La fusión selectiva por láser ( SLM ) es uno de los muchos nombres patentados [1] para una tecnología de fabricación aditiva de metales (AM) que utiliza un lecho de polvo con una fuente de calor para crear piezas metálicas. También conocida como sinterización directa de metales por láser ( DMLS ), el término estándar de ASTM es fusión en lecho de polvo ( PBF ). PBF es una técnica rápida de creación de prototipos, impresión 3D o fabricación aditiva diseñada para utilizar un láser de alta densidad de potencia para fundir y fusionar polvos metálicos. [2] [3]
La fusión selectiva por láser es una de las muchas tecnologías patentadas de fusión de lechos de polvo, iniciada en 1995 en el Instituto Fraunhofer ILT en Aquisgrán , Alemania, con un proyecto de investigación alemán, que dio como resultado la denominada patente básica ILT SLM. [4] Ya en la fase pionera, el Dr. Dieter Schwarze y el Dr. Matthias Fockele de F&S Stereolithographietechnik GmbH con sede en Paderborn colaboraron con los investigadores del ILT Dr. Wilhelm Meiners y Dr. Konrad Wissenbach. A principios de la década de 2000, F&S firmó una asociación comercial con MCP HEK GmbH (más tarde llamada MTT Technology GmbH y luego SLM Solutions GmbH) ubicada en Lübeck , en el norte de Alemania. Hoy [ ¿ cuándo? ] El Dr. Dieter Schwarze trabaja en SLM Solutions GmbH y el Dr. Matthias Fockele fundó Realizer GmbH. [ cita necesaria ]
El comité de normas ASTM International F42 ha agrupado la fusión selectiva por láser en la categoría de "sinterización por láser", aunque se reconoce que este es un nombre inapropiado porque el proceso funde completamente el metal en una masa sólida, homogénea y completamente densa, a diferencia de la sinterización selectiva por láser (SLS), que es un verdadero proceso de sinterización . Otro nombre para la fusión selectiva por láser es sinterización directa de metales por láser (DMLS), un nombre depositado por la marca EOS, aunque engañoso en el proceso real porque la pieza se funde durante la producción, no se sinteriza, lo que significa que la pieza es completamente densa. [5] Este proceso es en todos los puntos muy similar a otros procesos de GST y, a menudo, se considera un proceso de GST. Entre las empresas que fabrican máquinas con tecnología SLM encontramos SLM Solutions, propietaria de la marca SLM, EOS, Renishaw, DMG Mori, Concept laser, TRUMPF, Sisma, 3D Systems, 3D4MEC.
Un proceso similar es la fusión por haz de electrones (EBM), que utiliza un haz de electrones como fuente de energía. [6]
La fusión selectiva por láser puede procesar una variedad de aleaciones, lo que permite que los prototipos sean hardware funcionales fabricados con el mismo material que los componentes de producción. Dado que los componentes se construyen capa por capa, es posible diseñar geometrías complejas de forma libre, características internas y pasajes internos desafiantes que no podrían producirse utilizando técnicas de fabricación convencionales como la fundición o mecanizado de otro modo. SLM produce piezas metálicas duraderas y totalmente densas que funcionan bien como prototipos funcionales o como piezas de producción de uso final. [7]
El proceso comienza cortando los datos del archivo CAD 3D en capas, generalmente de 20 a 100 micrómetros de espesor, creando una sección transversal 2D de cada capa; Este formato de archivo es el archivo .stl estándar de la industria que se utiliza en la mayoría de las tecnologías de estereolitografía o impresión 3D basadas en capas . Luego, este archivo se carga en un paquete de software de preparación de archivos que asigna parámetros, valores y soportes físicos que permiten que el archivo sea interpretado y construido por diferentes tipos de máquinas de fabricación aditiva. [ cita necesaria ]
Con la fusión selectiva por láser, se distribuyen uniformemente capas delgadas de polvo metálico atomizado mediante un mecanismo de recubrimiento sobre una placa de sustrato, generalmente metálica, que está sujeta a una plataforma de indexación que se mueve en el eje vertical (Z). Esto tiene lugar dentro de una cámara que contiene una atmósfera estrictamente controlada de gas inerte , ya sea argón o nitrógeno con niveles de oxígeno inferiores a 1000 partes por millón. Una vez distribuida cada capa, cada corte 2D de la geometría de la pieza se fusiona fundiendo selectivamente el polvo. Esto se logra con un rayo láser de alta potencia, generalmente un láser de fibra de iterbio con cientos de vatios. El rayo láser se dirige en las direcciones X e Y con dos espejos de escaneo de alta frecuencia y permanece enfocado a lo largo de la capa utilizando una disposición de lentes F-Theta. La energía del láser es lo suficientemente intensa y enfocada como para permitir la fusión (fusión) completa de las partículas para formar una estructura sólida. El proceso se repite capa tras capa hasta completar la pieza. [8]
Las máquinas SLM utilizan predominantemente un láser de fibra óptica Yb de alta potencia con potencias de láser estándar que oscilan entre 100 y 1000 W. Dentro del área de la cámara de construcción, hay una plataforma dispensadora de material y una plataforma de construcción junto con un sistema de repintado (cuchilla o rodillo). Se utiliza para esparcir uniformemente el polvo nuevo por la plataforma de construcción. Las piezas se construyen de forma aditiva capa por capa, normalmente utilizando capas de 30 a 60 micrómetros de espesor. [9]
Las máquinas de fusión selectiva por láser (SLM) pueden operar con un espacio de trabajo de hasta 1 m (39,37 pulgadas) en X, Y y Z. [10] [11] Algunos de los materiales que se utilizan en este proceso pueden incluir superaleaciones a base de Ni, cobre, aluminio, acero inoxidable, acero para herramientas, cromo cobalto, titanio y tungsteno. SLM es especialmente útil para producir piezas de tungsteno debido al alto punto de fusión y la alta temperatura de transición dúctil-frágil de este metal. [12] Para que el material pueda ser utilizado en el proceso debe existir en forma atomizada (en forma de polvo). Estos polvos son generalmente prealeaciones atomizadas con gas, siendo el proceso más económico para obtener polvos esféricos a escala industrial. Se desea la esfericidad porque garantiza una alta fluidez y densidad de empaquetamiento, lo que se traduce en una dispersión rápida y reproducible de las capas de polvo. Los polvos altamente esféricos con un bajo nivel de porosidad interna se producen mediante atomización por plasma y esferoidización del polvo . [13] Para optimizar aún más la fluidez, normalmente se emplean distribuciones estrechas de tamaño de partículas con un bajo porcentaje de partículas finas, como 15 – 45 µm o 20 – 63 µm. Las aleaciones actualmente disponibles utilizadas en el proceso incluyen acero inoxidable AISI 316L, AISI 304, C67, F53, H13, 17-4 PH y 15-5, acero martensítico , cromo cobalto , inconel 625 y 718, aleaciones a base de cobre (latón CW510, Ecobrass, Bronce), [14] aluminio [15] AlSi10Mg y titanio Ti6Al4V. [16] Las propiedades mecánicas de las muestras producidas mediante fusión selectiva por láser difieren de las fabricadas mediante fundición. [17] Las muestras de AlSiMg producidas mediante sinterización directa por láser de metal exhiben un límite elástico mayor que las construidas con aleación comercial A360.0 en un 43% cuando se construyen a lo largo del plano xy y un 36% a lo largo del plano z. [17] Si bien se ha demostrado que el límite elástico de AlSiMg aumenta tanto en el plano xy como en el plano z, el alargamiento de rotura disminuye a lo largo de la dirección de construcción. [17] Esta mejora de las propiedades mecánicas de las muestras de sinterización directa por láser de metal se ha atribuido a una microestructura muy fina. [17]
Además, la presión de la industria ha agregado más polvos de superaleación al procesamiento disponible, incluido el AM108. No es solo la operación de impresión y la orientación lo que proporciona un cambio en las propiedades del material, sino que también es el posprocesamiento requerido mediante el tratamiento térmico de presión isostática caliente (HIP) y el granallado los que cambian las propiedades mecánicas a un nivel de diferencia notable en comparación con el equiaxial. materiales fundidos o forjados. Según una investigación realizada en la Universidad Metropolitana de Tokio, se demuestra que la ruptura por fluencia y la ductilidad suelen ser menores para las superaleaciones a base de Ni impresas aditivamente en comparación con el material forjado o fundido. [18] La direccionalidad de la impresión es un factor de gran influencia junto con el tamaño del grano. Además, las propiedades de desgaste suelen ser mejores, como se ve en los estudios realizados con el aditivo Inconel 718 debido a la condición de la superficie; El estudio también demostró la influencia de la potencia del láser sobre la densidad y la microestructura. [19] La densidad del material que se genera durante los parámetros de procesamiento láser puede influir aún más en el comportamiento de las grietas, de modo que la reapertura de las grietas después del proceso HIP se reduce cuando se aumenta la densidad. [ cita necesaria ] Es fundamental tener una descripción general completa del material junto con su procesamiento desde la impresión hasta la posimpresión requerida para poder finalizar las propiedades mecánicas para el uso del diseño.
SLM es un proceso de rápido desarrollo que se está implementando tanto en la investigación como en la industria. Este avance es muy importante tanto para la ciencia de los materiales como para la industria porque no solo puede crear propiedades personalizadas, sino que también puede reducir el uso de materiales y brindar más grados de libertad con diseños que las técnicas de fabricación no pueden lograr. La fusión selectiva por láser es muy útil como ingeniero de procesos y materiales a tiempo completo. Solicitudes como requerir una entrega rápida del material de fabricación o tener aplicaciones específicas que necesitan geometrías complejas son problemas comunes que ocurren en la industria. Tener SLM realmente mejoraría el proceso no solo de crear y vender piezas, sino también de garantizar que las propiedades se alineen con lo que se necesita en el campo. Los desafíos actuales que ocurren con SLM son tener un límite en los materiales procesables, tener configuraciones de proceso no desarrolladas y defectos metalúrgicos como agrietamiento y porosidad. [20] Los desafíos futuros son la imposibilidad de crear piezas completamente densas debido al procesamiento de aleaciones de aluminio. [20] Los polvos de aluminio son livianos, tienen alta reflectividad, alta conductividad térmica y baja absortividad del láser en el rango de longitudes de onda de los láseres de fibra que se utilizan en SLM. [20]
Estos desafíos se pueden mejorar investigando más sobre cómo interactúan los materiales cuando se fusionan.
A pesar de los grandes éxitos que SLM ha proporcionado a la fabricación aditiva , el proceso de fundir un medio en polvo con un láser concentrado produce varios defectos microestructurales a través de numerosos mecanismos que pueden afectar perjudicialmente la funcionalidad y resistencia general de la pieza fabricada. Aunque se han investigado muchos defectos, revisaremos algunos de los principales defectos que pueden surgir de SLM en esta sección.
Dos de los defectos mecánicos más comunes incluyen la falta de fusión (LOF) o el agrietamiento dentro de las regiones solidificadas. LOF implica el atrapamiento de gas dentro de la estructura en lugar de un sólido cohesivo. Estos defectos pueden surgir por no utilizar una fuente láser con la potencia adecuada o por escanear la superficie del polvo demasiado rápido, derritiendo así el metal de manera insuficiente e impidiendo un entorno de unión fuerte para la solidificación. El agrietamiento es otro defecto mecánico en el que la baja conductividad térmica y los altos coeficientes de expansión térmica generan cantidades suficientemente altas de tensiones internas para romper los enlaces dentro del material, especialmente a lo largo de los límites de los granos donde hay dislocaciones. [22]
Además, aunque SLM solidifica una estructura a partir de metal fundido , la dinámica del fluido térmico del sistema a menudo produce composiciones no homogéneas o porosidad no deseada que pueden afectar acumulativamente la resistencia general y la vida a la fatiga de una estructura impresa. Por ejemplo, el rayo láser dirigido puede inducir corrientes de convección tras el impacto directo en una zona estrecha de "ojo de cerradura" o en todo el metal semifundido que puede afectar la composición general del material. [23] De manera similar, se encuentra que durante la solidificación, las microestructuras dendríticas progresan a lo largo de gradientes de temperatura a diferentes velocidades, produciendo así diferentes perfiles de segregación dentro del material. [24] En última instancia, estos fenómenos dinámicos de fluidos térmicos generan inconsistencias no deseadas dentro del material impreso, y seguirá siendo necesaria más investigación para mitigar estos efectos.
La formación de poros es un defecto muy importante cuando las muestras se imprimen utilizando SLM. Se revela que los poros se forman durante los cambios en la velocidad del escaneo láser debido a la rápida formación y luego colapso de profundas depresiones en forma de ojo de cerradura en la superficie que atrapan el gas protector inerte en el metal solidificado. [25] Otra posible razón para la formación de poros es el llamado efecto bola que se obtenía frecuentemente en el caso de los aceros inoxidables austeníticos. [26] La escasa humectabilidad de la superficie y los bajos aportes de energía podrían provocar la rotura de la pista de fusión para minimizar la energía. En consecuencia, se forman varios puntos de fusión esféricos, dejando poros después de la solidificación. [27] [28]
Por último, los efectos secundarios que surgen del rayo láser pueden afectar involuntariamente las propiedades de la estructura. Un ejemplo de ello es el desarrollo de precipitados de fase secundaria dentro de la estructura en masa debido al calentamiento repetitivo dentro de las capas inferiores solidificadas a medida que el rayo láser recorre el lecho de polvo. Dependiendo de la composición de los precipitados, este efecto puede eliminar elementos importantes del material a granel o incluso fragilizar la estructura impresa. [29] No solo eso, en lechos de polvo que contienen óxidos, la potencia del láser y las corrientes de convección producidas pueden vaporizar y "salpicar" los óxidos en otros lugares. Estos óxidos se acumulan y tienen un comportamiento no humectante, produciendo así una escoria que no sólo elimina la naturaleza beneficiosa del óxido dentro de la composición sino que también proporciona un microambiente mecánicamente favorable para el craqueo del material.
Se presentan gradientes de alta temperatura durante los procesos de fusión selectiva por láser (SLM), lo que provoca condiciones de desequilibrio en la interfaz sólido/líquido, lo que conduce a una rápida solidificación a medida que el baño de fusión sufre una transformación de fase de líquido a sólido. Como consecuencia, podrían tener lugar una amplia gama de efectos, como la formación de fases de desequilibrio y cambios en la microestructura.
Por las razones anteriores, las propiedades mecánicas de las aleaciones producidas por SLM pueden desviarse sustancialmente de las de sus homólogos fabricados convencionalmente en su estado original. Una característica central de las aleaciones fabricadas con SLM es la gran anisotropía en las propiedades mecánicas. Si bien la estructura del grano en los metales fundidos se caracteriza típicamente por granos isotrópicos aproximadamente uniformes, las aleaciones fabricadas con SLM exhiben un alargamiento sustancial de los granos en la dirección de construcción. [30] La anisotropía en la estructura del grano está asociada con la anisotropía en la distribución de los defectos, la dirección de propagación de las grietas y, en última instancia, las propiedades mecánicas.
Por otro lado, debido a las características termocinéticas especiales asociadas con SLM, existen muchas arquitecturas microestructurales novedosas exclusivas de este proceso. Como nueva técnica de procesamiento, SLM puede producir una microestructura única que es difícil de lograr utilizando técnicas convencionales.
Se han informado mejoras en la resistencia a la fluencia , la resistencia máxima a la tracción y la tenacidad en las aleaciones de níquel. [30] [31] Inconel IN625, una aleación de níquel-cromo endurecida por precipitación, mostró una resistencia a la fluencia igual o incluso mayor a temperaturas elevadas de 650 ̊C y 800 ̊C que el IN625 forjado. Sin embargo, el IN625 fabricado por SLM mostró una ductilidad inferior en condiciones de prueba de fluencia. Al implementar tratamientos térmicos cíclicos , tanto SLM como IN625 forjado obtuvieron cierta resistencia adicional. La cantidad de resistencia adicional en las aleaciones fue generalmente proporcional a la fracción de volumen de la matriz de la fase γ'' (a 650 ̊C) y la fase δ (a 800 ̊C). [31]
Sin embargo, la resistencia a la fatiga y la dureza de las aleaciones fabricadas con SLM cuando se manejan cargas cíclicas a alta temperatura tienden a ser significativamente inferiores a las de las aleaciones fundidas o forjadas. Para otra superaleación , Inconel IN718, los investigadores encontraron que el material fabricado aditivamente mostraba grandes granos columnares con una orientación paralela a la dirección de construcción, mientras que el material forjado mostraba una estructura de grano fino sin textura significativa. [32]
La fabricación aditiva de superaleaciones de níquel basada en SLM todavía plantea desafíos importantes debido a la compleja composición de estas aleaciones. Con múltiples elementos de aleación y una alta fracción de aluminio/titanio, estos materiales, cuando se consolidan a través de SLM, forman varias fases secundarias, lo que afecta la procesabilidad y provoca debilidad dentro de la estructura.
El acero inoxidable de grado 316L es una aleación austenítica a base de hierro que presenta un bajo contenido de carbono (<0,03%). Las pruebas de tracción y de fluencia del acero 316L realizadas a 600 °C y 650 °C concluyeron que el acero SLM alcanzó la tasa de fluencia mínima con deformaciones de fluencia significativamente más bajas, alrededor de una década menos, en comparación con su contraparte forjada. [33] Se considera que la estructura celular es la causa principal de las diferencias en el comportamiento de deformación, especialmente durante la primera etapa de fluencia, principalmente porque limita la capacidad de endurecimiento por trabajo del material. La resistencia máxima a la tracción (UTS) también es menor para las muestras de AM ya que el endurecimiento por deformación es insignificante. [34]
La fractura en el material fabricado con SLM se produce principalmente entre los granos. El daño en los límites de grano provoca grietas y, posteriormente, el fallo del material. La deformación es provocada y acelerada por la aparición de precipitados en los límites de los granos. La mayor energía de falla de apilamiento (SFE) del acero SLM 316L presumiblemente también contribuyó a su comportamiento de fluencia. [33]
Los tipos de aplicaciones más adecuados para el proceso de fusión selectiva por láser son geometrías y estructuras complejas con paredes delgadas y huecos o canales ocultos, por un lado, o tamaños de lote pequeños, por otro. Se pueden obtener ventajas al producir formas híbridas en las que se pueden producir juntas geometrías sólidas y parcialmente formadas o de tipo reticular para crear un único objeto, tal como un vástago de cadera o una copa acetabular u otro implante ortopédico donde la geometría de la superficie mejora la osteointegración . Gran parte del trabajo pionero con tecnologías de fusión selectiva por láser se centra en piezas ligeras para el sector aeroespacial [35] , donde las limitaciones de fabricación tradicionales, como las herramientas y el acceso físico a las superficies para el mecanizado, restringen el diseño de los componentes. SLM permite que las piezas se construyan de forma aditiva para formar componentes con forma casi neta en lugar de eliminar material de desecho. [36]
Las técnicas tradicionales de fabricación de gran volumen tienen un costo de instalación relativamente alto (por ejemplo, moldeo por inyección , forja , fundición a la cera perdida ). Mientras que SLM actualmente tiene un alto costo por pieza debido a su sensibilidad al tiempo y los costos de capital generales del equipo. Sin embargo, para una cantidad limitada de piezas personalizables a medida, el proceso sigue siendo atractivo para varios usos. Este es el caso, por ejemplo, de repuestos/piezas de repuesto para equipos y máquinas obsoletas (por ejemplo, coches antiguos) o productos personalizables como implantes diseñados para pacientes individuales.
Las pruebas realizadas por el Centro Marshall de Vuelos Espaciales de la NASA , que está experimentando con la técnica para fabricar algunas piezas difíciles de fabricar a partir de aleaciones de níquel para los motores de cohetes J-2X y RS-25 , muestran que las piezas difíciles de fabricar con esta técnica son algo Son más débiles que las piezas forjadas y fresadas, pero a menudo evitan la necesidad de soldaduras, que son puntos débiles. [35]
Esta tecnología se utiliza para fabricar piezas directas para una variedad de industrias, incluidas la aeroespacial, dental, médica y otras industrias que tienen piezas de tamaño pequeño a mediano y altamente complejas y la industria de herramientas para fabricar insertos de herramientas directas o aquellas que requieren plazos de entrega cortos. La tecnología se utiliza tanto para la creación rápida de prototipos, ya que reduce el tiempo de desarrollo de nuevos productos, como para la fabricación en producción como método de ahorro de costos para simplificar ensamblajes y geometrías complejas. [37]
La Universidad Politécnica del Noroeste de China está utilizando un sistema similar para construir piezas estructurales de titanio para aviones. [38] Un estudio de EADS muestra que el uso del proceso reduciría materiales y residuos en aplicaciones aeroespaciales. [39]
El 5 de septiembre de 2013, Elon Musk tuiteó una imagen de la cámara del motor del cohete SuperDraco refrigerado regenerativamente de SpaceX emergiendo de una impresora de metal 3D EOS, señalando que estaba compuesta de superaleación Inconel . [40] En un movimiento sorpresa, SpaceX anunció en mayo de 2014 que la versión calificada para vuelo del motor SuperDraco está completamente impresa y es el primer motor de cohete completamente impreso . Utilizando Inconel, una aleación de níquel y hierro, fabricada aditivamente mediante sinterización directa de metales por láser, el motor funciona a una presión en la cámara de 6.900 kilopascales (1.000 psi) a una temperatura muy alta. Los motores están contenidos en una góndola protectora impresa, también impresa con DMLS, para evitar la propagación de fallos en caso de fallo del motor. [41] [42] [43] El motor completó una prueba de calificación completa en mayo de 2014 y está programado para realizar su primer vuelo espacial orbital en abril de 2018. [44]
La capacidad de imprimir en 3D piezas complejas fue clave para lograr el objetivo de baja masa del motor. Según Elon Musk , "Es un motor muy complejo y fue muy difícil formar todos los canales de refrigeración, el cabezal del inyector y el mecanismo de aceleración. Ser capaz de imprimir aleaciones avanzadas de muy alta resistencia... fue crucial para poder para crear el motor SuperDraco tal como es". [45] El proceso de impresión 3D para el motor SuperDraco reduce drásticamente el tiempo de entrega en comparación con las piezas fundidas tradicionales y "tiene resistencia , ductilidad y resistencia a la fractura superiores , con una menor variabilidad en las propiedades de los materiales ". [46]
También en 2018, la FDA aprobó el primer implante de columna impreso en 3D hecho de titanio utilizando SLM. [47]
La fusión por láser puede producir estructuras químicas (metales puros, sus óxidos y carburos ) y físicas (homogéneas, aleaciones , compuestos , aleaciones de oro-hierro, oro-cobalto, oro-níquel ). [52]
La fusión selectiva por láser o la fabricación aditiva, a veces denominada fabricación rápida o creación rápida de prototipos , está en su infancia y cuenta con relativamente pocos usuarios en comparación con los métodos convencionales como el mecanizado, la fundición o la forja de metales, aunque aquellos que utilizan esta tecnología se han vuelto muy competentes. [ palabras de comadreja ] . Como cualquier proceso o método, la fusión selectiva por láser debe adaptarse a la tarea en cuestión. Mercados como el aeroespacial o el de ortopedia médica han estado evaluando la tecnología como proceso de fabricación. Las barreras para la aceptación son altas y los problemas de cumplimiento dan lugar a largos períodos de certificación y calificación. Esto se demuestra [ ¿cuándo? ] por la falta de estándares internacionales completamente formados para medir el desempeño de los sistemas competidores. La norma en cuestión es la Terminología estándar ASTM F2792-10 para tecnologías de fabricación aditiva. [ cita necesaria ]
El uso de SLS se refiere al proceso aplicado a una variedad de materiales como plásticos, vidrio y cerámica, así como a metales. [53] Lo que distingue a SLM de otros procesos de impresión 3D es la capacidad de fundir completamente el polvo, en lugar de calentarlo hasta un punto específico donde los granos de polvo pueden fusionarse, lo que permite controlar la porosidad del material [ cita necesaria ] . Por otro lado, SLM puede ir un paso más allá que SLS, al utilizar el láser para fundir completamente el metal, lo que significa que el polvo no se fusiona sino que se licua el tiempo suficiente para fundir los granos de polvo en una parte homogénea . Por lo tanto, SLM puede producir piezas más fuertes debido a la porosidad reducida y un mayor control sobre la estructura cristalina, lo que ayuda a prevenir fallas de las piezas [ cita requerida ] . Además, ciertos tipos de nanopartículas con desajuste de red minimizado, empaquetamiento atómico similar a lo largo de planos cristalográficos coincidentes y estabilidad termodinámica se pueden introducir en polvo metálico para que sirvan como núcleos de refinamiento de grano para lograr microestructuras de grano fino, equiaxiales y sin grietas. [54] Sin embargo, SLM sólo es factible cuando se utiliza un solo polvo metálico. [ cita necesaria ]
SLM tiene muchos beneficios sobre las técnicas de fabricación tradicionales. La capacidad de producir rápidamente una pieza única es la más obvia porque no se requieren herramientas especiales y las piezas se pueden construir en cuestión de horas.
SLM es también una de las pocas tecnologías de fabricación aditiva que se utilizan en la producción. Dado que los componentes se construyen capa por capa, es posible diseñar elementos y pasajes internos que no podrían fundirse ni mecanizarse de otro modo. Las geometrías complejas y los conjuntos con múltiples componentes se pueden simplificar a piezas más ligeras y con menos piezas con un conjunto más rentable. DMLS no requiere herramientas especiales como piezas fundidas , por lo que es conveniente para tiradas de producción cortas.
Existen varios componentes, entornos y consideraciones materiales que pueden afectar el impacto ambiental que tiene el proceso SLM. En primer lugar, la energía incorporada que se utilizó para fabricar la impresora, que tiene más de 500 piezas, aporta alrededor de 124.000 MJ para una Renishaw AM250 estándar. [55] Es importante señalar que el material más destacado es el acero, que es 100% reciclable. [56] Para aprovechar verdaderamente la reciclabilidad, se puede implementar un enfoque de cuna a cuna para garantizar que todas las piezas de acero se desechen adecuadamente al final de su vida útil mediante el desmontaje. El uso eléctrico suele ser la parte de la impresora que consume más energía, ya que los láseres de alta potencia, los enfriadores, las configuraciones y la separación de piezas contribuyen a ello. Menos volumen de piezas, más tiempo activo, más tiempo inactivo activo (enfriadores en funcionamiento) y el mecanizado por descarga eléctrica (EDM) aumentan el uso de energía. El límite superior de energía in situ durante el uso puede ser de alrededor de 640 MJ por pieza, mientras que el uso más eficiente es de alrededor de 40 MJ por pieza. En este sentido, un factor principal que se puede optimizar para el respeto al medio ambiente es el uso de energía totalmente renovable en lugar de energía eléctrica generada a partir de gas o carbón. Teniendo en cuenta la energía incorporada actualmente en el ciclo de vida total, en el extremo que consume mucha energía se encuentran los procesos de impresión menos eficientes, que totalizan más de 2400 MJ por pieza, mientras que los procesos más eficientes pueden ser tan bajos como 140 MJ por pieza. En última instancia, la energía total incorporada considerando todas las piezas fabricadas depende de muchos factores, pero casi siempre es dominante durante la fase de impresión y, más específicamente, durante los largos tiempos de inactividad y la eliminación de piezas posprocesamiento mediante electroerosión. La excepción a esto son los entornos de investigación donde la máquina no se utiliza constantemente y su uso es menos frecuente; en este caso, la energía incorporada del procesamiento primario y la fabricación es dominante.
Los costos de transporte variarán según las plantas de fabricación y los consumidores, pero estos valores suelen ser insignificantes (<1%) en comparación con otras partes del ciclo de vida del SLM que tienen un gran impacto. Otros factores insignificantes, aunque a veces variados, son: el uso de gas inerte, el desperdicio de material (polvo), los materiales utilizados, la atomización y la eliminación de componentes de la máquina.
Dependiendo de la pieza fabricada y su uso previsto, SLM puede ayudar a fabricar piezas más livianas con dimensiones complejas que reducen el mecanizado de posprocesamiento que consume mucha energía, como la electroerosión o el mecanizado de control numérico por computadora (CNC) , y disminuyen el peso de la pieza. [57] [58] A menudo, solo se puede hacer una comparación directa observando las piezas fabricadas mediante dos procesos diferentes. Un ejemplo es un álabe de turbina fabricado mediante fundición a la cera perdida y SLM, donde se utilizaron 10853,34 kWh y 10181,57 kWh para fabricar la misma pieza, respectivamente. [59] Además, la fabricación convencional contribuyó a 7.325 kgCO 2 , mientras que la fabricación aditiva tuvo 7.027 kgCO 2 de emisiones. Esto significa que en este escenario específico la fabricación aditiva es beneficiosa en un 4%, lo que podría ser significativo respecto de los 25.578 aviones en todo el mundo. [60] Otro ejemplo es la reducción de peso de 1 kg a través de un cuerpo de válvula hidráulica que estima un ahorro de 24.500 litros de combustible para aviones y 63 toneladas de emisiones de CO 2 gracias a un diseño liviano y una menor cantidad de material utilizado en comparación con los métodos de fabricación tradicionales. [58] SLM es a menudo una opción más sostenible debido al menor uso de materia prima, el uso de herramientas menos complejas, el potencial de piezas livianas, las geometrías finales casi perfectas y la fabricación bajo demanda. [61]
Los aspectos de tamaño, detalles de características y acabado de la superficie, así como el error dimensional de impresión [ se necesita aclaración ] en el eje Z pueden ser factores que deben considerarse antes de utilizar la tecnología. [¿ según quién? ] Sin embargo, al planificar la construcción en la máquina donde la mayoría de las características se construyen en los ejes x e y a medida que se deposita el material, las tolerancias de las características se pueden gestionar bien. Por lo general, las superficies deben pulirse para lograr acabados de espejo o extremadamente lisos.
Para herramientas de producción, la densidad del material de una pieza o inserto terminado se debe abordar antes de su uso. [¿ según quién? ] Por ejemplo, en los insertos de moldeo por inyección, cualquier imperfección de la superficie causará imperfecciones en la pieza de plástico, y los insertos tendrán que coincidir con la base del molde con temperatura y superficies para evitar problemas. [ cita necesaria ]
Independientemente del sistema de material utilizado, el proceso SLM deja un acabado superficial granulado debido al "tamaño de las partículas del polvo, la secuencia de construcción de las capas y [la dispersión del polvo metálico antes de la sinterización mediante el mecanismo de distribución del polvo]". [62]
La eliminación de la estructura de soporte metálica y el posprocesamiento de la pieza generada puede ser un proceso que requiere mucho tiempo y requiere el uso de máquinas de mecanizado , electroerosión y/o rectificadoras que tengan el mismo nivel de precisión proporcionado por la máquina RP. [ cita necesaria ]
El pulido con láser mediante la fusión superficial superficial de piezas producidas por SLM puede reducir la rugosidad de la superficie mediante el uso de un rayo láser de movimiento rápido que proporciona "la suficiente energía térmica para provocar la fusión de los picos de la superficie. Luego, la masa fundida fluye hacia los valles de la superficie". por tensión superficial , gravedad y presión láser , disminuyendo así la rugosidad." [62]
Cuando se utilizan máquinas de creación rápida de prototipos, los archivos .stl, que no incluyen nada más que datos de malla sin procesar en binario (generados a partir de Solid Works , CATIA u otros programas CAD importantes) necesitan una mayor conversión a archivos .cli y .sli (el formato requerido para máquinas que no sean estereolitografías). [63] El software convierte archivos .stl en archivos .sli; al igual que con el resto del proceso, puede haber costos asociados con este paso. [ cita necesaria ]
Los componentes típicos de una máquina SLM incluyen: fuente láser, rodillo, pistón de plataforma, placa de construcción extraíble, polvo de suministro, dosis de suministro (por ejemplo, pistón) y ópticas y espejos. [64] La envolvente de construcción típica en la mayoría de las plataformas es (por ejemplo, para la EOS M 290 [65] ) de 250 x 250 x 325 mm, y la capacidad de "hacer crecer" varias piezas a la vez, [ se necesita aclaración ]
En comparación con una pieza fundida tradicionalmente, una [pieza] impresa tiene resistencia, ductilidad y resistencia a la fractura superiores, con una menor variabilidad en las propiedades de los materiales. ... La cámara se enfría de forma regenerativa y se imprime en Inconel, una superaleación de alto rendimiento. La impresión de la cámara resultó en una reducción de un orden de magnitud en el tiempo de entrega en comparación con el mecanizado tradicional: el camino desde el concepto inicial hasta el primer hotfire fue de poco más de tres meses. Durante la prueba de fuego caliente,... el motor SuperDraco se encendió tanto en un perfil de escape de lanzamiento como en un perfil de encendido de aterrizaje, acelerando con éxito entre 20% y 100% de niveles de empuje. Hasta la fecha, la recámara ha sido disparada más de 80 veces, con más de 300 segundos de fuego caliente.
