¿Qué es la manufactura aditiva?
La manufactura aditiva o bien, la impresión 3D, nombre con el que se le conoce comúnmente, ha estado en desarrollo desde la década de 1980. Esta tecnología ha tenido una revolución enorme en cuanto al proceso moderno de producción y diseño, ya que permite el desarrollo de nuevos productos o prototipos en una cantidad menor de tiempo y a un menor costo, dependiendo del tipo de tecnología implementada.
Esta tecnología permite producir objetos físicos tridimensionales directamente desde un diseño CAD mediante la deposición capa por capa de material, siendo algún tipo de plástico el elemento más común.
Manufactura aditiva mediante deposición de energía directa
La deposición de energía directa (DED) es uno de los procesos de impresión 3D más complejos, utilizado normalmente para reparar o agregar material a una pieza hecha. Es un proceso que utiliza una fuente de energía como un rayo láser o un haz de electrones para fundir el material. De una manera similar a varias tecnologías de polvo, el material se funde creando una masa fundida aplicada sobre una base, donde el polvo se funde formando una deposición creando la forma requerida capa por capa.
De acuerdo con la norma ASTM / ISO para la terminología AM (ISO / ASTM 52900-15), “DED es un proceso de fabricación aditiva en el que se utiliza energía térmica enfocada para fusionar materiales a medida que se depositan”.
Esta tecnología está al límite dentro de la frontera entre la extrusión de material y la fusión de polvo, debido a ello, es posible fabricar modelos desde cero utilizando esta tecnología, pero es principalmente utilizada para aplicaciones industriales en donde se necesite realizar reparaciones de elementos grandes como turbinas o hélices que han sido dañadas, para aumentar el tiempo de vida útil del elemento en el que se utilice y como una solución a la rotura o desgaste de estos.
En la actualidad, el proceso DED parece ser el método predominante para la deposición directa de metal debido a su alto rendimiento, bajo desperdicio y mayor volumen de construcción. Sin embargo, la tecnología de fusión en lecho de polvo por láser (LPBF) se sigue utilizando para aplicaciones de alta precisión cuando se requieren alturas de capa inferiores a 250 milímetros.
Esta tecnología es una de las 7 categorías de procesos de la manufactura aditiva, siendo la DED cada vez más utilizada en la fabricación hibrida.
La tecnología DED fue desarrollada por Sandia National Laboratories en la década de 1990 bajo el nombre de LENS (Laser Engineering Net Shape) y luego fue comercializado por Optomec Design Company. Debido a las variaciones en la fuente de energía y el uso final, la DED a veces se denomina Deposición de Metal por Laser (LMD), revestimiento por láser 3D o fabricación con luz directa.
Funcionamiento
Dependiendo del uso que se le dé a esta tecnología será el cómo se depositara el material, ya que puede ser sobre una base o sobre algún componente que se esté reparando en el momento a través de un brazo de varios ejes (normalmente se utilizan brazos con cuatro o cinco ejes de movimiento). El material se deposita en una boquilla y a medida que se deposita el material, una fuente de calor (generalmente un láser, un haz de electrones o un arco de plasma) funde el material de manera simultánea, el cual es depositado capa por capa, este proceso se repite hasta crear la forma deseada o dar forma al elemento que se esté reparando o restaurando. Este proceso se caracteriza por tener una gran exactitud y el poder ser utilizado con polímeros y cerámica, pero normalmente es utilizado en elementos metálicos.
El centro de un sistema DED típico es el cabezal de la boquilla que consta de la fuente de energía y las boquillas de suministro de polvo que convergen en el punto de depósito donde se enfoca el rayo láser. El cabezal CNC (control numérico por computadora) de varios ejes o en un brazo articulado.
Normalmente, la plataforma de construcción es parte del sistema CNC de ejes múltiples que incluye el cabezal de la boquilla.
Una forma fácil de explicar el funcionamiento, es mediante una serie de pasos los cuales ejecuta el sistema DED utilizado, de esta manera, se realiza la acción con la cual queremos que opere nuestro sistema de manufactura aditiva. Dichos pasos se explican a continuación:
1. Usando la información geométrica otorgada por el archivo CAD, tanto el cabezal de la boquilla como la plataforma de construcción se mueven para generar las características geométricas en 3D.
2. El rayo láser derrite la superficie y crea una pequeña piscina fundida del material en el sustrato en el punto de inicio a lo largo de la ruta de construcción.
3. Los alimentadores suministran el polvo a través de la boquilla en esta piscina fundida.
4. Usando la información geométrica CAD otorgada por el archivo CAD, el cabezal controlado por CNC o la cama o ambos se mueven a lo largo de la ruta de construcción para crear la característica forma de la pieza metálica.
Como se puede observar en los pasos mostrados, el funcionamiento del DED es prácticamente similar a la impresión mediante algún otro método.
En el DED alimentado con polvo a base de láser, el material que se fusiona se deposita “soplando” polvo metálico a través de pequeñas boquillas u orificios en un baño de fusión creado por láser. Dependiendo de la potencia y el tipo de laser que se utilice, el rayo láser se enfoca para crear un tamaño de punto conocido (por ejemplo, 0.5 o 1 milímetro para un láser de 500 watts frente a 1.5 o 3 milímetros para un láser de 2.5 kilowatts). La profundidad y la velocidad de la masa fundida resultante están dictadas por la velocidad de escaneo del láser (o el movimiento de la pieza en la plataforma de construcción debajo del láser) y la absorción de energía y la conductividad térmica de la materia prima que se está depositando.
El tamaño de la piscina de fusión, la velocidad a la que se mueve el láser y la velocidad de alimentación de polvo (la velocidad a la que sopla el polvo a través de las boquillas hacia el láser) dictan la cantidad de polvo que se captura en la piscina de fusión y, en última instancia, la cantidad de material fusionado a la pieza: la capa que se encuentra debajo y el material adyacente dentro de la capa que se está construyendo actualmente. Una piscina de fusión grande, caliente y de movimiento lento tendrá una tasa de captura de polvo más alta (70 a 80 por ciento, que es el mejor caso) que una piscina de fusión más pequeña o de movimiento más rápido (tasa de captura de 20 a 30 por ciento, que es el peor de los casos). Sin embargo, el historial térmico y, por lo tanto, la microestructura y las propiedades mecanizadas de la pieza serán diferentes en los 2 casos. Este es uno de los desafíos con DED, a saber, ajustar los parámetros de su proceso para garantizar un tiempo de construcción rápido.
Una vez optimizadas las tasas de construcción para DED tienden a ser un poco más rápidas que las de cama de polvos (Powder Bed Fusion o PBF). El tamaño del punto laser para DED es al menos 10 veces mayor en comparación con el que se usa en PBF. Esto crea un objetivo de charco de fusión más grande para que el polvo golpee, se derrita y se fusione. Además, las partículas de polvo más grandes tienden a usarse en sistemas DED (50 a 150 micrones de diámetro en DED versus 20 a 50 micrones para PBF), ya que tienden a fluir mejor y proporcionan más superficie para acelerar el proceso de fusión. Las partículas de polvo más grandes también permiten capas más gruesas en comparación con el PBF, lo que significa menos capas para construir cuando se usa DED.
Tipos de deposición de energía directa
Aunque la tecnología DED se puede utilizar para fabricar piezas metálicas, cerámicas y poliméricas, se utiliza principalmente para fabricar piezas metálicas. La DED se puede clasificar en los siguientes grupos según la fuente de energía que utiliza para fundir el material, por lo que se clasifican de la siguiente manera:
Los sistemas DED basados en laser: utilizan el láser como principal fuente de energía.
Los sistemas DED basados en haz de electrones: utilizan un haz de electrones para difundir la materia prima del material en polvo.
Los sistemas DED basados en plasma o arco eléctrico: utilizan un arco eléctrico para fundir el alambre.
La tecnología DED también se puede subdividir en los siguientes tipos según los tipos de materia prima utilizada para crear las piezas:
Los sistemas DED a base de polvo: alimentan el polvo a través de la boquilla y se derriten mediante un rayo láser o un rayo de electrones.
Los sistemas DED basados en cables: alimentan los cables a través de una boquilla y utilizan laser, arco de plasma o haz de electrones para crear el baño fundido.
Aplicaciones y Sectores
El DED se utiliza actualmente en diversas industrias clave como aeroespacial, petróleo y gas, así como en la industria marina, por ejemplo, en armazones y estructuras de aeronaves, componentes de metal refractario, reparación y reacondicionamiento de herramientas de material balístico y propulsión marina, etc.
Esta tecnología se puede implementar para diversas aplicaciones y para diferentes sectores, a continuación, se muestran diversos ejemplos para las aplicaciones y los sectores:
Aplicaciones:
· Reparación de piezas de alto valor (errores de fabricación, desperfectos de producción, modificación de la pieza, etc.)
· Aumento de vida útil de piezas (para mayor duración)
· Recubrimiento de material (resistencia a desgaste, resistencia a la corrosión, resistencia a las altas o bajas temperaturas, etc.)
· Reforzamiento superficial (reforzamiento de acero de baja aleación o aceros rápidos)
· Fabricación de piezas y prototipos (con geometrías no muy complejas)
Sectores:
· Industria
· Aeronáutica
· Marina
· Generación de energía
· Extracción de gases
· Procesos petroquímicos
· Minería
· Defensa
Cabe mencionar que los ejemplos dados anteriormente son unos cuantos de diversas posibles aplicaciones y sectores a los cuales se les puede implementar este tipo de tecnología. No obstante, estos ejemplos suelen ser los principales usos a los que se le da esta tecnología y los diversos sectores en los que se aplica. A medida que la evolución tecnología aumenta, este tipo de tecnología tiende a mejorar y a emplearse en una mayor cantidad de sectores y por lo tanto sus aplicaciones tienden a aumentar, por lo que los limites con los cuales se implementa esta tecnología varía según quien la utilice.
Como cualquier otro proceso de fabricación sustractiva, las piezas fabricadas por DED se pueden tratar térmicamente, presionar isostáticamente en caliente, mecanizar o terminar de cualquier manera habitual, lo que abre varias aplicaciones nuevas. La mayoría de los sistemas de fabricación híbridos utilizan DED y su popularidad ha aumentado con el paso del tiempo, gracias a las aplicaciones y a los sectores donde se aplica.
Según el tipo de aplicación y los equipamientos necesarios para el desarrollo de la fabricación mediante la tecnología de Deposición de Energía Dirigida (DED), se puede implementar para diversificar los distintos servicios a los cuales esta tecnología puede aplicar, por mencionar algunos están:
Corte por láser: Es un corte térmico que utiliza la fundición o la vaporización altamente concentrada para cortar el metal con el calor de un haz de láser, generalmente con la asistencia de un gas de alta presión. Con este proceso el cual utiliza un rayo láser se pueden cortar diversos materiales, ya sean metálicos o no metálicos.
Soldadura con láser: Es un proceso de soldadura por fusión que utiliza la energía aportada por un haz de láser para fundir y recristalizar el material o los materiales a unir, de esta manera se produce la unión entre varios elementos. Normalmente se utiliza algún tipo de gas como el helio o el argón, el cual sirve como un gas protector.
Temple por láser: Es el endurecimiento superficial en ciertas zonas de la pieza, mediante un barrido del láser, ajustando la velocidad, la temperatura y la potencia del láser, de esta manera se logra deformar el material lo mas mínimo posible.
Marcado y/o grabación por láser: La superficie del material se funde y evapora con un haz de laser eliminando el material necesario. El resultado que se obtiene en la superficie es el grabado.
Materiales
Normalmente la deposición de energía directa se utiliza con metales los cuales suelen estar en polvo o alambre, sin embargo, es posible usar esta tecnología con polímeros y materiales cerámicos.
Dentro de los diferentes tipos de elementos que se pueden utilizar mediante esta tecnología, están los metales, como se mencionó anteriormente. Todo tipo de metal que pueda soldarse puede ser utilizado para imprimirse mediante la manufactura aditiva DED. Estos metales incluyen, por mencionar algunos, al titanio y a sus diversas aleaciones, tungsteno, niobio, tántalo, acero inoxidable, níquel y sus diversas aleaciones, aluminio, etc. El tipo de alambre utilizado normalmente varía entre 1 a 3 mm de diámetro y en las partículas de polvo su tamaño es similar a los utilizados en procesos de metalurgia de polvo, los cuales son entre 50 y 150 micras.
El DED puede utilizar la tecnología de alimentación por hilo, donde los cabezales de la impresora DED pueden emplear una gama aún más amplia de materiales para impresoras a un precio aún más bajo. La única desventaja de un alambre es que la resolución del sistema esta necesariamente limitada por el grosor del alambre, típicamente de 1 mm de diámetro.
Mercado principal
El mercado actual cuenta con una gran cantidad de fabricantes de impresoras 3D, tanto de metales como de muchos otros materiales para impresión, siendo en la tecnología DED el metal el principal material a utilizar. Existe un mercado diverso dependiendo del tipo de tecnología que desees usar, por lo que se recomienda investigar el tipo de tecnología que se desea implementar y por consecuente el tipo de material a utilizar, de esta manera puedes partir en cuanto a la investigación de que proveedor seria el adecuado con el cual conseguir la tecnología de impresión deseada.
Ventajas y desventajas de la fabricación aditiva mediante DED
A pesar de los diferentes usos, características, aplicaciones y sectores que pueden utilizar esta tecnología, no lo exime de tener algunas desventajas, pero al tener desventajas significa de por medio que tiene ventajas a su favor, en la siguiente tabla se muestran algunas de sus ventajas y desventajas:
Ventajas
Gran cantidad de materiales: La manufactura aditiva por deposición de energía directa es un proceso maduro, por lo que existe un desarrollo e investigación avanzada en cuanto a que materiales se pueden aplicar.
Gran calidad de operación: Se da un aporte muy bajo de calor sobre la pieza base, con casi nula deformación y nula corrosión al mismo. El aporte es de alta densidad y mínima porosidad.
Espesores variables: Comparado con otros procesos de manufactura aditiva, las medidas pueden variar desde 0.03 mm hasta pocos centímetros de diámetro.
Piezas existentes: Puede ser aplicado en piezas existentes para conseguir recubrimientos o realizar reparaciones.
Ratios de producción: En comparación con otros procesos productivos de manufactura aditiva, se consigue un valor de ratio alto de 3-10 mm3/s
Altas tasas de construcción: Las tasas de deposición más altas de DED a una resolución relativamente baja significan una tasa de construcción más rápida en comparación con otros procesos de fabricación de aditivos metálicos.
Piezas densas y resistentes: DED crea piezas de mayor densidad, por lo que sus propiedades mecánicas son tan buenas como las del material fundido o forjado.
Forma casi neta: Las piezas pueden tener formas casi netas y requieren una cantidad mínima de post-procesamiento.
Se usa para reparar: Ideal para aplicaciones que requieren la adición de metal a las piezas existentes, por lo tanto, se presta para aplicaciones de reparación.
Piezas más grandes: Se pueden construir piezas comparativamente más grandes utilizando DED, pudiendo llegar a medir hasta por lo menos 1 metro de altura.
Fácil cambio de material: Dado que el material se alimenta durante el proceso desde contenedores de polvo separados, es fácil rellenar o cambiar el material.
Reducción de desperdicio de material: DED solo deposita el material que necesita durante el proceso, lo que significa menos desperdicio en comparación con procesos como la fusión de cama de polvos (SLS y DMLS) donde, la plataforma de construcción completa debe llenarse con polvo metálico.
Desventaja
Limitación productiva: La manufactura aditiva por deposición de energía directa sufre limitaciones de producción asociadas a la capacidad de maniobrabilidad de los ejes de trabajo.
Complejidad geométrica: Sufre una deficiencia relacionada con la capacidad de reproducir cualquier geometría.
Proceso de fabricación: Es necesario dar un acabado superficial y perfeccionar las dimensiones que se utilizaran, tras la fase de fabricación aditiva, además la rugosidad superficial es mayor que en otros procesos de manufactura aditiva, obteniendo un valor de 60 a 100 µm.
Alto costo de capital: Los sistemas de deposición directa de energía son comparativamente muy costosos con los otros tipos de sistemas de manufactura aditiva de metales.
Baja resolución de construcción: Las piezas fabricadas mediante el uso de la tecnología DED tienen una resolución más baja y un acabado superficial deficiente comparado con varios de los diferentes tipos de manufactura aditiva existentes. Se verá como arena o fundición de inversión y requeriría un post procesamiento secundario, como mecanizado o chorro de agua, lo que agregaría más tiempo y costo a la fabricación y terminación de la pieza.
No utiliza estructuras de soporte: Debido a la naturaleza de como la tecnología DED construye las piezas, las estructuras de soporte no se pueden usar durante el proceso de fabricación.
Tolerancias: Las máquinas de deposición de energía directa generalmente pueden lograr una tolerancia más fina de 0.25 mm, lo que dificulta las pequeñas características.
Preguntas frecuentes
¿Cómo funciona la tecnología de deposición de energía directa?
De una manera similar a cualquier tipo de tecnología de manufactura aditiva, primero se debe tener el modelo 3D mediante una herramienta de diseño CAD y posteriormente se empieza a realizar la deposición del material mediante capas hasta crear un formado acorde al diseño elaborado.
¿Qué tipos de materiales se utilizan en la tecnología DED?
Se pueden utilizar una amplia variedad de materiales en el proceso de DED, siendo por lo general los metales los más usados, incluyendo combinaciones de materiales metálicos, incluidos entre estos materiales están: el titanio, aluminio, tungsteno, acero inoxidable, súper aleaciones, cerámicos, polímeros y otros materiales especiales.
¿Qué tamaño tienen las piezas que pueden construirse mediante la tecnología de DED?
El DED se puede utilizar para construir y reparar objetos que se extienden hasta por cinco metros, entre los elementos más grandes que se pueden imprimir actualmente.
¿Cuándo es la impresión DED una buena opción?
La tecnología DED es una buena solución para crear o reparar piezas metálicas grandes. Sin embargo, como las máquinas DED sacrifican algo de calidad por velocidad, no es ideal para su uso donde la precisión y las superficies muy lisas son críticas.
¿Cómo se utiliza la impresión DED para reparar piezas?
La impresión DED puede agregar capas de metal en piezas desgastadas o rotas para prolongar la vida útil y devolverlas a la usabilidad.
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