Verdaderos alcances de la manufactura aditiva de metales

La velocidad a la cual los nuevos productos deben ser puestos en el mercado hoy en día ha generado una gran necesidad para reducir el tiempo de desarrollo y fabricación. Adicionalmente, las necesidades de los clientes están cambiando cada vez con más rapidez y los productos deben ser adaptados para muchos mercados locales. La complejidad de los productos aumenta constantemente mientras que el tiempo de uso de los productos se reduce. Entre las soluciones que se han encontrado para estos dilemas productivos está el del desarrollo de técnicas para la manufactura de piezas complejas en 3D directamente desde datos CAD, mediante la adición de materiales capa por capa. De esta manera se ahorra notablemente en tiempos de desarrollo tanto de prototipos como de herramientas como moldes y matrices, al igual que posibilita la fabricación de geometrías imposibles de manufacturar por métodos tradicionales, como es el caso de agujeros con trayectorias no lineales.

Hoy en día se aceptan tres tipos de producción por medio de manufactura aditiva así:
Prototipado rápido (Rapid prototyping): Producción de modelos funcionales o no funcionales.
Fabricación rápida de herramientas (Rapid tooling): Manufactura de herramientas e insertos para moldes con beneficios de tiempo y costos. Fabricación de geometrías complejas (por ejemplo: sistemas de enfriamiento de contorno en moldes de inyección)
Manufactura rápida (Rapid Manufacturing): Manufactura de componentes funcionales, ventaja de costos y tiempo para fabricación de series pequeñas o piezas únicas. Manufactura de geometrías complejas (Por ejemplo, construcción ligera).

En el caso de la manufactura de piezas metálicas, el procedimiento que más se ha desarrollado es el de la conformación de material sólido a partir de polvos usando la energía de un rayo láser. La Figura 1 describe esquemáticamente el funcionamiento del proceso, en el que se deposita una capa de polvo metálico sobre la plataforma usando un peine dispersador. El material se sinteriza/funde localmente con el uso un láser guiado por un escáner y un sistema óptico. Una vez se ha generado la geometría deseada en una capa, la plataforma desciende y se dispersa la siguiente capa de polvo.

Tipos de consolidación de material
La consolidación de material basada en láser de partes tridimensionales a partir de capas de material en polvo pre-depositado en una plataforma de construcción se denomina comúnmente SLS y SLM, sinterizado láser selectivo y fundición láser selectiva, respectivamente. Desde el punto de vista comercial y práctico, las diferencias entre ambos procesos son vagas, pues no usan un único proceso de consolidación. La Figura 2, adaptada del trabajo de Kruth et.al.1, muestra los diferentes procesos de consolidación de material basados en láser, con el fin de dar claridad sobre los diferentes tipos de sistemas existentes en el mercado.

La diferencia principal entre los procesos de consolidación radica fundamentalmente en los mecanismos que se usan para que las partículas permanezcan unidas. Esto puede suceder en estado sólido, líquido, o gracias a interacciones químicas. En el caso de la sinterización en estado sólido (SSS), las partículas de polvo metálico no alcanzan la temperatura de fundición y la cohesión entre partículas se basa en el principio de la difusión atómica. Se generan cuellos entre las partículas adyacentes de polvo que crecen lentamente con el tiempo.

Debido estos largos tiempos de procesamiento, no se usa comercialmente debido a su baja productividad. Por otra parte, las piezas que salen de este tipo de procesos mantienen una porosidad inherente que solo puede ser removida por mecanismos posteriores como infiltración o post-sinterizados a alta presión. Sin embargo, es un proceso factibles en el caso de desear fabricar piezas porosas específicamente.

El sinterizado en fase líquida y la fundición parcial basan sus principios de consolidación en el hecho de que parte del material en polvo se funde mientras otra fracción del mismo permanece sólida. El material en estado líquido se esparce entre las partículas sólidas a gran velocidad debido a las fuerzas capilares.

Gracias a esto las velocidades de escaneo del láser pueden ser mucho mayores que en el caso del SSS. Este sistema permite, por ejemplo, consolidar materiales de propiedades muy distintas. Por ejemplo, polímeros usados como matriz a fundir y cerámicos como material estructural. Otro ejemplo es el de dos metales, uno de baja temperatura de fusión como el cobre, y otro estructural de mayor punto de fusión como el hierro.

El material de unión puede ser de sacrificio, es decir, removido durante un proceso posterior, o permanente, en cuyo caso hará parte de la pieza final. En esta categoría se encuentra el proceso de SLS (Sinterización láser selectiva, por su abreviatura en inglés). En otra variación del proceso, los parámetros del láser se pueden modificar para que solo la capa superficial de las partículas de polvo se funda y se use para consolidarse con partículas vecinas. En otros casos, incluso, se usan recubrimientos de menor punto de fusión sobre las partículas de polvo, para lograr un uso más efectivo de la fuente térmica, escaneando la capa de material a mayores velocidades ¹.

Cuando se requiere tener piezas con densidad completa (sin porosidad y sin necesidad de post-procesamiento para densificar), se usan los procesos de fundición completa o SLM. Gracias a los progresos relativamente recientes en cuanto a la densidad energética de los rayos láser con fuentes de estado sólido, pueden obtenerse piezas con un 99.9% de densidad. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que estos procesos deben tener un control cuidadoso debido a que los altos gradientes de temperatura producen esfuerzos residuales y distorsiones en la pieza terminada. De igual manera, la tendencia a formar gotas grandes de material fundido puede generar un mal acabado superficial.

El último tipo de conformación de material con láser es el de reacción química. Hasta hoy no ha encontrado gran aplicación práctica, pero puede ser una solución interesante a futuro, al usar por ejemplo el nitrógeno del aire, para que al reaccionar con un metal bajo el efecto del láser, por ejemplo aluminio, forme una matriz de unión de AlN que una las partículas de aluminio en una pieza terminada. La Figura 3 Muestra ejemplos de piezas fabricadas por procesos de sinterizado/fundición láser selectiva.

Problemas de procesabilidad
Aún cuando la manufactura aditiva promete ser un componente crucial en el futuro de la fabricación de piezas de alta complejidad, todavía es una tecnología en estado temprano  de desarrollo con grandes retos para poderse afianzar como aliado indiscutible en un taller metalmecánico. El primer problema que tienen los procesos de conformación de material con láser es la posible porosidad presente en la pieza terminada. Esto depende en gran medida de la temperatura alcanzada en el polvo y del tiempo que se le permita llegar a tener procesos difusivos, o si se logra fundir total o parcialmente el material. En procesos con baja densidad energética del láser y tiempos de escaneo muy cortos, es muy probable que la porosidad resultante de la pieza deba ser tratada con post-procesos como infiltración, post-sinterizado a alta presión, o procesos de deformación plástica superficial como el shot-peening o granallado. Es útil recordar, que si las propiedades mecánicas son suficientes, puede ser deseable tener zonas porosas, de menor densidad y por ende menor peso en algunas piezas como piñones, donde sólo es necesario endurecer y mejorar la calidad de la superficie de los dientes.

Una de las mayores quejas de los usuarios de este tipo de procesos de conformación de metal por láser es la baja variedad de materiales disponibles para trabajar. Cada fabricante ofrece sus propias aleaciones, que deben ser usados en combinación con los parámetros de procesamiento específicos para cada máquina. Esto tiene que ver aún, con el desconocimiento de la interacción profunda que existe entre el rayo láser y las camas de polvo de los distintos materiales. Se necesitará aún mucha más investigación en el tema para poder lograr tener libertad de operación en las máquinas de SLM/SLS.

Otro de los problemas más grandes en la manufactura aditiva de metales es la distorsión geométrica causada por la forma en que el calor se disipa en el material. A medida que el material cambia aumenta su espesor, el calor se distribuye de manera distinta y puede generar problemas en el caso de zonas delgadas donde el calor queda atrapado por fronteras de aire, generando posiblemente la fusión de varias capas de material que ya ha sido depositado y causando con esto esfuerzos residuales no uniformes a lo largo de la geometría. Uno de los mayores retos para los fabricantes y procesadores de piezas fabricadas por sinterizado y fundición láser, es el de tener en cuenta la geometría exacta de la pieza para escoger los parámetros que deben usarse con el fin de no generar deformaciones o volver a fundir geometrías que ya estaban conformadas. Las máquinas adaptan potencia y velocidad para mantener condiciones de cada capa y cambios de geometría.

Una de las soluciones aplicadas por los usuarios es la generación de estructuras de soporte en ciertos puntos de alta deformación de la pieza. Estas estructuras, deben ser calculadas para que transfieran la mayor cantidad de calor posible, fuera del área crítica y deben ser posicionadas estratégicamente para poder ser eliminadas durante el post-procesamiento.

Por supuesto debe tenerse en cuenta que el acabado superficial que deja el proceso de sinterizado/fundición láser es bastante burdo (25 – 35 µm Rz). Este depende de parámetros como la potencia del rayo, tamaño del spot del láser, velocidad de escaneo, porcentaje de solapamiento de las líneas de trayectoria, tamaño de grano, entre otros. Por lo general, debe tenerse en cuenta el dejar al menos 0.5 mm de sobredimensionamiento en partes críticas como agujeros y demás superficies funcionales, para ser acabados con procesos de corte tradicionales. Dependiendo del material en polvo que se use, fabricantes como EOS o Concept Laser, aseguran que se pueden alcanzar acabados espejo en las superficies de sus piezas después del post-procesamiento mediante rectificado y pulido.

Un aspecto crucial a tener en cuenta es la capacidad que tenga el equipo de monitorear la calidad del polvo que se está usando. Debido al principio de funcionamiento del proceso, se debe agregar una capa completa de material sobre toda la mesa de trabajo, y solo se sinteriza lo necesario. En muchos casos, la mayoría del polvo que se tiene disponible no se usa, y debe volver al reservorio para ser usado en una siguiente oportunidad. Sin embargo, la reutilización del material trae consigo la posibilidad de que éste se contamine poco a poco, a pesar de la atmósfera controlada con gases inertes y cambie las delicadas condiciones de procesamiento, creando la posibilidad de tener defectos en las piezas fabricadas.

Uno de los más grandes aspectos a tener en cuenta al momento de decidir fabricar una pieza con manufactura aditiva, es el de comparar su desempeño con procesos establecidos como el fresado de 5-ejes. La Figura 4 contiene valores comparativos entre dos procesos de sinterizado/fundición láser y un proceso de fresado de 5-ejes. Es notable como aún los valores de adición de material se encuentran cerca de dos órdenes de magnitud por debajo de los de sustracción de material en 5-ejes. Aún más, los valores de rugosidad superficial se encuentran todavía al menos un órden de magnitud por encima, y desde el punto de vista de la precisión alcanzable, hay cerca de 1.5 órdenes de magnitud de diferencia.

Todo esto hace pensar que aún no es el momento de deshacerse de las máquinas tradicionales para comenzar a fabricar únicamente mediante métodos de manufactura aditiva. Esta es definitivamente una tecnología excepcional para la fabricación de piezas que de otra forma serían imposibles de realizar o para realizar ciertas piezas únicas en materiales difíciles de mecanizar, pero por costos, eventual necesidad de post-procesamiento, precisión alcanzable y posibles problemas de repetitividad, aún debe continuar su proceso de desarrollo en el que aún hay mucho por hacer. Esta es una oportunidad muy grande para Latinoamérica, donde aún sus centros de investigación, e industrias con vocación de innovación pueden trabajar para generar conocimiento que aún es necesario a nivel mundial para lograr llevar esta prometedora tecnología al lugar en la historia que se merece.

MM2003MANUFACTURAADITIVA