Materiales según receta: kit de polvos para mayor flexibilidad y diversidad de materiales en la impresión 3D

25 de julio de 2022

por Martina Ohle, Sociedad Fraunhofer

La fusión por haz láser a base de polvo (LPPF) es probablemente el proceso de FA más conocido y tiene un gran potencial para aplicaciones industriales. Pero, ¿cómo se puede evitar la gama limitada de materiales para este proceso y ampliar aún más el potencial del mercado? Esta cuestión fue abordada por el IWM de la Universidad RWTH de Aquisgrán y el Fraunhofer IFAM en el marco del proyecto "LPBF Powder Kit", financiado por el AiF. El resultado fue el desarrollo de una solución sostenible para el procesamiento individual y robusto de mezclas de polvos metálicos, de modo que el usuario pueda cubrir las propiedades deseadas del material con una pequeña selección de polvos metálicos y ajustar las aleaciones de forma flexible.

La impresión 3D permite la máxima libertad de diseño en la construcción y producción de componentes. Estas ventajas han permitido que las tecnologías de impresión 3D se consoliden en campos técnicos como el automovilístico y el aeroespacial. Sin embargo, los diferentes campos de aplicación requieren no sólo la mejor geometría diseñada posible, sino también propiedades optimizadas del material. Esto requiere un material adecuadamente adaptado. Sin embargo, la investigación sobre materiales para la fabricación aditiva está todavía en sus inicios. Hasta ahora, los materiales que han sido calificados por los fabricantes de equipos para sus procesos se han procesado en gran medida para establecer los diversos procesos de fabricación aditiva en la industria. Esta gama de materiales es bastante pequeña y no se puede comparar en términos de diversidad con los materiales convencionales, que se producen principalmente mediante metalurgia de fusión. En los procesos de fabricación sustractivos convencionales, existen cientos de aceros diferentes, aleaciones de aluminio, aleaciones de cobalto-cromo resistentes al desgaste y más para cada aplicación específica. En la impresión 3D, la elección entre todos los materiales metálicos está limitada a menos de 30 materiales, por lo que no se pueden cubrir todos los requisitos.

La gama de materiales se puede ampliar específicamente con el "kit de polvos LPBF", que se compone, por ejemplo, de polvos a base de hierro con y sin carbono, cromo, níquel, molibdeno y carburo de titanio. Las propiedades de los materiales más frecuentemente requeridas incluyen, por ejemplo, resistencia a la corrosión, solidez, dureza y conductividad térmica. Muchas aleaciones de acero constan de los mismos elementos, como carbono, cromo y níquel, pero difieren en sus respectivas proporciones. El proceso desarrollado incluye la selección de la composición de la aleación en función del perfil de requisitos específico del material, la determinación de la composición del polvo mediante métodos de simulación termodinámica y la preparación del polvo mediante procesos de mezcla y homogeneización adaptados. Luego se determinan los parámetros óptimos del proceso y el material se califica mediante caracterización microestructural y pruebas de las propiedades mecánicas. Una vez mezclado el polvo, se crea la aleación mediante el posterior proceso de fusión con rayo láser. La energía del láser funde las partículas de polvo metálico y crea la aleación deseada. Al final del proceso se encuentra el componente terminado con propiedades de material personalizadas.

La primera aplicación concreta del proyecto fue la producción de aceros inoxidables resistentes a la corrosión personalizados para perfiles de propiedades específicamente ajustados mediante aleación en el "kit de polvo LPBF". Durante el trabajo de desarrollo se identificaron los factores que influyen en la formación de una buena aleación resistente a la corrosión y se comprobó la calidad de la aleación en función de la aplicación. Como resultado, se demostró que los aceros para herramientas y dúplex resistentes a la corrosión aleados en el proceso LPBF son más resistentes que el polvo base respectivo y han logrado las propiedades deseadas. Otra ventaja la ofrece la posibilidad de ajustar la microestructura mediante parámetros láser adaptados. Un ejemplo de esto son los diferentes tamaños de carburos en la estructura de los aceros para herramientas. Dependiendo de la aplicación se requieren diferentes tamaños. Con el kit de construcción en polvo desarrollado, estos se pueden variar de manera eficiente y procesar en componentes homogéneos. Los resultados de este subproyecto pueden estar disponibles previa solicitud.

Del proyecto de investigación se beneficiarán especialmente las empresas que deben ser muy flexibles y atender a diferentes clientes con diferentes perfiles de necesidades. Entre ellos se incluyen los proveedores de servicios de producción, la mayoría de los cuales son pequeñas y medianas empresas. La producción de polvos metálicos suele tardar cuatro semanas. Si un productor quiere cubrir diferentes materiales con pequeñas cantidades, los tiempos de espera aumentan enormemente. Una vez adquiridos los materiales básicos, con el "kit de polvo LPBF" se pueden ajustar las propiedades deseadas del material y garantizar la producción en caso de posibles cuellos de botella en el suministro. Los siguientes pasos de desarrollo son el cálculo automatizado y el ajuste de la mezcla de polvo para el desarrollo de productos específicos.