La fusión de lecho de polvo es un proceso de fabricación aditiva que utiliza una materia prima en polvo. Usando la aplicación selectiva de una fuente de energía, el material en polvo se fusiona en patrones predeterminados capa por capa. Hay varias tecnologías diferentes en esta rama de la fabricación aditiva. La fusión de lecho de polvo se utiliza mejor para la creación rápida de prototipos y diseños de alta precisión.
La fusión de lecho de polvo es un método de alto nivel para la fabricación aditiva o la impresión 3D. Es bastante distinto ya que es adecuado principalmente para aplicaciones industriales o comerciales. ¿Qué es exactamente la fusión de lecho de polvo y qué beneficios tiene sobre otros métodos de impresión 3D?
Los fundamentos de la fusión de lecho de polvo
La fusión de lecho de polvo (PBF) es solo uno de los muchos métodos de fabricación aditiva o impresión 3D. Esto significa que es un método para construir un objeto capa por capa a partir de un modelo 3D. PBF tiene todas las ventajas habituales de todos los métodos de fabricación aditiva o impresión 3D: menos desperdicio, más libertad de diseño y la capacidad de recrear diseños geométricamente complejos.
Como su nombre lo indica, el método PBF se basa en la fusión de partículas en polvo de materia prima. Los materiales utilizados para PBF son típicamente metales, cerámicas o polímeros. También existe cierta variación en el tipo de fuente de calor utilizada para lograr la fusión según los objetivos del proyecto. Algunas tecnologías son propietarias, lo que limita qué empresas pueden usarlas.
Para lograr la fusión, una fuente proporciona suficiente energía para que las partículas en polvo se fusionen. Esto requiere el uso de una fuente de energía automatizada que pueda moverse y apuntar con precisión milimétrica. También existe otra tecnología PBF que utiliza un agente aglutinante en lugar de una fuente de energía para lograr la fusión.
PFB como tecnología de impresión 3D es decididamente más complejo que los métodos que utilizan filamento o resina. Por esta razón, las impresoras 3D PBF generalmente solo se usan para grandes empresas, investigación o creación rápida de prototipos.
Cómo funciona la fusión de lecho de polvo
Aunque existen diferentes tecnologías de PBF, funcionan en muchos de los mismos principios. El proceso comienza con la creación de un modelo 3D que luego será cortado por un software de corte. Esto dividirá el modelo 3D en capas muy finas. La forma de estas capas guiará el movimiento de la fuente de energía de la impresora PBF.
Otro elemento central del método PBF es el lecho de polvo. Este es el depósito de material que se fusiona selectivamente para crear el diseño previsto. Una vez que se completa una capa, una tolva deposita un nuevo lote de material en polvo sobre la capa completa mientras un rodillo distribuye el polvo en una capa uniforme. Esto determina el grosor de la capa para la impresión. Los valores de 20 a 100 micras son comunes en la impresión PBF.
El proceso se repite hasta que se ha impreso el modelo 3D. Durante todo el proceso, el polvo sin fundir permanece dentro del lecho de polvo. Esto proporciona soporte mecánico a la pieza mientras ayuda a prevenir la deformación. Por este motivo, los soportes no son tan imprescindibles en la impresión PBF, aunque pueden ser necesarios en algunas circunstancias.
Después de dejar que la pieza se enfríe, el polvo sin fusionar se retira de la bandeja para revelar la pieza completa. Los eventuales soportes que anclan la pieza a la bancada suelen tener que ser eliminados mediante corte o mecanizado, en el caso de piezas metálicas. Las piezas de PBF suelen tener superficies ásperas que deben alisarse mediante tratamiento químico, granallado o pulido con láser.
Según los objetivos del proyecto, existen otros métodos de posprocesamiento disponibles para las piezas impresas con PBF. Se puede realizar un tratamiento térmico para reducir el estrés térmico en el material, mejorando así sus propiedades mecánicas generales. Para las piezas de polímero, el granallado elimina el exceso de energía y mejora la calidad de la superficie de la impresión final.
Diferentes tecnologías de fusión de lecho de polvo
Si bien hay muchos acrónimos diferentes que se refieren a diferentes tecnologías de PBF, estos se pueden reducir a tipos de fuentes de energía: rayos láser y haces de electrones. El tercer tipo, Multi Jet Fusion, logra la fusión de una manera completamente diferente.
- La sinterización selectiva por láser (SLS) es un proceso que logra la fusión mediante el uso de una fuente de energía de rayo láser. Un factor importante a tener en cuenta aquí es que los polvos se sinterizan, no se derriten. La sinterización indica la fusión a nivel de la superficie de materiales en polvo sin que se derritan. La sinterización requiere menos energía, produce piezas que tienen más secciones vacías y es adecuada para proyectos con poca tolerancia a las imprecisiones de medición.
- La fusión selectiva por láser (SLM) es casi exactamente como SLM, excepto que utiliza una fuente de energía de rayo láser para lograr la fusión completa del material. SLM es un proceso que se aplica más comúnmente a los polvos metálicos. La cámara de construcción de las impresoras SLM generalmente se llena con un gas inerte como el argón para evitar la oxidación de los metales.
- La sinterización directa de metal por láser (DMLS) es simplemente un término alternativo para SLM, pero es una marca registrada de otra empresa. DMLS logra la fusión del material en polvo, contrario al término ‘sinterización’ que se incluye en la marca registrada.
- La fusión por haz de electrones (EBM) es un proceso PBF que utiliza un haz de electrones en lugar de un haz de láser como fuente de energía. En lugar de una cámara con gas inerte, se necesita una cámara de vacío para EBM. El tratamiento térmico puede no ser necesario para EBM debido a las temperaturas elevadas, pero el acabado de la superficie y la eliminación del soporte siguen siendo cruciales.
- Multi Jet Fusion (MJF) es el tipo de fabricación de PBF menos común y más diferente. Incluso se puede argumentar que MJF no es un tipo de PBF en absoluto. MJF utiliza un agente de detallado inyectado a través de una serie de boquillas ultrafinas que se filtran en los espacios entre el material en polvo. Luego, una luz infrarroja pasa sobre la capa de polvo, cuya energía se absorbe de manera óptima debido al agente de detalle.
Ventajas y desventajas de la fusión de lecho de polvo
PBF es una de las tecnologías de fabricación aditiva o impresión 3D más sofisticadas. Puede que no sea adecuado para uso recreativo, pero se ha convertido en un pilar en las industrias automotriz, aeroespacial y médica. ¿Qué tiene PBF que lo hace atractivo para aplicaciones de alto nivel?
Menos gasto
En comparación con un método de fabricación sustractivo, un método aditivo como PBF genera invariablemente mucho menos desperdicio. Esto se debe principalmente a que no es necesario recortar material de un bloque sólido, como ocurre con el torneado o el fresado. Esto no solo reduce los costos asociados con los materiales, sino también con la eliminación de desechos.
Flexibilidad
PBF proporciona flexibilidad de fabricación de dos maneras: permite diseños geométricamente complejos y cambia rápidamente las líneas de fabricación de un diseño a otro. Esto es ideal para industrias que tienen altas demandas de diseño pero un volumen de pedidos relativamente bajo, como las industrias médica o dental.
La flexibilidad de diseño de PBF también la convierte en la tecnología perfecta para la creación rápida de prototipos. Los modelos 3D se pueden producir, demostrar y revisar rápidamente mucho más rápido que si se tuvieran que hacer nuevos moldes y vaciados en cada ciclo de Análisis del diseño. Esto acelera enormemente el proceso de desarrollo de productos.
Alta relación resistencia-peso
La sinterización es un resultado único que es posible gracias a la tecnología de PBF. Cuando los metales se sinterizan, producen construcciones coherentemente sólidas que son fuertes pero tienen una fracción de vacío sustancial. Esta es una gran técnica para diseñar piezas de metal fuertes que también son livianas. Dicho esto, las piezas fabricadas mediante fundición o moldeo seguirán siendo más resistentes que las piezas sinterizadas.
Buena resolución
En comparación con otros métodos de impresión 3D, PBF muestra una resolución superior, lo que lo convierte en el método preferido para piezas de alta precisión. Por esta razón, PBF se ha convertido en el método de referencia para abordar las necesidades de fabricación de prótesis e implantes de la industria médica. La industria del automóvil también se ha beneficiado enormemente de la precisión de los detalles de las piezas impresas con PBF.
A pesar de los beneficios, PBF tiene una tasa de adopción bastante baja. Es un método de fabricación altamente especializado que se utiliza mejor en circunstancias que aprovechan sus puntos fuertes. De lo contrario, estos inconvenientes pueden resultar más una responsabilidad:
Requisitos de alta potencia
El proceso PBF se basa en el uso de una fuente de energía de alta intensidad como un rayo láser o un rayo de electrones. Un proyecto que podría requerir varias horas de tiempo de impresión también utilizará una gran cantidad de energía. En términos de costos operativos, PBF puede ser un poco más costoso que otros métodos de fabricación aditiva.
Posprocesamiento intensivo en trabajo
El posprocesamiento es prácticamente un paso necesario en PBF. Es necesario mecanizar los soportes, eliminar el exceso de polvo y lijar la superficie. La mayoría de los pasos de posprocesamiento necesitan equipo especializado, lo que hace que el PBF sea aún más inaccesible para todas las instalaciones, excepto para las más equipadas.
Relativamente lento
En comparación con otros métodos de fabricación aditiva, el PBF es relativamente lento. El rayo láser o haz de electrones tiene que atravesar toda el área de cada capa para garantizar una fusión adecuada del polvo, a diferencia de los métodos de impresión 3D que solo requieren exposición a la luz ultravioleta. Después de todo, es posible que la creación rápida de prototipos con PBF no sea tan rápida. Afortunadamente, el flujo de trabajo único de MJF soluciona este problema.
Costoso
Ejecutar operaciones de PBF requiere más que solo el equipo de PBF: necesitará máquinas de corte, pulidoras láser, baños químicos y otro hardware industrial especializado. Esta tecnología es muy costosa y requiere muchas habilidades. La capacitación, los costos de capital y los costos operativos asociados con PBF son probablemente las razones principales de su baja tasa de adopción.
La lista de pros y contras de PBF apunta a una conclusión: es un método de fabricación aditiva altamente especializado que solo puede ser realizado de manera realista por una instalación grande y bien financiada. Esto no es necesariamente algo malo, sino que simplemente destaca su diferencia con los métodos de impresión 3D más convencionales, como FDM o SLA.
Para ir finalizando
PBF es un tipo de fabricación aditiva o impresión 3D que se basa en la fusión de material en polvo mediante una fuente de energía, generalmente un rayo láser o un rayo de electrones. Es un método de impresión 3D increíblemente preciso que lo ha convertido en el favorito de las industrias que dependen de una fabricación de alta confiabilidad.
En comparación con otras tecnologías de impresión 3D, PBF es mucho menos común. Esto puede estar asociado con los altos costos de equipos especializados y operaciones de una configuración de PBF. Este no es el tipo de tecnología de impresión 3D que veremos en los talleres de garaje en el corto plazo.
Advertencia; Las impresoras 3D nunca deben dejarse desatendidas. Pueden representar un peligro de seguridad contra incendios.