Metales para impresión 3D: Guía para elegir el material adecuado

Metales para impresión 3D

La impresión 3D de metales ha trascendido el laboratorio de prototipado. Industrias como la aeroespacial y la de fabricación de dispositivos médicos la utilizan para crear componentes de alto rendimiento con geometrías imposibles de producir mediante mecanizado convencional. La variedad de metales que se pueden imprimir ha aumentado considerablemente a medida que la tecnología ha madurado. Elegir el material adecuado es tan importante como seleccionar la máquina correcta.

Los ingenieros y los equipos de compras están mejor preparados para tomar decisiones cuando conocen las propiedades mecánicas de cada material, su perfil de costos y sus aplicaciones ideales. Una selección incorrecta puede resultar en un rendimiento deficiente de las piezas, mayores costos o un procesamiento posterior costoso, lo que anula las ventajas de la fabricación aditiva. La selección de materiales puede afectar a todo, ya sea que se trabaje con componentes estructurales, implantes biomédicos o herramientas.

Boda se asocia con fabricantes de diversas industrias para encontrar el mejor proceso de impresión 3D de metal para cada aplicación. impresión 3D personalizada recursos y razonables Costos de impresión 3D de metal son buenos puntos de partida al evaluar tus opciones.

¿Qué es la impresión 3D en metal?

La fabricación aditiva de metales también se conoce como impresión 3D metalEste proceso fabrica piezas a partir de archivos digitales utilizando polvos metálicos, alambres o moldes. A diferencia de la fabricación sustractiva, que elimina material de un bloque, los procesos aditivos depositan material únicamente en las áreas necesarias. Esto reduce el desperdicio y permite crear geometrías internas complejas que, de otro modo, serían imposibles de mecanizar.

La fusión de lecho de polvo, la extrusión de polvo aglomerado y la deposición de energía dirigida son las familias de procesos más utilizadas. Cada proceso presenta características diferentes en cuanto a compatibilidad de materiales y resolución. Podrá elegir los metales que desee según el proceso seleccionado.

Impresión 3D de metales: cómo funciona

Estructura cúbica reticular metálica impresa en 3D

La fusión por lecho de polvo es un método para fundir polvo metálico capa a capa de forma selectiva mediante un haz láser o un haz de electrones. El haz funde la siguiente sección transversal antes de aplicar cada nueva capa de polvo metálico a la plataforma de construcción. La extrusión de polvo aglutinado consiste en mezclar polvo metálico con un polímero aglutinante, extruirlo hasta obtener una pasta espesa y, posteriormente, sinterizarlo en un horno para eliminar el aglutinante. Ambos métodos producen piezas densas y funcionales, pero cada uno presenta importantes desventajas en cuanto al acabado superficial, el tiempo de fabricación, la precisión dimensional y las opciones de materiales.

Ventajas de la fabricación convencional

La impresión 3D de metales destaca en piezas que requieren estructuras reticulares o geometrías orgánicas, imposibles de producir mediante mecanizado. Esta tecnología también permite reducir los plazos de entrega de componentes de bajo volumen o piezas únicas, y posibilita la fabricación rentable de aleaciones costosas como Inconel y titanio, cuyo mecanizado resultaría prohibitivo. La fabricación aditiva no solo es una alternativa al mecanizado para muchas aplicaciones de alto valor, sino el único método de producción viable.

Materiales metálicos para impresión 3D: Los 05 metales más comunes

El acero, las superaleaciones y el titanio se encuentran entre los más utilizados. 3D materiales de impresión para la fabricación aditiva de metales. Cada grupo de materiales ofrece un equilibrio diferente entre propiedades mecánicas, coste e idoneidad para la aplicación, mientras que los grados individuales se seleccionan en función de requisitos de rendimiento específicos.

Acero

El acero es uno de los metales más utilizados en las impresoras 3D. Su excelente resistencia y rigidez lo convierten en el metal preferido para la impresión 3D. Además, la impresión 3D de acero se utiliza ampliamente en la industria, cuenta con un amplio conocimiento del sector y presenta costes relativamente bajos. Si bien la mayoría de los tipos de acero son imprimibles, los aceros inoxidables y los aceros para herramientas son los más populares. Estos aceros son costosos y difíciles de mecanizar. Por lo tanto, la fabricación aditiva representa una opción rentable para estos materiales.

Aceros inoxidables

Diferentes piezas metálicas impresas en 3D

La resistencia a la corrosión de los aceros inoxidables se debe a la presencia de al menos un 12 por ciento de cromo. Dos tipos predominan en la impresión 3D de acero inoxidable:

• Austenítico (316L): El acero inoxidable es el material más utilizado para impresión y posee una excelente resistencia a la corrosión. Se puede soldar y mecanizar, pero no se puede someter a tratamiento térmico. Es apto para procesos químicos, instrumentos médicos y componentes navales.
• 17-4 PH (Martensítico): Acero endurecible por precipitación que puede someterse a tratamiento térmico para lograr una amplia gama de propiedades mecánicas en diferentes grados de dureza. Es más duro y resistente que el 316L, pero menos resistente a la corrosión. Ampliamente utilizado en la fabricación industrial y en componentes aeroespaciales.

Aceros para herramientas

Los aceros para herramientas están diseñados para operaciones específicas como corte, rectificado y estampado. Estos aceros contienen compuestos de carburo, que proporcionan una dureza extrema y resistencia al desgaste tanto a temperatura ambiente como a altas temperaturas. Los tres grados más comunes impresos son:

• A2: Un acero para herramientas versátil, apto para el trabajo en frío, utilizado en punzones, matrices y herramientas de uso general. Ofrece un buen equilibrio entre tenacidad y resistencia al desgaste.
• D2 Está optimizado para proporcionar la máxima resistencia al desgaste en aplicaciones de trabajo en frío, incluidas cuchillas y cortadoras industriales.
• H13 Acero para herramientas de alta temperatura que combina resistencia al calor con tenacidad y resistencia al desgaste. Es ideal para insertos de fundición a presión y matrices de forja.

Superaleaciones: Inconel y cromo cobalto

Piezas metálicas impresas en 3D

Las superaleaciones pueden funcionar en entornos hostiles, donde el calor, la presión y los agentes químicos corrosivos destruirían las aleaciones tradicionales. La impresión 3D de metales es una forma rentable de producir superaleaciones que resultan difíciles y costosas de obtener mediante métodos tradicionales.

Inconel

El Inconel, una familia de superaleaciones a base de níquel, es conocido por su extrema resistencia, tenacidad y resistencia a la corrosión, incluso a temperaturas en las que el acero perdería su integridad estructural. El Inconel 625 es más resistente a la fatiga térmica y la oxidación, mientras que el Inconel 718 posee una resistencia y tenacidad superiores. Ambos grados se utilizan en turbinas de gas, juntas de motores a reacción, componentes de escape y componentes de cohetes.

Cromo cobalto

El cromo cobalto combina una alta relación resistencia-peso, biocompatibilidad y resistencia a la corrosión. Es una alternativa al titanio más densa y de alto rendimiento para aplicaciones que requieren fiabilidad estructural y biocompatibilidad. El cromo cobalto se puede utilizar en diversas aplicaciones, como turbinas, entornos industriales e instrumental médico.

Titanium

El titanio es un material que ofrece una excepcional relación resistencia-peso, pero también tiene altos costos de materia prima y mecanizado en la fabricación convencional. Esto lo convierte en un argumento convincente para la fabricación aditiva. La impresión 3D de titanio permite ahorrar material, y la libertad geométrica que proporciona a menudo justifica el mayor costo por máquina para los componentes de titanio. Se puede imprimir en dos formas principales:

• Ti-6Al-4V: La aleación de titanio más común en la fabricación aditiva. Es aproximadamente un 40 % más ligera que la 17-4 PH, pero posee una resistencia comparable o superior. Es resistente a entornos corrosivos y altas temperaturas. Se utiliza en estructuras aeroespaciales, componentes automotrices y hardware industrial, donde la reducción de masa es fundamental.
• Titanio comercialmente puro: Menos resistente que el Ti64, pero más biocompatible independientemente de las condiciones de procesamiento. Se utiliza en dispositivos médicos como implantes ortopédicos, tornillos óseos y otros productos médicos donde la biointegración es importante.

El titanio es un material fundamental para cualquier equipo de ingeniería que produzca piezas metálicas impresas en 3D, donde la relación peso-rendimiento determina las especificaciones de diseño.

Cobre

El cobre es un metal que ocupa un lugar especial en la fabricación aditiva. Se elige casi exclusivamente por su conductividad térmica y eléctrica, más que por sus propiedades mecánicas. La impresión 3D de metales permite a los ingenieros crear componentes de cobre con geometría optimizada que, de otro modo, serían muy difíciles de fabricar mediante mecanizado o fundición. Disipadores de calor, barras conductoras, bobinas de inducción y electrodos de soldadura son algunas de sus aplicaciones.

• Cobre puro: Presenta la mayor conductividad térmica y eléctrica entre todas las variantes de cobre. Sin embargo, su alta reflectancia láser lo hace incompatible con los sistemas láser PBF estándar. Solo se puede imprimir en máquinas de extrusión de polvo aglomerado.
• Cobre aleado (por ejemplo, C18150): Contiene entre un 1 % y un 2 % de componentes de aleación, como cromo o zinc, que reducen la reflectancia del láser hasta el punto de permitir la impresión en ciertas plataformas PBF. La conductividad del cobre aleado es menor que la del cobre puro, pero sigue siendo superior a la de otros grupos de metales.

Aluminio:

La impresión 3D de aluminio es mucho menos común que la fabricación convencional. Esto se debe principalmente a que las aleaciones forjadas más utilizadas, la 6061 y la 7075, no se pueden imprimir con los sistemas PBF estándar. Las aleaciones de fundición con hasta un 12 % de silicio sí se pueden imprimir, pero presentan propiedades mecánicas inferiores a las de las aleaciones forjadas. El retorno de la inversión (ROI) para la impresión de aluminio es menor que el de la mayoría de los demás metales debido al coste relativamente bajo del mecanizado del aluminio estándar.

La impresión de compuestos de fibra continua es una excelente opción para equipos de ingeniería que necesitan piezas con una resistencia equivalente a la del aluminio. Además, puede mejorar la rigidez, la resistencia a la fatiga y la resistencia al impacto. Considere esta alternativa antes de optar por la fabricación aditiva de aluminio.

Tabla comparativa de materiales metálicos para impresión 3D

¿Cuáles son los mejores materiales para la impresión 3D de metal?

 Impulsor metálico recién impreso 

Comprender los requisitos de su proyecto en cuatro dimensiones —rendimiento mecánico, requisitos de exposición ambiental, requisitos de biocompatibilidad y presupuesto total— le ayudará a elegir el mejor material. Este es un error costoso que los equipos suelen cometer al pasar del prototipo a la producción.

Material adecuado para el entorno de aplicación

Se recomienda el uso de superaleaciones si la pieza está expuesta a altas temperaturas o entornos químicamente agresivos. El titanio es el material más resistente para componentes estructurales, donde el peso es un factor crucial. El acero para herramientas o el acero inoxidable son los materiales más económicos para herramientas y componentes industriales en general. El cobre es el único metal que puede proporcionar los componentes de gestión térmica que requieren los sistemas electrónicos y de energía modernos.

Considere los requisitos de posprocesamiento

Varios materiales requieren un procesamiento adicional para alcanzar sus características mecánicas finales. Otros, como el H13 y el 17-4 PH, requieren tratamiento térmico. Para sellar la porosidad interna, las superaleaciones o los componentes de titanio suelen sellarse mediante prensado isostático en caliente. El acabado superficial suele ser necesario para las superficies de sellado y las interfaces de los cojinetes. Estos pasos pueden aumentar el tiempo y el costo de un proyecto. Al seleccionar los materiales, no deben considerarse a última hora. 

Para materiales como el Inconel o el titanio, puede ser necesario un tratamiento térmico o un prensado isostático en caliente para eliminar la porosidad interna y alcanzar la resistencia mecánica requerida, lo que incrementa el tiempo y el costo del proyecto. Por otro lado, las piezas de acero inoxidable generalmente solo necesitan un acabado superficial, como pulido o granallado, para cumplir con los requisitos de sellado e interfaz de rodamiento. Comprender estas necesidades de posprocesamiento para cada material antes de finalizar el diseño ayuda a evitar sobrecostos y retrasos causados ​​por pasos adicionales inesperados al final del proceso de producción.

Equilibrio entre costo y rendimiento

El acero es menos costoso que las superaleaciones. Sin embargo, el titanio y las superaleaciones son más caros de fabricar y procesar. En proyectos con presupuesto limitado, se debe realizar un análisis de costos de impresión 3D de metales junto con la selección del material. El acero inoxidable 316L ofrece la mejor relación calidad-precio y es apto para diversas aplicaciones. Este material debería ser la opción predeterminada, a menos que los requisitos específicos exijan un material de mayor rendimiento.

Metal para Impresión 3D para piezas de automoción

La industria automotriz ha adoptado la fabricación aditiva de metales a una escala mucho mayor que otros sectores. Esto se debe a la demanda de componentes estructurales ligeros y canales de refrigeración con topologías complejas. Los soportes con topologías optimizadas también tienen una gran demanda. Entre los materiales adecuados para componentes estructurales que requieren un peso reducido se incluyen las aleaciones de aluminio y titanio. El acero para herramientas se utiliza para matrices y fijaciones. 

La fabricación de colectores de admisión y escape se puede realizar mediante impresión 3D. También es posible fabricar soportes personalizados, herramientas de producción y componentes de suspensión. El resultado es una menor cantidad de piezas, secuencias de montaje más cortas y mejoras significativas en la relación rendimiento-peso en todos los modelos de vehículos.

Errores comunes al seleccionar materiales metálicos para impresión 3D

Al evitar los errores de selección más comunes, podrá evitar retrasos en la producción y ahorrar dinero.

• Si todas las aleaciones se imprimen de la misma manera, No todos los grados de una familia de materiales se pueden imprimir. Las aleaciones de aluminio forjado más utilizadas, la 6061 y la 7705, no están disponibles como sistemas PBF estándar.
• No se incluyen los costos de posprocesamiento en las estimaciones de costos. Muchos materiales, como el Inconel o el titanio, requieren tratamiento térmico y mecanizado de acabado después de la impresión. Estos costes suelen pasarse por alto en el presupuesto, lo que provoca importantes sobrecostes durante la fase de producción.
• Especificación excesiva del grado del material: El uso de Inconel, cuando el acero inoxidable 316L ofrece un rendimiento similar, incrementa los costos de material y procesamiento. El material debe elegirse en función del entorno y no de la especificación más alta disponible.
• Omitir la optimización del diseño para la fabricación aditiva: Las piezas metálicas impresas en 3D permiten crear geometrías imposibles de mecanizar. Reemplazar una pieza mecanizada sin rediseñarla para la fabricación aditiva no será competitivo en costes y supondrá perder el valor fundamental de esta tecnología.

Conclusión 

Los materiales metálicos para impresión 3D ofrecen una amplia variedad de propiedades, precios y aplicaciones. El cobre permite diseños optimizados térmica y eléctricamente. El aluminio se utiliza en aplicaciones donde el peso es un factor crítico y las restricciones de imprimibilidad son aceptables. Para elegir el material adecuado para cada aplicación, es importante evaluar las propiedades mecánicas, la compatibilidad con el proceso, las necesidades de postprocesamiento y el coste total.

Boda ayuda a los equipos de ingeniería y adquisiciones a elegir el material, el proceso y el enfoque de fabricación adecuados para sus proyectos. Ya sea que esté produciendo su primera pieza de fabricación aditiva de metal o expandiendo un flujo de trabajo existente, nuestra Servicio de impresión 3D Incluye selección de materiales, asistencia en el diseño y producción. Visite nuestra página de impresión 3D personalizada o póngase en contacto con nuestro equipo para hablar sobre su proyecto.

FAQ’s

¿Qué metales se utilizan con mayor frecuencia en la impresión 3D y por qué?

Los metales más utilizados actualmente en la fabricación aditiva son el acero (especialmente el acero inoxidable 316L y el 17-4 PH), el titanio (Ti-6Al-4V), el cromo cobalto, el cobre y las aleaciones de aluminio fundido. El acero es el metal más popular debido a su rentabilidad y versatilidad en diversas industrias.

¿Cuál es el metal más resistente que se puede imprimir en 3D?

Los aceros más duros son los aceros para herramientas. En particular, el H13 y el D2 se someten a tratamiento térmico. El Inconel 718 es una aleación estructural que ofrece una resistencia a la tracción excepcional a altas temperaturas. Las aleaciones de titanio, como el Ti-6Al-4V, son las más resistentes en términos de relación resistencia-peso. La mejor opción dependerá de si se mide el límite elástico o la dureza, el rendimiento a la fatiga o el rendimiento a altas temperaturas.

¿Cuánto cuesta la impresión 3D de metal?

La impresión 3D de metales resulta más cara por pieza que el mecanizado convencional cuando se utiliza en grandes volúmenes para geometrías sencillas. La fabricación aditiva suele ser más económica para geometrías complejas o aleaciones difíciles de mecanizar, como el Inconel o el titanio. El coste final depende en gran medida de la selección del material, el proceso de fabricación y el postprocesamiento. Por ello, es importante prever los costes desde el principio.

¿Es el metal más resistente que el plástico?

Sí, en casi todas las aplicaciones estructurales. Las piezas metálicas impresas en 3D poseen propiedades mecánicas iguales o superiores a las de sus contrapartes mecanizadas fabricadas con la misma aleación. Si bien la impresión con fibra continua compuesta puede alcanzar una resistencia similar a la del aluminio, no puede igualar el rendimiento de las aleaciones de alto rendimiento en condiciones de alta temperatura o carga elevada. El metal es el único material apto para aplicaciones que requieren soportar cargas, someterlas a un desgaste intenso o que exigen altas temperaturas.