El impacto de la impresión 3D de metales en las técnicas tradicionales de fabricación de metales

El artículo que nos ocupa trata de cómo la impresión 3D de metales produce nuevas técnicas metálicas con repercusiones en métodos como la fundición, el mecanizado y el conformado. También contará cómo el metal a través de impresión 3D personalizada y proporcionar una evaluación general de su impacto en la cadena de suministro y en los costes, aplicaciones, ventajas sobre los métodos tradicionales y desventajas.

El impacto de la impresión 3D de metales en las técnicas tradicionales de fabricación de metales

Tecnología de impresión sobre metal

Llamamos simplemente a la tecnología de impresión 3D en metal, como fabricación aditiva de metales. Se refiere al proceso de creación de objetos metálicos mediante una técnica de fabricación aditiva por capas. Algunas cosas clave que hay que saber sobre la tecnología de impresión de metales:

Procesos: Los procesos habituales de impresión 3D en metal son la fusión selectiva por láser (SLM), el sinterizado directo de metal por láser (DMLS) y la fusión por haz de electrones (EBM). Estos funcionan haciendo que múltiples capas finas de polvo metálico se fundan y fusionen para formar el objeto sólido final.

Materiales: Los materiales que se utilizan pueden ser acero inoxidable, aluminio, titanio, aleaciones de níquel, cobre, aleaciones de cobalto y cromo, entre otros. La gama crece a medida que mejora la actividad.

Cómo funciona: Esta técnica implica el uso de láser o haz de electrones por el que capas de polvo metálico o alambre se someten a energía y se unen para formar el diseño previsto. Cada capa posterior se adhiere sólidamente a la anterior para formar la pieza final capa a capa.

Procesos clave de impresión 3D en metal

Los métodos más conocidos de impresión 3D en metal que se utilizan hoy en día son SLM -fusión selectiva por láser-, DMLS -sinterizado directo de metal por láser- y EBM -fusión por haz de electrones-. En la SLM y la DMLS, el proceso consiste en utilizar el rayo láser para fundir el polvo metálico, mientras que en la EBM, las capas de polvo se funden mediante un haz de electrones. La fusión por chorro múltiple también se utiliza para el sinterizado selectivo por láser. Está mejorando ya que imprime más rápido y es capaz de combinar diferentes materiales durante el proceso de impresión.

Materiales metálicos para impresión 3D

Los materiales que se utilizan en la impresión 3D sobre metal son el acero inoxidable, el aluminio, las aleaciones de níquel, el titanio y el cobre. La selección de materiales se amplía a medida que la tecnología se desarrolla para cubrir más necesidades y peticiones industriales.

Técnicas de fabricación

Métodos tradicionales de fabricación de metales

Antes del auge de la fabricación aditiva, las técnicas habituales para dar forma al material metálico en bruto incluían procesos de mecanizado como el torneado, el fresado y el rectificado; técnicas de conformado como el estampado, el doblado y el hilado; y la fundición de metal fundido en moldes. Estos métodos sustractivos y formativos eliminan o dan forma al material en bruto para fabricar piezas en grandes volúmenes, pero están limitados por las geometrías y diseños que pueden producir.

Mecanizado CNC

El mecanizado CNC (control numérico por ordenador) utiliza herramientas de corte acopladas a máquinas multieje para eliminar el material sobrante de las piezas metálicas basándose en instrucciones programadas en código G. A la vez que ofrece precisión, Mecanizado CNC genera residuos de virutas y es mejor para la producción de perfiles básicos que para características internas intrincadas y posibilidades de diseño ligero.

Fundición de metales

Las técnicas de fundición, como la fundición en arena, en coquilla y a la cera perdida, consisten en verter aleaciones metálicas licuadas en moldes para que se solidifiquen y den lugar a componentes de forma casi neta. La fundición produce secciones complejas adecuadas para una producción de volumen bajo a medio, pero implica costes de fabricación del molde.

Conformado de chapa metálica

Procesos como el punzonado, el estampado, el curvado y el hilado dan forma a las chapas y planchas metálicas en piezas mediante fuerzas de compresión aplicadas entre las herramientas. El conformado en masa fabrica piezas idénticas de forma eficiente, pero tiene limitaciones de diseño en comparación con las capacidades de la impresión 3D en metal.

Impacto de la fabricación

Cadenas de suministro más cortas

Guía de la impresión en 3D simplifica las cadenas de suministro al integrar múltiples etapas de fabricación en un único proceso. Ya no son necesarios pasos intermedios como el trabajo en caliente/frío, el corte, la unión o el ensamblaje. Las piezas pueden producirse bajo demanda allí donde exista un suministro de polvo e impresión 3D de metales, lo que reduce los largos plazos de fabricación y la necesidad de inventarios de existencias de seguridad.

Reducción de residuos y uso de materiales

Al depositar únicamente el material preciso donde se necesita capa por capa, la impresión 3D sobre metal minimiza los residuos en comparación con las técnicas sustractivas que eliminan el exceso de material a granel. Las piezas de densidad casi total requieren entre 5 y 10% menos de material que sus homólogas tradicionales y pueden reutilizarse hasta 97% de polvo metálico. Esto disminuye la energía y los costes a la vez que reduce el impacto medioambiental.

Menores costes para la producción a medida y en lotes pequeños

Los elevados costes fijos de las plantas tradicionales de fabricación en serie se evitan con las impresoras 3D de metal, que tienen menores requisitos de CapEx. Esto hace que la fabricación aditiva resulte atractiva para la producción de bajo volumen, ya que los costes por pieza no aumentan significativamente para los componentes no estándar o a medida. Las series de producción tan pequeñas como una son asequibles.

Mayor libertad de diseño y geometrías complejas

Las técnicas aditivas imponen menos restricciones geométricas al diseño de las piezas en comparación con las capacidades del mecanizado sustractivo o la impresión 3D de metales con procesos formativos. Las intrincadas estructuras reticulares internas, los canales de refrigeración conformados y los implantes específicos para cada paciente son posibles sin límites de utillaje. El aligeramiento puede optimizarse en función de la resistencia.

Aplicaciones de impresión sobre metal

Industria aeroespacial

La impresión 3D en metal permite a los fabricantes de aeronaves y naves espaciales producir componentes cada vez más complejos y de bajo volumen, como álabes de turbina e intercambiadores de calor. Las piezas con diseños optimizados que reducen el peso ofrecen un rendimiento y un ahorro de combustible significativos. Las aleaciones de titanio y níquel se utilizan habitualmente para cumplir especificaciones mecánicas rigurosas.

Industria del automóvil

Los deportes de motor y los vehículos de gama alta son los primeros en adoptar las piezas de impresión 3D en metal para aplicaciones como los componentes del motor, debido a las ventajas de velocidad y personalización. Los fabricantes de automóviles de producción en serie también están investigando oportunidades, como los escudos térmicos que utilizan estructuras reticulares ligeras. Las aleaciones de aluminio son materiales populares.

Industria médica

La producción regulada de implantes biocompatibles, prótesis y herramientas quirúrgicas de titanio y aleaciones de cobalto-cromo está bien establecida. Los dispositivos personalizados mejoran los resultados en los pacientes y la rentabilidad en comparación con las alternativas disponibles en el mercado.

Otras industrias

La fabricación aditiva con metales como el acero inoxidable se expande a sectores como la maquinaria industrial, el petróleo/gas, la defensa y la generación de energía. Las aplicaciones especializadas aprovechan la libertad de diseño, mientras que la fabricación general explora la rentabilidad frente a la producción tradicional.

Comparación de procesos

Ventajas de la impresión 3D en metal

La fabricación aditiva permite una mayor complejidad geométrica, la optimización del diseño y la fabricación personalizada en comparación con las técnicas sustractivas. La simplificación de la cadena de suministro y la reducción de residuos disminuyen los costes, mientras que la escalabilidad de la producción beneficia a los volúmenes bajos y medios. Son posibles complejas estructuras reticulares internas.

Limitaciones de la impresión 3D en metal

A lo largo de las propiedades mecánicas pueden variar con la orientación de la construcción. A veces es necesario el postprocesado. Los costes de material más elevados y los tiempos de construcción más largos que los de la producción en serie limitan las aplicaciones. El gran tamaño de las piezas puede superar las dimensiones de la impresora. Existen menos grados de metal disponibles en comparación con las aleaciones forjadas estándar.

Cuándo utilizar la fabricación tradicional frente a la aditiva

La fabricación tradicional mantiene ventajas para componentes estandarizados de gran volumen gracias a las economías de escala. La fundición compleja es viable para piezas especializadas de gran tamaño y bajo volumen. La selección del proceso óptimo depende del diseño/material de la pieza, de la escala/frecuencia de producción y de si la geometría estándar/personalizada afecta al enfoque de fabricación. A menudo, ambos métodos se integran dentro de las industrias.

Integración de la tecnología

Combinación de métodos tradicionales y aditivos

En lugar de sustituir las técnicas heredadas, La impresión 3D en la creación de prototipos se integra en los ecosistemas de fabricación. La fundición de forma casi neta proporciona material para el mecanizado CNC. Los moldes impresos producen piezas fundidas de forma convencional. Los métodos sustractivos completan piezas impresas semiacabadas que requieren tolerancias estrechas. Los procesos híbridos aprovechan las ventajas de los métodos respectivos para obtener resultados multimaterial y multiatributo.

Subcontratación a fabricantes especializados

Mientras que los grandes fabricantes de equipos originales incorporan capacidades internas de impresión 3D en metal, muchos proveedores se benefician de la subcontratación de trabajos de aditivos metálicos. Los fabricantes por contrato proporcionan un acceso económico a la fabricación avanzada sin grandes inversión de capital. Los socios ofrecen apoyo al desarrollo de aplicaciones, optimización de la producción, postprocesamiento, pruebas y servicios de certificación. Los clientes se centran en sus competencias básicas mientras los especialistas garantizan el cumplimiento técnico y normativo para la introducción de nuevos productos.

Conclusión

La integración de la impresión 3D de metales en la fabricación convencional está ganando impulso a medida que ambas tecnologías siguen evolucionando rápidamente. Aunque la fabricación tradicional seguirá siendo importante para la producción de grandes volúmenes, las ventajas que la fabricación aditiva ofrece para la complejidad del diseño, la eficacia de la cadena de suministro y los componentes personalizados de bajo volumen garantizan que encuentre un papel establecido en todos los sectores.

A medida que las mejoras en los materiales y la velocidad reduzcan los costes de la tecnología, la impresión 3D sobre metal competirá cada vez más con el mecanizado tradicional no sólo para prototipos, sino también para piezas de producción de uso final. Los beneficios complementarios de ambos enfoques de fabricación también verán un mayor uso combinado a través de soluciones híbridas automatizadas. En última instancia, las revolucionarias capacidades de la fabricación aditiva para transformar los flujos de trabajo de diseño y fabricación impulsarán su creciente influencia en los futuros estándares de la industria y la competitividad global.

Preguntas frecuentes

¿Qué materiales pueden utilizarse para la impresión 3D en metal?

Entre los materiales más comunes se encuentran el acero, el aluminio, el titanio, las superaleaciones de níquel y el cobre. Cada vez se evalúan y optimizan más aleaciones metálicas para los procesos aditivos.

¿Cuánto tiempo se tarda en imprimir en 3D una pieza metálica?

Los tiempos de impresión varían significativamente en función de factores como el material, el tamaño de la pieza y el tipo/ajuste de la impresora. Las piezas sencillas pueden tardar unas horas, mientras que los diseños más complejos podrían requerir varios días para completar la construcción capa por capa.

¿Es necesario el postprocesado de los metales impresos en 3D?

Algunos tipos de postprocesado como la limpieza, el tratamiento térmico o el mecanizado pueden ser necesarios para conseguir las propiedades dimensionales y mecánicas finales. También suele ser necesaria la eliminación de la estructura de soporte.

¿Qué industrias utilizan piezas metálicas impresas en 3D?

Entre los sectores clave se encuentran el aeroespacial, la sanidad, la automoción, el equipamiento industrial y los productos de consumo. Las aplicaciones especializadas se encuentran en los sectores de defensa, petróleo/gas y naval, entre otros.

¿Cómo se comparan los costes de la impresión 3D sobre metal con los de la fabricación tradicional?

Para lotes pequeños y diseños complejos y personalizados, la fabricación aditiva suele ser más asequible. Los volúmenes de producción más grandes suelen favorecer las técnicas convencionales debido a sus economías de escala.