tecnología Bound Metal Deposition fue desarrollada por Desktop Metal en 2017 y, aunque aún no es ampliamente conocida, incorpora una serie de beneficios únicos que la hacen destacar frente a otras soluciones más productivas o con prestaciones superiores.

Fundamentalmente, que esta tecnología es la única que se puede utilizar en un entorno de oficina para la fabricación de piezas reales de diferentes tipos de metal.

¿Cómo funciona?

De forma similar a como una impresora FDM fabrica una pieza de plástico, extruyendo un fino hilo de material fundido, la impresora BMD extruye un hilo de polvo de metal aglutinado. Con dicho hilo obtenemos la pieza «verde», es decir, pieza que tiene la forma correcta pero sin las propiedades de la pieza metálica final.

Inmediatamente después de imprimir dicha pieza, o un numero determinado de piezas impresas en paralelo en varias impresoras, las colocamos en el interior de un horno de sinterizado.

En dicho horno, el aglutinante se fundirá y desaparecerá mientras que el polvo de metal se fusionará para formar la pieza definitiva, ahora sí, con todas las propiedades del metal correspondiente.

Fortalezas

  • La inversión inicial es reducida dado que la impresora es en sí muy similar a una impresora FDM y, por lo tanto, económica.
  • La estrategia de producción es muy escalable dado que podemos incorporar impresoras adicionales, incluso alejadas unas de otras, y sinterizar en un horno centralizado la producción de todas ellas. Dado que las impresoras son el elemento económico de la solución, ampliar capacidades a futuro es muy sencillo y económico.
  • El material es bastante económico lo que significa que permite producir piezas a costes muy reducidos.
  • Esta impresora puede ser utilizada en entorno de oficina, exactamente igual que cualquier impresora FDM.
  • Cambiar de material es muy sencillo, en comparación con cualquier otra tecnología de fabricación aditiva de metal, lo que la convierte en la solución más versátil de la industria.
  • Aunque esta impresora sí que utiliza soportes para fabricar la pieza verde, deposita un material cerámico a modo de interfase entre la pieza y el soporte. Tras el proceso de sinterizado, es posible separar la pieza terminada de sus soportes sin usar nada más que las manos, sin necesidad de herramientas, taller o tiempos elevados.

Debilidades

  • Dado que el procesado final se realiza en un horno de sinterizado, similar a la tecnología clásica MIM, se produce una contracción en la pieza que dificulta la obtención de precisiones realmente pequeñas.
  • El proceso es multi-fase. Esto significa que lo normal es que el tiempo a primera pieza sea en torno a los tres días. Además, la impresora en sí es lenta, así que tampoco podemos esperar grandes volúmenes de producción.

Referencias

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