El statu quo de las aleaciones metálicas en la manufactura aditiva (Primera parte)

Desafortunadamente, la elección de los polvos metálicos disponibles todaví­a no es tan amplia como para otras formas de manufactura convencional. Por lo tanto, es crucial que los ingenieros entiendan las limitaciones actuales de esta opción más estrecha en términos de las propiedades fí­sicas de las aleaciones que están disponibles.

Por ejemplo, esto habrí­a sido dicho innumerables veces en los últimos 5 años por algunos de los proveedores de servicios con instalaciones de manufactura aditiva (MA): "seguro que podemos trabajar con aluminio". Esto podrí­a llevar a creer que es posible trabajar con cualquier aleación de aluminio; sin embargo, aquellos de nosotros con un conocimiento más profundo sabemos que la realidad es mucho más restrictiva.

Incluso, de los polvos de aleación que están disponibles —muchos de los cuales afirman adherirse a estándares internacionalmente reconocidos en términos de la composición, es decir, los constituyentes quí­micos— de hecho, existen versiones patentadas de estos polvos de aleación, tal como lo define cada proveedor de sistemas manufactura aditiva con metal.

Las piezas construidas a través de procesos de manufactura aditiva de metal se han descrito tí­picamente con mejores propiedades mecánicas que las piezas moldeadas en arena, pero no suelen ser tan buenas como los materiales forjados.

Por último, y quizás lo más importante para los ingenieros de diseño, es que todaví­a hay documentación insuficiente que cubra el rendimiento de estas aleaciones después de ser producidas a través de manufactura aditiva. La mayorí­a de los primeros en adoptar la tecnologí­a han tenido que arreglárselas con valores vagos de pruebas de tensión estática de muestras que tampoco han sido sometidas a ningún tratamiento térmico u otro ciclo patentado de alivio de esfuerzos. Incluso cuando los datos de fatiga han sido publicados para las aleaciones más comúnmente usadas en la actualidad, estos datos se han obtenido principalmente de pruebas de fatiga por flexión rotativa, el método preferido para lograr resultados cualitativos rápidos.

Además, las partes producidas a través de manufactura aditiva tienen más probabilidades de tener propiedades que son anisotrópicas en al menos las direcciones paralelas y perpendiculares al plano de construcción. Esto no significa necesariamente algo malo, o que las partes no pueden ser utilizadas, sino simplemente que estas propiedades deben ser completamente entendidas. De la misma manera en que se entienden los efectos del laminado en caliente o en frí­o sobre aleaciones forjadas, o los efectos de diferentes tamaños de grano en la fundición en arena o fundición a presión. Por estas razones, la selección de un ciclo apropiado de tratamiento térmico posterior a la construcción también es fundamental para lograr cualquier propiedad final deseada.

No hace falta decir que, ya que la manufactura aditiva ha sido adoptada por varias industrias, y el estigma asociado con el hecho de ser solo para “prototipado rápido” se ha eliminado, ahora hay una gran cantidad de investigaciones en curso para determinar las propiedades fí­sicas que se pueden lograr para cada aleación. A medida que cada trabajo se publica —ya sea por la academia, los usuarios de la industria, o los mismos proveedores de sistemas y/o polvos— aumenta el nivel de confianza en cualquier aleación en particular. Estamos comenzando a ver piezas que se fabrican en aplicaciones totalmente calificadas, siendo la más comentada la manufactura de las boquillas del inyector de combustible producidas por GE para el motor LEAP.

En este artí­culo no hay ninguna intención de comparar esta información y presentarla como referencia, ya que el panorama todaví­a está cambiando y, por lo general, una búsqueda rápida en Internet proporcionará información actualizada. Cuando se dan valores de resistencia a la tracción, esto no pretende ser más que una indicación para permitir cierto nivel de comparación, por lo tanto, trátelo como una mera introducción.

Procesos de fusión de lecho en polvo por láser (LPBF por sus siglas en inglés)

Hay muchos términos registrados que se utilizan para describir esencialmente el mismo proceso cuando estamos considerando un lecho o un polvo de aleación que se funde selectivamente con una fuente de calor intenso; los sistemas de láser de fibra óptica se encuentran entre los sistemas más comúnmente disponibles, como los producidos por Renishaw, por ejemplo. En este proceso, el láser se traza o se escanea selectivamente sobre un área 2D de polvo de aleación de metal para fundir y fusionar este polvo con el sólido que se encuentra por debajo. Las lí­neas de escaneo solo funden las áreas que corresponden a un corte en 2D a través de un modelo de diseño asistido por computadora (CAD) en 3D. Por lo tanto, el término fusión selectiva con láser se usa a menudo para referirse a este método. Dado que una nueva capa de polvo se deposita sobre la capa anterior, y el láser continúa fundiendo cada capa de la misma manera hasta que el objeto 3D se completa, esto ha llevado al término de Manufactura Aditiva. Tenga en cuenta que muchos se refieren a esta tecnologí­a como impresión en 3D, pero estrictamente hablando, este no es un nombre verdaderamente preciso para los procesos de fusión con lecho de polvo por láser.

Propiedades de las aleaciones

Las piezas construidas a través de procesos de manufactura aditiva de metal se han descrito tí­picamente con mejores propiedades mecánicas que las piezas moldeadas en arena, pero no suelen ser tan buenas como los materiales forjados. Las razones para esto son muchas y también bastante complejas; sin embargo, en el sentido más rudimentario, probablemente sea más fácil pensar que las piezas de metal fabricadas por MA se fabricarán a partir de una gran cantidad de soldaduras superpuestas. En la mayorí­a de los casos, los ingenieros pueden entender que el metal de soldadura tiene microestructura y propiedades mecánicas diferentes a las del metal base y que existen otras diferencias en las zonas afectadas por el calor (HAZ, por sus siglas en inglés).

Bueno, en la manufactura aditiva de metal hay miles y miles de regiones de micro-soldadura, y aún más zonas afectadas por el calor. Por lo tanto, las propiedades serán diferentes, y desafortunadamente esto significa que aquellos que dicen que las propiedades son similares a las forjadas están simplemente equivocados. Tenga en cuenta que lograr una resistencia a la tracción similar nunca debe tomarse como evidencia de que una aleación producida a través de manufactura aditiva tiene las mismas propiedades que la forjada. Esta afirmación no siempre es tan obvia como parece.

A medida que el láser funde rápidamente el polvo, que luego se solidifica a una a muy alta velocidad, el tamaño de grano metalográfico resultante puede variar significativamente y depende de muchos parámetros de proceso. El tamaño de grano y la microestructura terminarán determinando el desempeño mecánico del objeto construido final. Por lo tanto, los proveedores de sistemas como Renishaw dedican una gran cantidad de tiempo a intentar optimizar los parámetros del proceso láser para lograr propiedades repetibles en las que se pueda confiar; sin embargo, incluso después de que se hayan construido las piezas, existen diversos métodos de posprocesamiento, como el tratamiento térmico (incluido el prensado isostático en caliente), que pueden afectar las propiedades mecánicas de la aleación.

Lea en la SEGUNDA PARTE de este artí­culo cuáles son las propiedades de los polvos de aleación procesados comúnmente.