Guía de materiales para la impresión 3D: los metales

Fuente: 3dnatives.com

La impresión 3D de metales es una de las tecnologías de fabricación avanzada de más rápido crecimiento a nivel industrial. De hecho, según un informe publicado por Grand View Research, el mercado global de este proceso se valoró en 6360 millones de dólares en 2022. Además, el sector está destinado a registrar una tasa de crecimiento anual compuesto (CAGR) del 24,2% de aquí a 2030. Este aumento se debe, en parte, a la amplia variedad de materiales compatibles con esta tecnología. Ya se trate de impresoras 3D que utilizan sistemas de fusión de lecho de polvo, DED, EBM o incluso extrusión de metales, las posibilidades de estos materiales son prácticamente ilimitadas. En esta guía completa, presentamos los metales más comúnmente utilizados en la impresión 3D y las características de cada uno.

Aluminio

Este material ofrece un excelente compromiso entre ligereza y solidez. Además de ser resistente a la corrosión, también se puede soldar. En comparación con el acero, es menos resistente y más sensible a las altas temperaturas. Se utiliza principalmente en ámbitos donde el peso es fundamental, como en piezas mecánicas de coches de carreras, aeronáutica, sector aeroespacial, bicicletas, etc. Rara vez se encuentra en estado puro y es más frecuente en forma de aleación con metales que mejoran sus propiedades físicas y mecánicas, como el silicio y el magnesio. Un ejemplo típico es el aluminio AlSi10Mg, comercializado en polvo por el fabricante alemán EOS. Esto permite producir piezas sólidas y complejas.

Aleaciones de aluminio

Como se ha indicado anteriormente, las aleaciones de aluminio son más frecuentes que la forma pura y se emplean tradicionalmente en numerosas aplicaciones industriales. Además, poseen una elevada relación resistencia/peso; de hecho, muestran una buena resistencia a los esfuerzos y a la corrosión del metal.

Acero

Siendo uno de los metales más comunes en el sector para la producción de piezas de repuesto, no sorprende que el acero fuera el primer metal utilizado en la impresión 3D. Dentro de este grupo, podemos encontrar dos tipos: el acero inoxidable y el acero martensítico para herramientas. El acero inoxidable se utiliza ampliamente en la vida cotidiana, en la ingeniería mecánica y en medicina. Tiene buenas propiedades metálicas y produce una superficie pulida y brillante. Varios fabricantes de la industria 3D ofrecen este material, entre ellos EOS, ProMetal y Desktop Metal. Algunas de sus propiedades incluyen: dureza, resistencia a la tracción, formabilidad y resistencia a los impactos. También es posible imprimir piezas de bronce u oro utilizando acero inoxidable como material base. Esto se consigue, por ejemplo, revistiendo las capas de polvo de acero inoxidable con pegamento para inyección de bronce durante la impresión. Por otra parte, EOS ha desarrollado el acero martensítico MS1, que se utiliza en la fabricación de herramientas y moldes gracias a su fuerza y resistencia a la fractura.

Aleaciones de cobre

El cobre es otro metal utilizado en la fabricación aditiva. Sus propiedades incluyen una elevada conductividad eléctrica y térmica, ductilidad (deformación plástica sin rotura) y maleabilidad (deformación por compresión). El cobre está disponible tanto en forma de filamento como de polvo para la impresión 3D. Sus características hacen que este metal sea ideal para las aplicaciones de gestión térmica y de ingeniería eléctrica (inductores, electrodos, intercambiadores de calor, etc.), así como para la construcción de herramientas y utillaje. Algunas de sus aleaciones más comunes son: CuNi2SiCr, CuCrZr, CuCP, Cu.

Galio

El galio se utiliza como aleación, con un 25% de indio. Lo que hace especial a esta aleación es que no solo se puede fundir a una baja temperatura de 29,7°C (85,46°F), sino que los dos metales se solidifican en contacto con el aire mientras el interior permanece líquido, favoreciendo la impresión. El precio sigue siendo la principal barrera si se quiere utilizar este material.

Titanio

El titanio es el buque insignia de los sectores médico y aeroespacial, gracias a su excelente combinación de resistencia y peso, a su biocompatibilidad y a su alta resistencia a la corrosión. Todos los grados de titanio muestran una resistencia extrema a la corrosión, ductilidad y soldabilidad, aunque el grado uno es ligeramente menos trabajable que los grados dos, tres y cuatro. El grado cuatro es el más resistente. La impresión 3D facilita la producción de piezas de titanio y evita las impurezas que se obtienen con las técnicas tradicionales durante la fase de soldadura. Sin embargo, una desventaja importante de este material es su elevado coste, ya que es aproximadamente 50 veces superior al del acero.

Aleaciones de titanio

Como en el caso de las aleaciones de aluminio, las aleaciones de titanio presentan mejores propiedades mecánicas y químicas. La aleación Ti6Al4V es la más utilizada y ocupa el 56% del mercado total del titanio, gracias a su buen equilibrio entre resistencia mecánica, ductilidad, resistencia a la fatiga y tenacidad a la fractura. Estos metales se utilizan en la fabricación aditiva para producir una amplia gama de componentes industriales, incluyendo chapas, elementos de fijación, anillos, discos y contenedores. Las aleaciones de titanio también se utilizan para producir piezas de motores automovilísticos de alto rendimiento, como cajas de cambios y bielas.

Cromo cobalto

Impresas con las tecnologías EBM y DMLS, las aleaciones de cobalto muestran una calidad superior a las obtenidas utilizando métodos de producción tradicionales como la fundición a la cera perdida. Al igual que las aleaciones de titanio, las aleaciones cromo-cobalto como la CoCrMo se utilizan ampliamente en medicina para la producción de prótesis, tanto en el ámbito ortopédico como en el odontológico (gracias a su rigidez, resistencia al desgaste y ausencia de corrosión). Además, el sector automovilístico y el aeroespacial emplean algunas aleaciones de cobalto-cromo-molibdeno altamente termorresistentes. EOS ofrece aleaciones de cobalto cromo MP1 y SP2 resistentes a altas temperaturas, hasta los 600°C (1112° F). Arcam, por su parte, comercializa el ASTM F75, ampliamente utilizado para la producción de herramientas y moldes.

Aleaciones a base de níquel

El níquel es un material increíblemente versátil, disponible en polvo o en filamentos y capaz de ser aleado con otros metales. Las superaleaciones de níquel-cromo, como el Inconel 718 y el Inconel 625, permiten producir piezas metálicas fuertes y resistentes a la corrosión. Estas aleaciones se utilizan principalmente en la industria aeroespacial, automovilística y petroquímica, donde están sujetas a tensiones y temperaturas elevadas. Las propiedades mecánicas de las aleaciones a base de níquel en la fabricación aditiva, como el Inconel 625, se ven notablemente mejoradas por el uso de cantidades significativas de níquel, cromo y molibdeno en el metal.

Metales preciosos

Hemos visto anteriormente que es posible añadir pegamento para inyectar bronce y oro en un objeto de acero impreso. Otra forma de imprimir con estos metales es la fundición de metal. Se trata de un molde a la cera perdida, acabado a mano. Este método es ampliamente utilizado en joyería y en la producción de pequeños objetos. Uno de los problemas y limitaciones de este método de fundición es que debe tener en cuenta las formas finas a evitar, además de garantizar un espesor mínimo de 0,8 mm – 1 mm para asegurar el respeto de las paredes. La fase de acabado es la clave para obtener una buena terminación superficial, en particular para las piezas de plata. Con el oro, finalmente, es posible obtener diferentes matices de color (rosa, blanco y amarillo).

Por último, es importante notar que hoy en día es posible modificar la estructura atómica del metal durante la impresión 3D. De este modo se obtiene una solidificación más rápida y uniforme, lo que puede conducir a un metal más rígido y resistente.