El poder de la fabricación híbrida de metales: Aprovechando la impresión 3D y los métodos tradicionales

La fabricación híbrida de metales integra procesos aditivos y sustractivos para optimizar el diseño y la producción de piezas metálicas. En este artículo se detalla cómo la combinación de impresión 3D, mecanizado, conformado y mucho más permite diseños novedosos en todos los sectores que buscan componentes metálicos complejos y personalizados con propiedades mejoradas.

Fabricación híbrida de metales: Combinación de técnicas tradicionales y

Un nuevo enfoque de la fabricación

La fabricación convencional de metales híbridos se está transformando por la posibilidad de que los metales Impresión en 3D y la fabricación aditiva poseen, en que permiten desarrollar nuevas formas no utilizadas en la fabricación. Pero, estas nuevas técnicas también están limitadas en el tamaño y la complejidad de la construcción, la resolución posible y las características del material.

Mezclar lo mejor de ambos mundos

El enfoque propuesto consiste en utilizar la fabricación aditiva en sinergia con las técnicas metalúrgicas convencionales. Las estructuras internas complejas pueden Piezas impresas en 3D dentro de volúmenes de construcción mayores. Las superficies externas intrincadas pueden mecanizarse con gran precisión. Se pueden unir diferentes aleaciones con propiedades optimizadas.

Este enfoque híbrido abre nuevas funcionalidades y mejora el rendimiento de las piezas. Los pasos de montaje complejos pueden reducirse o eliminarse gracias al diseño integral. Los componentes más ligeros pero de alta resistencia ahorran costes de material y mejoran la sostenibilidad.

El futuro de la fabricación híbrida de metales reside en la combinación eficaz de estas técnicas en función de los requisitos específicos de la pieza. Tanto los investigadores como las industrias están explorando activamente nuevos flujos de trabajo híbridos para llevar la fabricación de metales al siguiente nivel.

Antecedentes y definiciones

Este documento define la fabricación aditiva (AM), también conocida como impresión 3D, como las tecnologías que implican la creación de piezas tridimensionales mediante procesos que acumulan capas de material. En el caso de la AM metálica, esto significa fundir el material con un láser de alta potencia o un haz de electrones mientras se unen los polvos metálicos en un proceso capa a capa. Las prácticas convencionales de trabajo del metal incluyen operaciones mecánicas como el corte, el doblado y la perforación. Los procesos de fabricación como la fundición, la forja y el doblado, entre otros, caracterizan el moldeado del metal mediante moldeo o presión mecánica. Las técnicas de unión como la soldadura y el soldeo fusionan piezas metálicas separadas.

La fabricación híbrida de metales combina estratégicamente estos métodos aditivos y tradicionales. La AM se utiliza para geometrías internas complejas o estructuras reticulares ligeras que no son factibles con otros métodos. El mecanizado tradicional proporciona las superficies de alta precisión y las estrechas tolerancias necesarias. Las aleaciones utilizadas en aplicaciones de automoción, como la alta resistencia y la gran resistencia a la corrosión, pueden combinarse sin esfuerzo. Esta integración de enfoques aprovecha lo mejor de cada método a la vez que supera sus efectos, con lo que se obtienen productos funcionales, de alto rendimiento y rentables para su uso en aeroespacial, electrónica, médicoy otras industrias.

Motivación para la fabricación híbrida

Existen varias motivaciones clave para adoptar las técnicas de fabricación de metales híbridos:

• Permite la producción de piezas y componentes con geometrías complejas que no son posibles sólo con los métodos tradicionales.
• Las características internas pueden optimizarse en función de los requisitos de resistencia, ligereza o funcionalidad mediante técnicas aditivas.
• La precisión y las tolerancias más estrictas de las superficies exteriores y las piezas móviles requieren capacidades de mecanizado tradicionales.
• Se pueden unir diferentes materiales metálicos optimizados para diversas aplicaciones, como aleaciones de alta resistencia o resistentes a la corrosión.
• En general, permite diseñar y producir estructuras con una funcionalidad mejorada a un coste inferior en comparación con los métodos tradicionales.
• Alcance de la revisión

Esta revisión ofrecerá una visión general de la investigación y las aplicaciones actuales de la fabricación híbrida de metales. Describirá algunas de las principales técnicas aditivas y tradicionales que se están combinando en nuevos e innovadores flujos de trabajo. También se analizarán algunos de los ejemplos de combinación de distintas metodologías para la fabricación de piezas metálicas complejas para industrias como la aeroespacial y la biomédica. También se destacarán las limitaciones de esta visión y algunos de los problemas que pueden surgir en el transcurso de su aplicación.

El propósito de esta revisión es presentar no sólo el estado actual de la técnica en la fabricación híbrida de metales de próxima generación, sino también discutir los futuros desarrollos que pueden permitir los métodos híbridos que se discutirán en este artículo.

Clasificación de la fabricación híbrida

Existen varias clasificaciones principales de la fabricación híbrida de metales basadas en las etapas integradas con las técnicas tradicionales:

• Los híbridos de postprocesado utilizan métodos sustractivos como el mecanizado para mejorar el acabado superficial de las piezas fabricadas aditivamente.
• Los híbridos de forma casi neta pretenden reducir los plazos de entrega de los aditivos mediante el conformado tradicional inicial antes de imprimir en 3D los detalles finos.
• Los híbridos multimaterial unen diferentes aleaciones fabricadas por AM con propiedades distintas.
• Los híbridos tolerados aprovechan la precisión del fresado o el torneado para mecanizar las preformas AM según los planos técnicos.
• Los híbridos topológicos optimizan las estructuras internas mediante la AM y la unión tradicional de esa arquitectura.
• Tecnologías híbridas de fabricación de metales

Calendario de desarrollo

Con sus raíces en 1980, la AM metálica ha recorrido un largo camino. Las primeras tecnologías implicaban SLS y la impresión en 3D de metales con aglutinantes poliméricos interconectados. La modernización de la fusión del lecho de polvo y la deposición de energía dirigida se comercializó en la década de 2000. Los últimos años han permitido la AM de aleaciones de alto rendimiento, así como la impresión multimaterial y de impresión 3D multimaterial.

Clasificación de los procesos de AM

Existen dos subgrupos generales de técnicas de Metal AM: los procesos de fusión de lecho de polvo y los de deposición de energía dirigida. En los procesos de fusión de lecho de polvo, los polvos metálicos se unen aplicando capas sucesivamente finas de polvos metálicos a través de medios de energía térmica como láseres o haces de electrones. A continuación se depositan nuevas capas de polvo y se fusionan. La deposición por energía dirigida dirige la energía térmica focalizada (láser o haz de electrones) para fusionar los materiales (polvo o alambre) a medida que se depositan capa sobre capa de forma aditiva.

Procesos de fusión en lecho de polvo

La fusión selectiva por láser (SLM) y la fusión por haz de electrones (EBM) son los dos enfoques fundamentales del proceso de fusión del lecho de polvo. En la SLM, un láser se limita a barrer el lecho de polvo para fusionar una partícula determinada con otra. En la EBM, los polvos metálicos se funden y fusionan bien utilizando un haz de electrones focalizado. Los componentes pueden construirse a partir de niveles jerárquicos variables de datos de modelos 3D de forma laminar.

Procesos de deposición de energía dirigida

Los procesos de deposición de energía dirigida (DED) incluyen la conformación de redes por ingeniería láser (LENS) y la fabricación de forma libre por haz de electrones. A modelado por deposición fundida Se utiliza una fuente de energía térmica para fusionar los materiales (por ejemplo, alambre o polvo de metal) a medida que se depositan. El proceso permite reparaciones o la fabricación híbrida de metales depositando materiales sobre una pieza existente. Las piezas se construyen directamente, sin necesidad de estructuras de soporte.

Fabricación aditiva híbrida con múltiples fuentes de energía térmica

Ha aumentado el interés por los enfoques híbridos de AM que aprovechan múltiples fuentes de energía térmica focalizada como el láser y los haces de electrones. Esto permite combinar las ventajas de diferentes interacciones energía-material.

GMA-DED / PA-DED asistida por láser

GMAW-DED o PAW-DED utiliza un arco metálico de gas o corte por plasma soplete para depositar el material de soldadura. Un láser coaxial proporciona un calentamiento localizado adicional para aumentar la velocidad y el control de la deposición. Esto mejora la deposición de aleaciones reactivas y permite la deposición de materiales disímiles.

GTA-DED asistida por láser

GTAW-DED utiliza una antorcha de soldadura por arco de gas tungsteno para la deposición del material. Un láser proporciona un calentamiento suplementario al baño de soldadura para mejorar el control de la geometría. Esto facilita el AM de aleaciones difíciles de soldar con alta conductividad como el cobre.

Análisis y retos

La utilización de entradas de energía duales crea más flexibilidad de diseño pero introduce complejidad en términos de control y optimización del proceso. Deben tenerse en cuenta factores como el acoplamiento de energías, la secuenciación y el posicionamiento. Las tensiones residuales y la distorsión derivadas del calentamiento de múltiples fuentes también requieren análisis. Otros trabajos tienen como objetivo caracterizar completamente el rendimiento de los materiales a partir de estos enfoques avanzados de fabricación de metales híbridos.

Fabricación aditiva híbrida con procesos de eliminación de material

La integración de la eliminación de material en la fabricación híbrida de metales amplía el espacio de diseño y mejora la calidad de las piezas. Esto suele hacerse después de la deposición, pero también puede incorporarse a mitad de la fabricación.

Integración durante la secuencia de fabricación

Un enfoque común implica el mecanizado en bruto de un sustrato o placa base antes de la AM. Esto establece la geometría inicial de la pieza y las superficies de sujeción para una fijación segura durante la posterior deposición.

Alternativamente, las "preformas" iniciales de las características críticas pueden construirse de forma aditiva y, a continuación, se les puede dar más forma utilizando herramientas sustractivas. Por ejemplo, los intrincados canales de refrigeración pueden desbastarse mediante deposición de metal por láser antes de mecanizarlos hasta alcanzar las dimensiones finales.

Algunas tecnologías como la fabricación por deposición de forma (SDM) utilizan el fresado entre las capas verticales de deposición. Esto refina las superficies inclinadas rugosas y preserva la precisión posicional para la siguiente deposición.

El trabajo también pretende desarrollar capacidades de mecanizado en proceso. Un cabezal de herramienta retráctil podría despejar las estructuras de soporte durante la construcción o modificar la trayectoria de deposición y la geometría en tiempo real.

Retos y soluciones

Al integrar la eliminación de material se corre el riesgo de dañar o degradar el material depositado. Tecnología de corte por láser Los lubricantes y refrigerantes deben seleccionarse cuidadosamente para que no reaccionen con las aleaciones ni las debiliten.

La robustez de la fijación es fundamental para localizar con precisión las piezas para el mecanizado posterior. Los enfoques en proceso requieren sistemas multicabezal estrechamente coordinados. Las tensiones residuales del calentamiento-enfriamiento localizado complican aún más la estabilidad de las piezas.

Para solucionarlo, muchos procesos de fabricación de metales híbridos emplean métodos de mecanizado sin contacto, como la ablación por ultrasonidos o láser, para evitar tensiones mecánicas. La supervisión del proceso en tiempo real también permite el control de retroalimentación de los distintos pasos de fabricación.

Fabricación aditiva híbrida de metales con procesos de conformado

Procesos de tratamiento térmico

Las piezas fabricadas aditivamente suelen someterse a tratamientos térmicos de solubilización y recocido para aliviar las tensiones internas y refinar las estructuras de grano. Algunas técnicas de fabricación híbrida de metales integran tratamientos térmicos localizados directamente en el proceso de AM.

Por ejemplo, la deposición directa de metal asistida por láser puede disolver inmediatamente el material en la región del baño de fusión a medida que se solidifica. Esto mejora los límites elásticos y resuelve problemas como la fragilización.

HIP y trabajo en frío

El prensado isostático en caliente (HIP) densifica los materiales porosos as-depositados hasta densidades cercanas a las teóricas, mejorando sus propiedades. Algunos enfoques utilizan el HIP a mitad de la fabricación para densificar selectivamente zonas como las regiones portantes, preservando al mismo tiempo las estructuras reticulares.

El laminado en frío, el granallado y otros tratamientos superficiales también se incorporan para impartir beneficios de endurecimiento por deformación sin introducir distorsión por el procesamiento a granel.

Integración con procesos de conformado a granel

Forja

La forja en matriz abierta o cerrada se utiliza para consolidar y deformar preformas formadas aditivamente en componentes con forma de red o casi de red. Los diseños iniciales de AM optimizan la colocación del material para un conformado eficaz sin defectos.

Doblar y girar

Las técnicas de laminación de láminas o de deposición lineal permiten el conformado de piezas cilíndricas o cónicas de fabricación híbrida de metales mediante operaciones posteriores de hilatura o plegado como el conformado por estirado.

Integración con los procesos de conformado de chapa

El material en láminas con heterogeneidades diseñadas puede procesarse aditivamente y luego conformarse en formas tridimensionales complejas mediante métodos convencionales de estampado o hidroconformado. La rigidez graduada conseguida mediante el modelado aditivo mejora la ductilidad de conformado.

Integración con procesos de unión por conformación

La AM basada en la extrusión permite la unión y el conformado similares a la forja de subconjuntos de fabricación híbrida de metales. Los perfiles iniciales pueden depositarse de forma aditiva y, a continuación, unirse y consolidarse de forma continua mediante calor y compresión localizados. Esto produce complejos estructuras metálicas integradas.

Conclusión

La fabricación híbrida de metales es un campo en rápida evolución que aprovecha los puntos fuertes de las técnicas de metalurgia aditiva y tradicional. Mediante la integración estratégica de diferentes procesos en varias fases de la producción de componentes, los fabricantes pueden crear piezas metálicas geométricamente complejas con un rendimiento optimizado. La libertad de diseño personalizado y las propiedades de los materiales que se consiguen con los flujos de trabajo híbridos siguen ampliando el potencial de aplicación de los productos metálicos fabricados.

Sin embargo, aún es necesario un mayor desarrollo para aprovechar plenamente las capacidades de este enfoque. Una mayor investigación sobre la sincronización de varios cabezales, la metodología de control de procesos para entradas combinadas y soluciones de fijación robustas pueden aumentar la calidad de las piezas y la repetibilidad de la fabricación. También pueden ser necesarias nuevas formulaciones de aleaciones metálicas y procedimientos de tratamiento térmico para adaptarse a la demanda de rutas de procesamiento integradas. Deben seguir desarrollándose normas para cualificar las piezas de fabricación de metales híbridos para las industrias críticas.

Preguntas frecuentes

P: ¿Cuáles son algunos de los flujos de trabajo habituales en la fabricación híbrida?

R: Los enfoques habituales incluyen la fabricación híbrida de metales de núcleos e insertos complejos combinada con el mecanizado tradicional de las superficies exteriores, la estratificación aditiva de diferentes aleaciones unidas mediante soldadura y la integración del conformado, el tratamiento térmico o la unión con preformas impresas en 3D.

P: ¿Cuáles son las ventajas de la fabricación híbrida?

R: Permite optimizar el diseño de las piezas para diversas técnicas híbridas de fabricación de metales, mejorar las propiedades mediante la integración multimaterial, reducir los pasos de montaje y obtener tolerancias más ajustadas en comparación con los enfoques exclusivamente aditivos.

P: ¿Qué retos plantea la fabricación híbrida?

R: Al integrar diversos procesos se corre el riesgo de que se produzcan daños o degradaciones, las tensiones residuales del calentamiento/enfriamiento en varios pasos son complejas de abordar y los sistemas de varios cabezales estrechamente sincronizados requieren un perfeccionamiento del control de procesos.

P: ¿Qué industrias están adoptando técnicas híbridas?

R: Los sectores clave incluyen el aeroespacial, la sanidad, la automoción y la energía, donde los requisitos de resistencia, complejidad y personalización impulsan métodos innovadores de fabricación de metales.\\N