En este artículo se tratara de manera no extensiva los polvos y filamentos metálicos utilizados en la manufactura aditiva. Los polvos son el material predominante utilizado en la mayoría de sistemas de manufactura aditiva. A pequeña escala los filamentos son utilizados en DED (Directed Energy Deposition) , las láminas en SL (Stereolithography) , y partículas metálicas en suspensiones son usadas en ME (Material Extrusion) y MJ (Material Jetting).
Solo una pequeña parte de las aleaciones disponibles para métodos de manufactura convencionales ha sido optimizada para aplicaciones de manufactura aditiva. La alta sensitividad de las tecnologías de manufactura aditiva para procesar parámetros y la microestructura y propiedades únicas de las partes fabricadas por manufactura aditiva requieren del desarrollo de recetas de procesos optimizadas y bases de datos de propiedades de los procesos para muchas nuevas aleaciones que podrían ser adecuadas para los procesos de manufactura aditiva.
La mayoría del desarrollo en la cuestión de materiales para manufactura aditiva metálica ha estado enfocada en aleaciones ferrosas y de titanio, seguidos por aleaciones de aluminio y súper aleaciones de níquel y cromo-cobalto. La manufactura aditiva de metales refractarios (v. gr. Molibdeno y sus aleaciones), metales preciosos (v. gr. oro, plata, platino, tántalo, etc.), tungsteno, magnesio, cobre y materiales intermetálicos han sido investigados tanto por la academia como por la industria. El desarrollo de polvos metálicos (y otras formas) orientadas a los distintos procesos de manufactura aditiva es un campo de investigación activo. Se espera crecimiento como las aplicaciones de la manufactura aditiva aumenten.
Resumen no extensivo de metales en la manufactura aditiva.
Aleaciones Ferrosas
Arc Bicycle hecha en acero inoxidable por MX3D y TU Delft. Fuente: TU Delft.
Dadas las numerosas aleaciones ferrosas como aceros inoxidables, aceros para herramientas (tool steels), aceros martensíticos (maraging steels), etc., emplearlas en los procesos de manufactura aditiva siempre ha estado al frente de los esfuerzos de R&D. En una reseña de aleaciones ferrosas utilizadas en la manufactura aditiva, la mayoría de publicaciones de papers están atribuidas al proceso de PBF (Powder Bed Fusion) (68% para LPBF (Laser Powder Bed Fusion) y 1% EB-PBF (Electron Beam Powder Bed Fusion) ), seguido por LDED (Laser Directed Energy Deposition) (28%) y BJ (Binder Jetting) (3%), indicando la alta popularidad de la tecnología PBF para la manufactura aditiva de metales. Entre varias aleaciones ferrosas destacan el acero inoxidable 316L, el acero inoxidable martensítico 300, el acero de herramientas H13, el acero inoxidable 17-4 PH, el acero de herramientas M2, el acero de herramientas P20 y el acero inoxidable 304L como las aleaciones mas estudiadas. El proceso EB-PBF (Electron Beam Powder Bed Fusion) ha trabajado de manera reducida las aleaciones ferrosas, limitándose al acero de herramientas H13 y el acero inoxidable 316L. Se han señalado aplicaciones como la fabricación de implantes biomédicos porosos, canales de enfriamiento conformados, herramentales (tooling) y estructuras reticulares para las aleaciones ferrosas en la manufactura aditiva.
Aleaciones de Titanio
Implante de disco intervertebral de titanio. Fuentes: Wikimedia Commons.
La aleación de titanio Ti-6Al-4V es la más estudiada en procesos de manufactura aditiva metálica. Aleaciones de titanio que cuentan con propiedades únicas como biocompatibilidad, alta resistencia siendo ligeras y una alta resistencia a la corrosión tienen aplicaciones extensivas en la industria biomédica y aeroespacial. Siendo disponible en la forma de polvo y filamento, las tres principales categorías de manufactura aditiva (PBF, DED, BJ) pueden utilizar aleaciones de titanio como materia prima. El titanio es muy adecuado para la manufactura aditiva por su difícil y costoso maquinado. Además de la aleación Ti-6Al-4V y titanio puro, otras aleaciones de interés para la manufactura aditiva incluyen Ti-24Nb-4Zr-8Sn, Ti-6Al-7Nb, y Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si. Inclusive las aleaciones Ti-6Al-4V, Ti-48Al-2Nb-0.7Cr-0.3Si, γ-TiAl, y Ti-24Nb-4Zr-8Sn han sido utilizadas en EB-PBF.
Aleaciones de Níquel
Motor Ignus-II para el cohete Vulcan 2 hecho de Inconel 718. Fuente: SEDS en UC San Diego.
Las superaleaciones de níquel son otra categoría de materiales que han ganado la atención de la comunidad de la manufactura aditiva por su excelente resistencia a condiciones extremas y altas temperaturas. Estas propiedades y la libertad de diseño y optimización que ofrecen la manufactura aditiva proveen una gran combinación para innovaciones creativas en la industria aeroespacial, la industria aeronaútica, y la industria de herramentales. Las aleaciones de Inconel componen la mayoría del esfuerzo en R&D de aleaciones de níquel en la manufactura aditiva, con el Inconel 718 y el Inconel 625 siendo las materiales más estudiados de esta categoría seguidos por el Hastelloy X como otra aleación popular de esta categoría para manufactura aditiva.
Aleaciones de Aluminio
Manifold de aluminio para un Ford F-150 de 1977. Fuente: Ford Performance.
El aluminio es un material ligero con una conductividad térmica y eléctrica alta, alta ductilidad y una resistencia a la corrosión alta con aplicaciones en múltiples industrias como la aeroespacial, la de la construcción, y la automotriz. La soldabilidad de una aleación es un buen indicador para su compatibilidad con los procesos de manufactura aditiva. Las aleaciones de aluminio no son muy soldables pero son fáciles de maquinar. Además, han demostrado una baja procesabilidad con láseres debido a su alta reflectividad y su baja viscosidad en la fase de fusión. Como resultado, el aluminio no ha sido un material de interés en la investigación de manufactura aditiva en comparación con otros grupos de aleaciones como titanio, níquel y hierro.
No obstante, dados los beneficios que la manufactura aditiva de aluminio ofrece, como estructuras ligeras para la aviación, se han registrado esfuerzos crecientes para optimizar los parámetros de procesamiento en los procesos de PBF y DED. Hasta ahora la principal aleación de aluminio empleada en la manufactura ha sido la AlSi10Mg; sin embargo, la posibilidad de imprimir AlSi12, AlSi9Mg, AlSi7Mg0.3 y AlSiMg0.75 ha sido demostrada. Filamentos de Al-Cu y Al-Sc han sido utilizados con el proceso de EB-DED.
Metales Preciosos
Anillos de Oro y Platino por VENTURY. Fuente: Wikimedia Commons.
En el caso de la impresión 3D de metales preciosos hay 2 enfoques, la manufactura directa y la manufactura indirecta. La manufactura indirecta se refiere a la fabricación de un patrón que luego es utilizado para hacer un molde de función, esto a grandes rasgos. Mientras que en el caso de la manufactura directa nos referimos a la fabricación de la pieza final desde un modelo de referencia, nos vamos a enfocar en la segunda para esta sección.
Los metales preciosos son utilizados en la manufactura aditiva debido a sus propiedades especiales. Además de la industria de la joyería, también son importantes en la industria biomédica para la manufactura de implantes por su buena biocompatibilidad. Sus propiedades físicas extraordinarias, como su elevada resistencia inclusive en altas temperaturas y un comportamiento estable con temperaturas fluctuantes les dan un lugar predestinado en la industria aeroespacial. Los metales
preciosos utilizados son los denominados metales nobles entre los cuales son utilizados el platino (Pt), Rodio (Rh), Iridio (Ir), Paladio (Pd), Plata (Ag) y Oro (Au) así como algunas aleaciones personalizadas tales como PtRh20, PtIr50, Plata esterlina (o Plata Ley .925) y Oro rojo. Se suelen procesar por impresoras de manufactura aditiva que utilizan los procesos de EBM (Electron Beam Melting) y SLM (Selective Laser Melting).