La fusión selectiva por láser ( SLM ) es uno de los muchos nombres patentados [1] para una tecnología de fabricación aditiva (AM) de metal que utiliza un lecho de polvo con una fuente de calor para crear piezas de metal. También conocida como sinterización directa por láser de metal ( DMLS ), el término estándar de ASTM es fusión de lecho de polvo ( PBF ). PBF es una técnica de prototipado rápido, 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 durante su fase pionera, el Dr. Dieter Schwarze y el Dr. Matthias Fockele de F&S Stereolithographietechnik GmbH, ubicada en Paderborn, colaboraron con los investigadores del ILT, el Dr. Wilhelm Meiners y el Dr. Konrad Wissenbach. A principios de la década de 2000, F&S entró en 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 está en SLM Solutions GmbH y el Dr. Matthias Fockele fundó Realizer GmbH. [ cita requerida ]
El comité de normas ASTM International F42 ha agrupado la fusión selectiva por láser en la categoría de "sinterización por láser", aunque se trata de 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 metal por láser (DMLS), un nombre depositado por la marca EOS, sin embargo engañoso sobre el proceso real porque la pieza se está fundiendo 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 SLM, y a menudo se considera como un proceso SLM. Entre las empresas que fabrican máquinas con tecnología SLM encontramos soluciones SLM, 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 permite procesar una variedad de aleaciones, lo que permite que los prototipos sean hardware funcional hecho del 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 el mecanizado de otro modo. La SLM produce piezas metálicas duraderas y completamente densas que funcionan bien como prototipos funcionales o como piezas de producción para 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 impresión 3D o estereolitografía 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 requerida ]
En la fusión selectiva por láser, se distribuyen de manera uniforme capas delgadas de polvo metálico atomizado mediante un mecanismo de recubrimiento sobre una placa de sustrato, generalmente de metal, que se fija a una plataforma de indexación que se mueve en el eje vertical (Z). Esto se lleva a cabo dentro de una cámara que contiene una atmósfera estrictamente controlada de gas inerte , ya sea argón o nitrógeno, con niveles de oxígeno por debajo de 1000 partes por millón. Una vez que se ha distribuido cada capa, cada corte 2D de la geometría de la pieza se fusiona mediante la fusión selectiva del 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 intensa y lo suficientemente enfocada como para permitir la fusión completa de las partículas para formar una estructura sólida. El proceso se repite capa tras capa hasta que la pieza está completa. [8]
Las máquinas SLM utilizan predominantemente un láser de fibra óptica Yb de alta potencia con potencias láser estándar que van desde 100 a 1000 W. Dentro del área de la cámara de construcción, hay una plataforma de dispensación de material y una plataforma de construcción junto con un sistema de recubrimiento (cuchilla o rodillo) que se utiliza para distribuir uniformemente el polvo nuevo a lo largo de la plataforma de construcción. Las piezas se construyen de forma aditiva capa por capa, generalmente 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 se utilice en el proceso, debe existir en forma atomizada (forma de polvo). Estos polvos son generalmente prealeaciones atomizadas con gas, siendo el proceso más económico para obtener polvos esféricos a escala industrial. La esfericidad es deseada porque garantiza una alta fluidez y densidad de empaquetamiento, lo que se traduce en una propagación rápida y reproducible de las capas de polvo. Los polvos altamente esféricos con un bajo nivel de porosidad interna se producen mediante atomización de plasma y esferoidización de polvo . [13] Para optimizar aún más la fluidez, se emplean típicamente distribuciones de tamaño de partícula estrechas con un bajo porcentaje de partículas finas como 15 – 45 μm o 20 – 63 μm. Las aleaciones disponibles actualmente que se utilizan en el proceso incluyen AISI 316L, AISI 304, C67, F53, H13, acero inoxidable 17-4 PH y 15-5 , acero maraging , 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 láser de metal directa exhiben una resistencia al límite elástico mayor que las construidas con aleación A360.0 comercial recién fundida en un 43 % cuando se construyen a lo largo del plano xy y en un 36 % a lo largo del plano z. [17] Si bien se ha demostrado que la resistencia al límite elástico de AlSiMg aumenta tanto en el plano xy como en el plano z, el alargamiento en la rotura disminuye a lo largo de la dirección de construcción. [17] Esta mejora de las propiedades mecánicas de las muestras de sinterización láser de metal directa se ha atribuido a una microestructura muy fina. [17]
Además, la presión de la industria ha añadido más polvos de superaleaciones 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 a través del tratamiento térmico de presión isostática en caliente (HIP) y el granallado lo que cambia las propiedades mecánicas a un nivel de diferencia notable en comparación con los materiales fundidos o forjados equiaxiales. Según la investigación realizada en la Universidad Metropolitana de Tokio, se muestra que la ruptura por fluencia y la ductilidad son típicamente menores para las superaleaciones basadas en Ni impresas con aditivos en comparación con el material forjado o fundido. [18] La direccionalidad de la impresión es un factor de influencia importante junto con el tamaño del grano. Además, las propiedades de desgaste son típicamente mejores como se ve con los estudios realizados en Inconel 718 aditivo debido a la condición de la superficie; el estudio también demostró la influencia de la potencia del láser en 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 requerida ] 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 su uso en el diseño.
El 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 material y brindar más grados de libertad con los diseños que las técnicas de fabricación no pueden lograr. La fusión selectiva por láser es muy útil como ingeniero de materiales y procesos a tiempo completo. Solicitudes como requerir una entrega rápida en el 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 de asegurarse de 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 grietas y porosidad. [20] Los desafíos futuros son no poder 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 capacidad de absorción láser en el rango de longitudes de onda de los láseres de fibra que se utilizan en SLM. [20]
Estos desafíos se pueden mejorar realizando más investigaciones sobre cómo interactúan los materiales cuando se fusionan.
A pesar de los grandes éxitos que la SLM ha proporcionado a la fabricación aditiva , el proceso de fusión de un medio en polvo con un láser concentrado produce diversos defectos microestructurales a través de numerosos mecanismos que pueden afectar negativamente a la funcionalidad y resistencia generales de la pieza fabricada. Aunque se han investigado muchos defectos, en esta sección repasaremos algunos de los principales defectos que pueden surgir de la SLM.
Dos de los defectos mecánicos más comunes son la falta de fusión (LOF) o el agrietamiento dentro de las regiones solidificadas. La 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 en polvo demasiado rápido, fundiendo 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 grano donde hay dislocaciones. [22]
Además, aunque el SLM solidifica una estructura a partir de metal fundido , la dinámica de fluidos térmicos del sistema a menudo produce composiciones no homogéneas o porosidad no deseada que puede afectar acumulativamente la resistencia general y la vida útil por 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 ha descubierto que durante la solidificación, las microestructuras dendríticas progresan a lo largo de gradientes de temperatura a diferentes velocidades, lo que produce diferentes perfiles de segregación dentro del material. [24] En última instancia, estos fenómenos de dinámica de fluidos térmicos generan inconsistencias no deseadas dentro del material impreso, y seguirá siendo necesaria una mayor investigación para mitigar estos efectos.
La formación de poros es un defecto muy importante cuando se imprimen muestras mediante SLM. Se revela que los poros se forman durante los cambios en la velocidad de escaneo láser debido a la rápida formación y posterior colapso de depresiones profundas en forma de ojo de cerradura en la superficie que atrapan el gas de protección inerte en el metal que se solidifica. [25] Otra posible razón para la formación de poros es el llamado efecto de formación de bolas que se obtuvo con frecuencia en el caso de los aceros inoxidables austeníticos. [26] La mala humectabilidad de la superficie y los bajos aportes de energía pueden provocar la ruptura 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 en masa o incluso hacer que la estructura impresa sea más frágil . [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" óxidos en otras ubicaciones. Estos óxidos se acumulan y tienen un comportamiento no humectante, produciendo así una escoria que no solo elimina la naturaleza beneficiosa del óxido dentro de la composición, sino que también proporciona un microambiente mecánicamente favorable para el agrietamiento del material.
Durante los procesos de fusión selectiva por láser (SLM) se presentan gradientes de temperatura elevados que provocan condiciones de desequilibrio en la interfaz sólido/líquido, lo que conduce a una solidificación rápida a medida que el baño de fusión experimenta una transformación de fase de líquido a sólido. Como consecuencia, pueden producirse una amplia gama de efectos, como la formación de fases de desequilibrio y cambios en la microestructura.
Por las razones antes mencionadas, las propiedades mecánicas de las aleaciones producidas por SLM pueden diferir sustancialmente de las de sus contrapartes fabricadas convencionalmente en su estado original. Una característica central de las aleaciones fabricadas por SLM es la gran anisotropía en las propiedades mecánicas. Mientras que la estructura de grano en los metales fundidos se caracteriza típicamente por granos isotrópicos aproximadamente uniformes, las aleaciones fabricadas mediante SLM exhiben un alargamiento sustancial de los granos en la dirección de construcción. [30] La anisotropía en la estructura de grano está asociada con la anisotropía en la distribución de defectos, la dirección de propagación de grietas y, en última instancia, las propiedades mecánicas.
Por otra parte, debido a las características termocinéticas especiales asociadas con el SLM, existen muchas arquitecturas microestructurales novedosas exclusivas de este proceso. Como nueva técnica de procesamiento, el 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 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 con SLM exhibió una ductilidad inferior en condiciones de prueba de fluencia. Al implementar tratamientos térmicos cíclicos , tanto el SLM como el IN625 forjado obtuvieron cierta resistencia adicional. La cantidad de resistencia adicional en las aleaciones fue generalmente proporcional a la fracción de volumen de 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 al soportar cargas cíclicas a alta temperatura tienden a ser significativamente inferiores a las de las aleaciones fundidas o forjadas. En el caso de otra superaleación, Inconel IN718, los investigadores descubrieron que el material fabricado de forma aditiva mostraba granos columnares grandes 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 aún 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 mediante SLM, forman varias fases secundarias, lo que afecta la procesabilidad y provoca debilidad en 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 las pruebas de fluencia del acero 316L realizadas a 600 °C y 650 °C concluyeron que el acero SLM alcanzó la tasa mínima de fluencia con deformaciones por fluencia significativamente más bajas, alrededor de una década más bajas, en comparación con su contraparte forjada. [33] La estructura celular se considera la principal causa de las diferencias en el comportamiento de la deformación, especialmente durante la primera etapa de fluencia, principalmente porque limita la capacidad de endurecimiento por deformación del material. La resistencia máxima a la tracción (UTS) también es menor para las muestras 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 el agrietamiento y, posteriormente, la falla del material. La deformación es causada y acelerada por la aparición de precipitados en los límites de grano. 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 complejas y estructuras con paredes delgadas y huecos o canales ocultos por un lado o tamaños de lote reducidos por el otro. Se pueden obtener ventajas al producir formas híbridas donde se pueden producir geometrías sólidas y parcialmente formadas o de tipo reticular para crear un único objeto, como un vástago de cadera o una copa acetabular u otro implante ortopédico donde la osteointegración se mejora mediante la geometría de la superficie. Gran parte del trabajo pionero con tecnologías de fusión selectiva por láser se centra en piezas ligeras para la industria 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. La SLM permite construir piezas de forma aditiva para formar componentes con una forma casi neta en lugar de eliminar material de desecho. [36]
Las técnicas tradicionales de fabricación de gran volumen tienen un coste de instalación relativamente alto (por ejemplo, moldeo por inyección , forjado , fundición a la cera perdida ). Si bien el SLM actualmente tiene un coste alto por pieza debido a su sensibilidad al tiempo y a los costes de capital generales del equipo, sin embargo, para cantidades limitadas de piezas personalizadas a medida, el proceso sigue siendo atractivo para varios usos. Este es el caso, por ejemplo, de piezas de repuesto para equipos y máquinas obsoletos (por ejemplo, coches antiguos) o productos personalizables como implantes diseñados para pacientes individuales.
Las pruebas realizadas en 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 fabricadas con la técnica son algo 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, la odontológica, la médica y otras industrias que tienen piezas de tamaño pequeño a mediano y de alta complejidad, y la industria de herramientas para fabricar insertos de herramientas directas o que requieren plazos de entrega cortos. La tecnología se utiliza tanto para la creación rápida de prototipos, ya que disminuye el tiempo de desarrollo de nuevos productos, como para la fabricación en serie como un método de ahorro de costos para simplificar los ensamblajes y las geometrías complejas. [37]
La Universidad Politécnica del Noroeste de China está utilizando un sistema similar para construir piezas estructurales de titanio para aeronaves. [38] Un estudio de EADS muestra que el uso del proceso reduciría los materiales y los desechos en aplicaciones aeroespaciales. [39]
El 5 de septiembre de 2013, Elon Musk tuiteó una imagen de la cámara del motor del cohete SuperDraco con refrigeración regenerativa de SpaceX que emergía de una impresora de metal 3D EOS, y señaló que estaba compuesta de la 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 de forma aditiva mediante sinterización directa de metal por láser, el motor funciona a una presión de cámara de 6900 kilopascales (1000 psi) a una temperatura muy alta. Los motores están contenidos en una góndola protectora impresa, también impresa con DMLS, para evitar la propagación de fallas en caso de una falla del motor. [41] [42] [43] El motor completó una prueba de calificación completa en mayo de 2014 y está previsto que realice su primer vuelo espacial orbital en abril de 2018. [44]
La capacidad de imprimir en 3D las 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 estrangulamiento. Poder imprimir aleaciones avanzadas de muy alta resistencia... fue crucial para poder 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 una 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 fabricado con titanio utilizando SLM. [47]
La fusión por láser puede producir estructuras químicas (metales puros, sus óxidos y carburos ) y estructuras físicas (homogéneas, aleaciones , compuestos , aleaciones de oro-hierro, oro-cobalto, oro-níquel ). [52]
La fusión selectiva por láser o fabricación aditiva, a veces denominada fabricación rápida o prototipado rápido , está en sus inicios y tiene relativamente pocos usuarios en comparación con los métodos convencionales, como el mecanizado, la fundición o la forja de metales, aunque quienes utilizan esta tecnología se han vuelto muy competentes [ palabras confusas ] . Como cualquier proceso o método, la fusión selectiva por láser debe ser adecuada a la tarea en cuestión. Mercados como el aeroespacial o la ortopedia médica han estado evaluando la tecnología como un proceso de fabricación. Las barreras para su 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 normas internacionales completamente formadas con las que medir el rendimiento de los sistemas en competencia. La norma en cuestión es ASTM F2792-10 Terminología estándar para tecnologías de fabricación aditiva. [ cita requerida ]
El uso de SLS se refiere al proceso aplicado a una variedad de materiales como plásticos, vidrio y cerámica, así como 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 requerida ] . Por otro lado, SLM puede ir un paso más allá que SLS, al usar el láser para fundir completamente el metal, lo que significa que el polvo no se fusiona, sino que en realidad se licúa el tiempo suficiente para fundir los granos de polvo en una pieza 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 la pieza [ cita requerida ] . Además, ciertos tipos de nanopartículas con un desajuste reticular minimizado, un empaquetamiento atómico similar a lo largo de planos cristalográficos coincidentes y estabilidad termodinámica se pueden introducir en el polvo metálico para que sirvan como nucleados de refinamiento de grano para lograr microestructuras equiaxiales, de grano fino y sin grietas. [54] Sin embargo, la SLM solo es factible cuando se utiliza un solo polvo metálico. [ cita requerida ]
La fabricación por subcontratación (SLM) presenta muchas ventajas con respecto a las técnicas de fabricación tradicionales. La más evidente es la capacidad de producir rápidamente una pieza única, ya que no se necesitan herramientas especiales y las piezas se pueden fabricar 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 características internas y pasajes que no podrían fundirse ni mecanizarse de otro modo. Las geometrías complejas y los ensamblajes con múltiples componentes se pueden simplificar para obtener menos piezas y más livianas con un ensamblaje más rentable. DMLS no requiere herramientas especiales como las fundiciones , por lo que es conveniente para tiradas de producción cortas.
Existen diversos 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, contribuye 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 realmente la reciclabilidad, se puede implementar un enfoque de cuna a cuna para garantizar que todas las piezas de acero se descarten correctamente al final de su vida útil mediante el desmontaje. El uso eléctrico suele ser la parte de la impresora que más energía consume, ya que los láseres de alta potencia, los enfriadores, las configuraciones y la separación de piezas contribuyen a ello. Un menor volumen de piezas, más tiempo activo, más tiempo de inactividad activa (enfriadores en funcionamiento) y el mecanizado por descarga eléctrica (EDM) aumentan el uso de energía. El extremo superior de la 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 la electricidad generada a través del gas o el carbón. Si consideramos ahora la energía incorporada del ciclo de vida total, en el extremo de mayor consumo de energía se encuentran los procesos de impresión menos eficientes, que suman 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 incorporada total 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 posteriores al procesamiento mediante electroerosión. La excepción a esto se da en los entornos de investigación donde la máquina no se utiliza constantemente y el uso es más infrecuente; en este caso, la energía incorporada del procesamiento primario y la fabricación es dominante.
Los costos de transporte varían según las plantas de fabricación y los consumidores, pero estos valores suelen ser insignificantes (<1 %) en comparación con otras partes de alto impacto del ciclo de vida de la maquinaria de transporte de gran potencia. Otros factores que son insignificantes, pero a veces varían, son: uso de gas inerte, desechos de material (polvo), materiales utilizados, atomización y eliminación de componentes de la máquina.
Dependiendo de la pieza fabricada y su uso previsto, la SLM puede ayudar a fabricar piezas más ligeras con dimensiones complejas que reducen tanto el mecanizado posterior al procesamiento intensivo de energía, como la EDM o el mecanizado de control numérico por computadora (CNC) , como el peso de la pieza. [57] [58] A menudo, solo se puede hacer una comparación directa observando piezas fabricadas mediante dos procesos diferentes. Un ejemplo es una pala de turbina fabricada mediante fundición de inversión 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 7325 kg de CO2 , mientras que la AM tuvo 7027 kg de emisiones de CO2 . Esto significa que, en este escenario específico, la AM es beneficiosa en un 4 %, lo que podría ser significativo para las 25 578 aeronaves 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 l de combustible para aviones y 63 toneladas de emisiones de CO2 gracias a un diseño ligero y un menor uso de material en comparación con los métodos de fabricación tradicionales. [58] La 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 ligeras, geometrías finales casi perfectas y la fabricación a pedido. [61]
Los aspectos de tamaño, detalles de las características y acabado de la superficie, así como la impresión a través del error dimensional [ aclaración necesaria ] en el eje Z pueden ser factores que se deben considerar antes del uso de 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 coloca el material, las tolerancias de las características se pueden gestionar bien. Las superficies generalmente tienen que pulirse para lograr acabados de espejo o extremadamente suaves.
En el caso de las herramientas de producción, se debe tener en cuenta la densidad del material de una pieza o inserto terminado antes de su uso. [¿ según quién? ] Por ejemplo, en los insertos de moldeo por inyección, cualquier imperfección en la superficie provocará imperfecciones en la pieza de plástico, y los insertos deberán acoplarse a la base del molde con la temperatura y las superficies para evitar problemas. [ cita requerida ]
Independientemente del sistema de material utilizado, el proceso SLM deja un acabado superficial granulado debido al "tamaño de las partículas de polvo, la secuencia de construcción por capas y [la distribución del polvo metálico antes de la sinterización mediante el mecanismo de distribución de polvo]". [62]
La eliminación de la estructura de soporte metálica y el posprocesamiento de la pieza generada puede ser un proceso que consume mucho tiempo y requiere el uso de máquinas de mecanizado , electroerosión y/o rectificado que tengan el mismo nivel de precisión que la máquina RP. [ cita requerida ]
El pulido láser mediante la fusión superficial de piezas producidas por SLM permite reducir la rugosidad de la superficie mediante el uso de un haz láser de rápido movimiento que proporciona "la energía térmica suficiente para provocar la fusión de los picos de la superficie. La masa fundida fluye entonces hacia los valles de la superficie por la tensión superficial , la gravedad y la presión del láser , disminuyendo así la rugosidad". [62]
Cuando se utilizan máquinas de prototipado rápido, 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 conversión adicional a archivos .cli y .sli (el formato requerido para máquinas que no sean de estereolitografía). [63] El software convierte archivos .stl a archivos .sli, como con el resto del proceso, puede haber costos asociados con este paso. [ cita requerida ]
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 EOS M 290 [65] ) de 250 x 250 x 325 mm y la capacidad de "hacer crecer" varias piezas a la vez. [ aclaración necesaria ]
... La cámara se enfría de forma regenerativa y se imprime en Inconel, una superaleación de alto rendimiento. La impresión de la cámara dio como resultado 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 encendido en caliente fue de poco más de tres meses. Durante la prueba de encendido en caliente, ... el motor SuperDraco se encendió tanto en un perfil de escape de lanzamiento como en un perfil de quemado de aterrizaje, estrangulando con éxito entre el 20% y el 100% de los niveles de empuje. Hasta la fecha, la cámara se ha encendido más de 80 veces, con más de 300 segundos de encendido en caliente.
