El paso del prototipo a prototipo funcional o pieza de serie supone un impulso en la actividad investigadora en nuevos materiales para estas tecnologías para las que hay que diseñar materiales específicos

El reto de la ingeniería de materiales en la impresión 3D

Laura Marín Perales, miembro del Comité Certificación Fabricación Aditiva de Cesol,

María Sierra Aramburu, especialista en Procesos Especiales de Fabricación y Fabricación Aditiva

13/05/2020

Los materiales dentro de la impresión 3D han sido los grandes olvidados hasta hace unos años. El paso del prototipo a prototipo funcional o pieza de serie ha supuesto un impulso en la actividad investigadora en nuevos materiales para estas tecnologías que suponen un nuevo método de producción para el que hay que diseñar materiales específicos para acercarnos a las propiedades de las piezas fabricadas por métodos tradicionales.

Laura Marín Perales, miembro del Comité Certificación Fabricación Aditiva de Cesol.

María Sierra Aramburu, especialista en Procesos Especiales de Fabricación y Fabricación Aditiva.

El diseño y caracterización de metales obtenidos por impresión 3D plantea nuevos retos, adicionales a los existentes en la industria del metal obtenido por procesos convencionales (forja, fundición), e incluso por procesos de fabricación aditiva convencionales (como por ejemplo la deposición de metal por TIG/MIG). Esto es debido a que la tecnología de impresión 3D utiliza como fuente de energía de fusión láseres, haz de electrones o en general fuentes de alta densidad de energía.

La anisotropía, la defectología y la rugosidad son los principales factores que se deben tener en cuenta al abordar el diseño de piezas que van a fabricarse usando esta tecnología.

El material depositado presenta anisotropía como consecuencia del gradiente térmico que se produce durante la deposición de las capas, que origina una estructura de grano orientada en el eje de crecimiento (crecimiento epitaxial). Esta característica supone un aumento de coste por el número de ensayos necesarios, pero puede suponer también un plus si se diseña para poder fabricar en la dirección más ventajosa

La anisotropía no se manifiesta sólo en la miscroestructura a escala de grano (y por tanto en las propiedades mecánicas y químicas) sino también en la textura del material y por tanto en propiedades físicas como el módulo elástico. Es por ello que el diseño tiene que tener en consideración el método de fabricación aditiva incluso a nivel de máquina y la orientación de la pieza en la cámara.

La defectología encontrada en material metálico obtenido por impresión 3D es similar a la de materiales obtenidos por otros procesos de fusión: microgrietas, porosidad por gas atrapado y faltas de fusión entre capas, pero el tamaño típico de los defectos es menor que el de procesos de fusión de mayor aporte térmico. Esto impide su detección mediante procesos de inspección no destructiva convencionales (inspección por líquidos penetrantes, rayos X, ultrasonidos, etc). La tomografía computacional ha demostrado ser útil en la detección de esta defectología, aunque no es eficaz en secciones gruesas y su aplicabilidad es dependiente en general de la geometría del componente. Por ello el control de calidad mediante la inspección metalográficas de piezas testigo es un procedimiento aún necesario, que encarece el producto final.

Las piezas solicitadas y sometidas a fatiga son las que se ven afectada su resistencia por la presencia de defectología y por la rugosidad superficial.

Es por ello que se está invirtiendo en el desarrollo de tecnología para mejorar la inspección tomográfica y en procesos de inspección no destructiva alternativos que puedan suplementarla o complementarla (corrientes inducidas, ultrasonidos, termografía, etc). También se está investigando en la integración de métodos de inspección en el proceso de deposición, lo que permitiría además monitorizar los parámetros en función de la detección de defectos.

Este proceso de fabricación produce una elevada rugosidad en superficies con orientaciones no favorables a la dirección de crecimiento. Piezas que requieran superficies de acabado fino o con secciones solicitadas a fatiga requieren un posprocesado o que desde el diseño se considere la reducción de propiedades a fatiga asociada a esta característica. Hay que tener en cuenta la dificultad de realizar acabados en ciertas superficies internas, habituales en muchas geometrías complejas que son de interés para la impresión 3D. El uso de flujos abrasivos o acabados mediante procesos químicos se está implantando ya en la industria.

La impresión 3D para componentes metálicos requiere un esfuerzo de concurrencia entre el diseño, la fabricación y el aseguramiento de la calidad del producto.

Se concluye por tanto que el uso de impresión 3D para componentes metálicos requiere un esfuerzo de concurrencia entre el diseño, la fabricación y el aseguramiento de la calidad del producto. Esfuerzo que sin duda se ve compensado no sólo por las conocidas ventajas de esta tecnología (reducción de peso y materia prima, optimización topológica, mejoras de funcionalidad, reducción de costes de fabricación en piezas pequeñas y complejas, fabricación de repuestos, etc.) sino también las propiedades del producto final.

Las propiedades mecánicas (límite elástico y tensión última de rotura) son comparables a las de material forjado y superiores a las de material de fundición. Las piezas solicitadas y sometidas a fatiga son las que se ven afectada su resistencia por la presencia de defectología y por la rugosidad superficial. La resistencia en ambientes corrosivos también se puede ver comprometida por estas características. Este tipo de componentes requieren por tanto un estricto control del proceso de fabricación y del producto final.

En los materiales plásticos tenemos idéntica problemática, la fabricación por capas hace que las piezas fabricadas sean anisotrópicas en el eje de construcción respecto a los ejes perpendiculares que conservan parte de las características del material caracterizado mediante probetas fabricadas por inyección de plástico.

Además, imprime al material una porosidad que no existe los métodos de fabricación tradicional, que va en detrimento de sus propiedades mecánicas sobre todo las referentes a la elasticidad del material (elongación a rotura, elongación yield).

Probetas fabricadas por inyección de plástico.

Por si esto no fuera suficiente hay tres tecnologías para plásticos donde los materiales se comportan de forma distinta:

SLA: materiales poliméricos que fotopolimerizan, es decir, que forman su cadena polimérica por acción del haz UV de la máquina, muy buenas propiedades estéticas. Materiales muy tenaces, frágiles y nada elásticos.
SLS: la técnica láser para polímeros, para materiales semicristalinos, los materiales amorfos no se comportan bien en esta técnica, esto hace que la gama de materiales poliméricos en esta técnica sea reducida, fundamentalmente PA12 y compuestos. Si indagamos un poco, en este material vemos que en el consumo mundial apenas el 0,02 % de los materiales plásticos y hay una ausencia casi nula de materiales tradicionales como el polipropileno, polietileno etc… En esta técnica a parte de la escasez de materiales, nos enfrentamos igualmente a la anisotropía de las propiedades de la pieza final, la rugosidad debida igualmente a la fabricación capa a capa. Otro aspecto a tener en cuenta en el aspecto estético es la monocromía de las piezas que fabricamos, incluso en un tratamiento posterior de coloración.
FDM: la técnica más comodity de todas, basada en la fusión del polímero, fundamentalmente para polímeros amorfos o de muy baja cristalinidad. Al igual que en la anterior y si cabe más acusado por ser una técnica mucho más lenta, se produce anisotropía en la pieza fabricada, porosidad y rugosidad. Es la única de las técnicas de impresión 3D que tiene una gama de materiales muy amplia pero que sus propiedades no van más allá del prototipado.

Filamentos plásticos para impresión 3D.

Los retos de los materiales en la impresión 3D de polímeros como hemos visto pasa por aumentar el catálogo de materiales de los llamados tradicionales diseñados específicamente para estos métodos de transformación, de los que obtener piezas con unas propiedades mecánicas lo menos anisotrópicas, menos porosas y con menos rugosidad superficial.