Qué es el metal en polvo para la fabricación aditiva？

En la revolución manufacturera actual, la Polvos metálicos para fabricación aditiva se ha convertido en una fuerza clave que impulsa el progreso tecnológico. Desde la industria aeroespacial a los dispositivos médicos, pasando por los componentes industriales de alto rendimiento, los polvos metálicos no son sólo materiales, sino también una fuente de innovación. En comparación con los métodos de procesamiento tradicionales, el polvo metálico combinado con la tecnología de fabricación aditiva nos aporta una libertad de diseño, una utilización del material y una capacidad de control del rendimiento sin precedentes. Este artículo le dará una idea de lo que son los polvos metálicos, cómo se fabrican y el papel central que desempeñan en la fabricación aditiva, desde el principio hasta la aplicación, desde el material hasta el futuro.

¿Qué es el polvo metálico?

A menudo decimos "polvo metálico", o el término más especializado "polvo metálico", de hecho, se refiere a aquellos materiales compuestos por partículas metálicas extremadamente pequeñas. Estas partículas pueden tener un tamaño de hasta una micra y son casi indistinguibles a simple vista. Imagínese moler un trozo de metal duro hasta convertirlo en un polvo más fino que la arena, que es probablemente lo que significa. Es la piedra angular del proceso de pulvimetalurgia y una materia prima clave para la fabricación aditiva de la que hablamos hoy.

En comparación con la fundición tradicional, la forja estos procesos familiares, la pulvimetalurgia tiene sus ventajas únicas. Por ejemplo, puede producir piezas con formas extremadamente complejas y requisitos de alta precisión, y la tasa de utilización del material es muy alta, lo que reduce enormemente los residuos. Se trata, sin duda, de una enorme mejora en el control de costes y el desarrollo sostenible.

Composición y clasificación de los polvos metálicos

Hay muchos tipos de polvos metálicos, simplemente podemos dividirlos en varias categorías:

• Polvo de metal puroEste tipo de polvo se compone principalmente de un único metal puro, como el polvo de hierro, el polvo de cobre o el polvo de aluminio. Cada uno de ellos conserva las características inherentes de los metales puros y son adecuados para aplicaciones que tienen requisitos específicos de propiedades de un solo metal.
• Aleación en polvo: El polvo de aleación se fabrica mezclando o fundiendo dos o más elementos metálicos en una proporción específica. Seleccionando hábilmente los distintos elementos metálicos y sus proporciones, podemos preparar polvos de aleación con diversas propiedades excelentes, como alta resistencia, resistencia a la corrosión, resistencia a altas temperaturas, etcétera. Puede decirse que el polvo de aleación nos ha abierto la puerta a la personalización de las propiedades de los materiales.
  • Polvos prealeados frente a polvos mezclados: Entre los polvos aleados, también distinguimos entre polvos prealeados y polvos mezclados. El polvo prealeado se prepara fusionando varios elementos para formar una aleación y luego hacer polvo; mientras que el polvo mezclado se hace mezclando diferentes polvos de metales puros en proporción. En aplicaciones prácticas, las propiedades de los polvos prealeados suelen ser más estables y uniformes.

Por qué es tan importante el polvo metálico

Algunas personas pueden preguntarse, ¿por qué es metal en polvo? Vamos a empezar desde su punto de vista único. La razón clave por la que el metal en polvo desempeña un papel indispensable en la fabricación aditiva son sus propiedades físicas y químicas únicas:

1. Elevada superficie específica: Cuanto más pequeña es la partícula, mayor es la superficie total. Esto facilita que el polvo metálico se difunda y se combine durante el proceso de sinterización para formar una pieza densa.
2. Libertad de formas: Esta es una ventaja fundamental de la fabricación aditiva. Controlando con precisión la acumulación y fusión del polvo, podemos "imprimir" cualquier estructura compleja que se nos ocurra, lo que está fuera del alcance de los procesos de fabricación tradicionales.
3. Diversidad de materiales: Tanto si se trata de un metal puro como de una variedad de aleaciones de alto rendimiento, puede aplicarse a la fabricación aditiva en forma de polvo, lo que amplía enormemente la gama de materiales entre los que elegir.
4. Controlabilidad del rendimiento: Ajustando el tamaño de las partículas, la morfología, la composición del polvo y los parámetros posteriores del proceso, podemos controlar con precisión la microestructura y las propiedades macroscópicas de la pieza final.

En mi opinión, el polvo metálico no es sólo una materia prima, sino también un puente que conecta el diseño y la aplicación, y las alas de la tecnología de fabricación aditiva para despegar. Sin estas finas partículas de metal, lo que vemos hoy en día...

Producción de polvo metálico de alta calidad

El principal método de preparación del polvo metálico

Fabricar polvos metálicos de alta calidad, especialmente los adecuados para la fabricación aditiva, no es tarea sencilla. Existen varios métodos convencionales en el mercado, cada uno con sus propios principios y escenarios aplicables.

• Atomización: No cabe duda de que la atomización es el método óptimo para la fabricación aditiva de polvos metálicos. Su idea central es sencilla: convertir el metal fundido en minúsculas gotitas y dejar que se solidifiquen hasta convertirse en polvo durante el proceso de enfriamiento.
  • Atomización de gas: En mi opinión, es el método más maduro y utilizado actualmente. El principio es que se utiliza gas inerte a alta presión (como argón o nitrógeno) para impactar el flujo de metal fundido a gran velocidad y dispersar el metal en gotitas muy pequeñas. Estas gotitas se enfrían rápidamente y se solidifican en el gas, formando finalmente un polvo con una esfericidad muy buena. Las ventajas del polvo atomizado en gas son obvias: la esfericidad es buena, lo que significa que el polvo tiene una excelente fluidez, y se puede formar una capa de polvo uniforme y densa cuando se esparce el polvo; la pureza es alta, y la atmósfera inerte evita eficazmente la introducción de impurezas como la oxidación. En mis muchos años de experiencia, tanto si se trata de SLM (Selective Laser Melting) como de EBM (Electron Beam Melting), el polvo atomizado con gas es la primera opción. Su estabilidad y controlabilidad son la clave para garantizar la calidad de impresión.
  • Atomización del agua: A diferencia de la atomización con gas, la atomización con agua utiliza un chorro de agua a alta presión para romper el metal fundido. Este método suele producir polvos de forma irregular. Aunque no es tan fluido como un polvo esférico, su producción es relativamente barata y sigue siendo útil en determinadas aplicaciones, como la inyección de aglutinante (Binder Jetting), que requieren una superficie específica elevada o una forma específica. Sin embargo, para nuestro proceso principal de SLM/EBM, el polvo atomizado con agua no es suficiente.
• Método de electrólisis: Este método deposita metales principalmente por electrólisis de soluciones que contienen sales metálicas. Puede producir polvo de gran pureza, pero normalmente la forma del polvo es irregular y el tamaño de las partículas es grueso. En mi opinión, aunque la electrólisis tiene su lugar en el campo de la pulvimetalurgia tradicional, su aplicación en la fabricación aditiva es relativamente limitada, y es más como complemento para la preparación de algunos polvos de aleaciones especiales.
• Método de reducción: El método de reducción consiste principalmente en reducir el óxido metálico a polvo metálico con un agente reductor (como hidrógeno, carbono) a alta temperatura. El polvo producido por este método suele ser esponjoso o irregular, con una elevada porosidad y una distribución granulométrica relativamente amplia. En la fabricación aditiva, el polvo reducido no es la corriente principal, porque es difícil cumplir nuestros estrictos requisitos de morfología y fluidez del polvo.

Efecto de las propiedades del polvo en la fabricación aditiva

La calidad del polvo determina el límite superior de la pieza impresa.

• Morfología de las partículas: La polvo esférico tiene una excelente fluidez, lo que puede garantizar la formación de una capa de polvo uniforme y densa durante el proceso de esparcimiento del polvo, reduciendo los huecos y los defectos. Esto está directamente relacionado con la densidad y las propiedades mecánicas de las piezas impresas. Un polvo irregular reducirá en gran medida la fluidez, lo que provocará un esparcimiento desigual del polvo, e incluso puede bloquear el sistema de alimentación de polvo, algo que intentamos evitar. La densidad aparente del polvo también está estrechamente relacionada con la morfología. Una mayor densidad aparente significa que puede caber más metal en el mismo volumen, lo que tiene un efecto positivo en la mejora de la eficacia de la impresión y la densidad de las piezas.
• Distribución granulométrica: La distribución del tamaño de las partículas afecta al grosor de la capa durante la impresión y al acabado de la superficie de la pieza final. Un polvo demasiado grueso puede limitar el grosor mínimo de capa que podemos imprimir y afectar a la expresividad de los detalles. El polvo demasiado fino, aunque favorece el acabado superficial, pero el polvo demasiado fino en el láser o el haz de electrones bajo la acción de salpicar fácilmente, afectar a la estabilidad de conformado. Por lo tanto, un tamaño de partícula optimizado y estrecho es nuestro estado ideal, que puede tener en cuenta la uniformidad del esparcimiento del polvo, la estabilidad de la impresión y la calidad de la superficie de la pieza.
• Composición química y purezaNunca se insistirá lo suficiente en ello. La composición química del polvo determina directamente las propiedades del material de la pieza final, como la resistencia, la dureza, la resistencia a la corrosión, etcétera. Cualquier pequeña desviación en la composición puede dar lugar a un rendimiento deficiente de la pieza. Alta pureza es el índice duro de la fabricación aditiva, los elementos de impureza, especialmente las inclusiones no metálicas, se convertirán en el punto de concentración de tensiones dentro de la pieza, causando grietas, afectando seriamente a la vida a fatiga. Este es el eslabón que más a menudo encuentro en el proyecto y que hay que controlar estrictamente.
• Control del contenido de oxígenoen particular para mencionar el contenido de oxígeno. En mi opinión, control del contenido de oxígeno es una de las características más críticas de los polvos metálicos de fabricación aditiva. El polvo metálico puede oxidarse en contacto con el aire durante la producción, el transporte, el almacenamiento e incluso la impresión. Un contenido excesivo de oxígeno no sólo reducirá la fluidez del polvo, sino que también formará inclusiones de óxido durante el proceso de impresión, lo que debilitará seriamente las propiedades mecánicas de las piezas, especialmente la plasticidad y la tenacidad. Para algunos metales activos, como las aleaciones de titanio, es necesario controlar el contenido de oxígeno a un nivel muy bajo. Por lo tanto, el control y la protección del contenido de oxígeno desde la producción hasta el uso es la clave del éxito de la fabricación aditiva.

El papel de los polvos metálicos específicos en la fabricación aditiva

En el mundo de la fabricación aditiva, el polvo metálico es sin duda el principal "material de construcción". Solemos decir "polvo de acero" o "polvo de acero", de hecho, abarca muchos tipos diferentes, cada uno tiene sus propias propiedades y aplicaciones únicas.

Hablemos de polvo de acero inoxidable primero. En mi opinión, es uno de los polvos más utilizados. Por ejemplo, Polvo de acero inoxidable 316L tiene muy buena resistencia a la corrosión, gran precisión de las piezas impresas y buen acabado superficial. Por ello, en el campo aeroespacial, algunas piezas estructurales que requieren resistencia a la corrosión, y en dispositivos médicos, como instrumentos quirúrgicos o algunos implantes, el 316L ha dado buenos resultados. Otro de los más utilizados es Polvo de acero inoxidable 17-4PH, que puede alcanzar una gran resistencia y dureza tras el tratamiento térmico, manteniendo al mismo tiempo un cierto grado de resistencia a la corrosión, por lo que a menudo lo utilizamos en algunos componentes de alto rendimiento.

A continuación polvo de acero para herramientas. Cuando usted necesita para hacer un molde o algunas piezas de desgaste, polvo de acero para herramientas es particularmente importante. Este tipo de piezas impresas en polvo, su alta dureza y excelente resistencia al desgaste es el proceso de fabricación tradicional es difícil de igualar. Imagínese lo difícil que era en el pasado para formar un molde de inyección con una estructura compleja a través de la fabricación aditiva. Además polvo de acero rápido. Aunque su uso no está tan extendido como el del acero inoxidable, sigue ocupando un lugar en la fabricación de herramientas de corte. Permite que la herramienta mantenga la dureza y el filo durante el corte a alta velocidad y mejora la eficacia del procesamiento.

Además de éstos, por supuesto, hay otros polvos metálicos clave, que desempeñan un papel insustituible en sus respectivos campos:

• Polvo de aleación de titanio: Si hay algún material que pueda combinar a la perfección biocompatibilidad, alta resistencia y ligereza, debe ser la aleación de titanio. En los implantes médicos, como los ortopédicos o los dentales, el polvo de aleación de titanio es la primera opción. Al mismo tiempo, en el campo aeroespacial, sus características de ligereza son esenciales para reducir el peso de los aviones y mejorar su rendimiento.
• Polvo de superaleación a base de níquel: Es el material diseñado específicamente para entornos de temperaturas extremadamente altas. En los componentes de turbinas de gas, como los álabes de turbina y los componentes de la cámara de combustión, las piezas impresas en polvo de superaleación a base de níquel pueden soportar temperaturas y tensiones extremadamente altas, manteniendo al mismo tiempo una excelente resistencia a la corrosión. Esto es de gran importancia para mejorar la eficiencia y la vida útil de los motores.
• Polvo de aleación de aluminioLigereza: la ligereza es la eterna búsqueda de la industria moderna, y el polvo de aleación de aluminio es sin duda un impulso importante en este camino. En las industrias automovilística y aeroespacial, el polvo de aleación de aluminio proporciona una gran libertad de diseño para piezas estructurales con elevados requisitos de ligereza.

De cara al futuro, la dirección de desarrollo del polvo metálico para la fabricación aditiva es cada vez más diversa. Hemos visto la aplicación de polvos compuestosque combinan las ventajas de dos o más materiales para crear materiales con un rendimiento superior. Además, los polvo de material de gradiente funcional también tiene el potencial de fabricar distintas zonas de la pieza con diferentes propiedades de los materiales, a fin de lograr funciones más complejas y optimizadas.

Ventajas de la pulvimetalurgia en la era de la fabricación aditiva

El auge de la fabricación aditiva ha aportado sin duda una nueva vitalidad a la tecnología tradicional de la pulvimetalurgia. Cuando hablamos de fabricación aditiva, en realidad, muchas veces estamos hablando del amplio alcance de la pulvimetalurgia. La combinación de ambas, las ventajas son subversivas:

Precisión y complejidad:

Esta es una de las características más llamativas de la fabricación aditiva, cuyo motor principal es el polvo metálico. Los procesos de fabricación tradicionales, como la fundición, la forja o el mecanizado, suelen ser inadecuados o incluso imposibles para fabricar piezas con estructuras internas complejas, geometrías biónicas o microcanales. Pero con la fabricación aditiva podemos imprimir con precisión cada píxel de un modelo 3D.

Imagine piezas estructurales que requieren ligereza y altas prestaciones en el campo aeroespacial, o implantes que necesitan un ajuste perfecto con el cuerpo humano en el campo médico. Su libertad de diseño se amplía infinitamente con la combinación de pulvimetalurgia y fabricación aditiva. Recuerdo que una vez imprimimos con éxito un álabe de turbina con complejos canales de refrigeración en su interior, lo que era casi imposible en el pasado.

Alto aprovechamiento del material:

La fabricación sustractiva tradicional genera una gran cantidad de virutas y desechos, especialmente cuando se procesan materiales caros o difíciles de procesar, y los costes de material pueden aumentar considerablemente. La fabricación aditiva, en cambio, consiste en añadir material, y su principio básico es fundir o sinterizar polvo a demanda, con lo que se reduce considerablemente el desperdicio de material.

Por lo general, el polvo metálico no utilizado puede reciclarse, lo que no sólo reduce los costes de producción, sino que también responde a la actual búsqueda mundial de desarrollo sostenible. La ventaja de un elevado aprovechamiento del material es aún más pronunciada en el caso de materiales intrínsecamente caros, como las superaleaciones a base de níquel o las aleaciones de titanio.

Optimización del rendimiento:

 Controlando con precisión la composición del polvo metálico, la distribución del tamaño de las partículas y los parámetros del proceso durante la fabricación aditiva (como la potencia del láser, la velocidad de barrido o el grosor de la capa), podemos obtener propiedades únicas difíciles de conseguir con los métodos convencionales. Por ejemplo, la estructura del grano de una pieza fabricada mediante aditivos puede controlarse con precisión y, a veces, incluso puede formarse una estructura única en estado de no equilibrio, lo que confiere al material mayor resistencia, tenacidad o resistencia a la corrosión.

 Un ejemplo común es la isotropía. Las piezas forjadas o laminadas convencionales tienden a presentar una marcada anisotropía, es decir, diferentes propiedades mecánicas en distintas direcciones. Mientras que la fabricación aditiva, mediante el apilamiento capa a capa, puede reducir eficazmente o incluso eliminar esta anisotropía si el proceso se controla adecuadamente, de modo que las piezas presenten un rendimiento uniforme y excelente en todas las direcciones. Esta uniformidad es esencial para los componentes críticos que trabajan en entornos de tensiones complejas.

Rentabilidad:

En lo que respecta al coste, a menudo existe la idea errónea de que la fabricación aditiva tiene que ser cara. De hecho, el coste por pieza puede ser superior al de las piezas tradicionales producidas en serie. Sin embargo, la pulvimetalurgia combinada con la fabricación aditiva ha demostrado una rentabilidad inigualable en situaciones en las que se necesitan lotes pequeños, personalización o la producción de piezas muy complejas.

En primer lugar, elimina la necesidad de la fabricación tradicional de un gran número de moldes, la inversión en accesorios, acorta el ciclo de desarrollo del producto. En segundo lugar, debido a su alto grado de libertad de diseño, se pueden integrar múltiples funciones en una pieza, reduciendo los eslabones de montaje y reduciendo aún más el coste total. La fabricación aditiva es sin duda la mejor opción para piezas con ciclos de vida cortos, sustitución rápida o prototipos que requieren una rápida optimización iterativa.

Desarrollo de nuevos materiales:

La pulvimetalurgia proporciona una plataforma amplia y eficaz para el desarrollo de nuevos materiales de aleación. Podemos preparar polvos de aleación con una composición y microestructura especiales mezclando polvos de distintas composiciones, o mediante atomización con gas, y después utilizar la tecnología de fabricación aditiva para verificar rápidamente su rendimiento.

Esta capacidad de ensayo y error rápido ha acelerado enormemente el progreso de la ciencia de los materiales. Por ejemplo, algunas aleaciones de alta entropía que son difíciles de conseguir con la fundición tradicional, o materiales funcionales que requieren una distribución de composición gradiente, pueden conseguirse fácilmente mediante la tecnología de fabricación aditiva. No se trata sólo de fabricar los materiales existentes, sino de crear los materiales del futuro.

Conclusión:

En general, polvos metálicos para fabricación aditiva no es sólo el material de fabricación, sino también la fuerza motriz de la innovación industrial moderna. Hace realidad el diseño estructural complejo, la ligereza, el alto rendimiento y la fabricación personalizada. Del acero inoxidable a las aleaciones de titanio, de la industria aeroespacial a los implantes médicos, los polvos metálicos están cambiando la lógica del diseño y la producción de productos de formas nunca vistas. Con los continuos avances en la tecnología de pulverización, el control de la pureza del polvo y los procesos de fabricación aditiva, el potencial de los polvos metálicos sigue desatándose. En el futuro, seguirá liderando la industria manufacturera para desarrollarse en una dirección más eficiente, más inteligente y más sostenible, proporcionando una sólida "base material" para la era de la industria 4.0 ".