10.3: Powder Bed
Fusion
Bajo este nombre se agrupan las
diferentes tecnologías que consiguen la fabricación 3D mediante la fusión de un
material en polvo, que se encuentra dentro de una cámara. Según sea éste
material (metales vs elementos cerámicos, cristales o plásticos) o según el
método por el que se consiga la solidificación de ese polvo tenemos las
diferentes tecnologías dentro de esta categoría.
Selective Laser Melting (SLM) y Direct Metal Laser Sintering (DMLS) son los nombres
que recibe la tecnología que emplea polvos metálicos, los cuales consigue
solidificar mediante un láser. La diferencia entre la tecnología SLM y la DMLS
es que mientras la primera funde completamente el polvo metálico, la segunda
emplea aleaciones (en lugar de un polvo metálico homogéneo del mismo metal) y
no funde todo el polvo, sino que consigue la unión de partículas que se funden
entre sí sin que todo el metal se funda completamente. En ambos casos, el
objeto fabricado es de un único material.
Su funcionamiento es el siguiente: En
una cámara llena de polvo metálico se tiene una plataforma, sobre la que
inicialmente hay una mínima capa de polvo. Mediante un láser se calienta el
polvo hasta alcanzar el punto de fusión del metal, dibujándose y produciendo
una primera capa. A continuación la plataforma se desliza un paso hacia abajo,
un nivelador extiende una nueva capa de polvo metálico por encima de la capa ya
fabricada, y se vuelve a iniciar el proceso, capa a capa hasta completar la
pieza.
Para facilitar que el metal se funda
fácilmente, el polvo metálico en el contenedor se mantiene a una temperatura
ligeramente por debajo del punto de fusión; así, al contacto con el láser cada
capa funde fácilmente, uniéndose a la anterior. Este hecho hace que sea
necesario esperar un tiempo relevante para enfriar el contenedor hasta poder
extraer la pieza terminada. Una vez enfriado, se extra la pieza y se limpia de
restos de polvo; el polvo sobrante puede reciclarse para un siguiente trabajo
en un alto porcentaje, superior al 50%.
Figura 94: Tecnologías
SLM/DMLS.
SLM no está disponible para todos los
metales, sólo para aquellos como acero, titanio, cromo y aluminio, que fluyen
correctamente al fundirse con el láser. Muchos otros metales no tienen en estado
líquido la necesaria fluidez para unirse las capas correctamente con tecnología
SLM, por lo que se emplean en su lugar aleaciones y tecnología DMLS.
Lógicamente, al fabricar piezas
metálicas, las tecnologías SLM/DMLS son usadas para la producción de piezas que
requieren una alta resistencia y tienen una alta complejidad de diseño; es por
tanto una tecnología con aplicaciones en la industria aeroespacial, la creación
de herramientas, dispositivos médicos o prototipos metálicos.
El acabado de la pieza es más o menos
rugoso dependiendo del grano del polvo metálico usado; cuanto más fino el polvo
mejor será el acabado. Al mismo tiempo, el uso de un polvo muy fino dificulta
el manejo del mismo durante todo el proceso, por lo que se busca un punto de
equilibrio entre ambas opciones. Si se requiere una superficie más suave, será
necesaria una fase de post-proceso para conseguirla.
Figura 95: Proceso
de fabricación SLS/DMLS.
Debido a las altas temperaturas
alcanzadas durante el proceso de impresión esta tecnología también tiene el
riesgo de posibles deformaciones / warping en piezas anchas.
Generalmente es necesario el uso de
soportes, bien para evitar estas deformaciones debidas al calor, bien para
permitir la fabricación de piezas con overhang, aunque la existencia del
polvo metálico alrededor de toda la pieza hasta el final del proceso puede
favorecer la sujeción de partes de la pieza en ángulos superiores a 45º.
Figura 96:
Impresora DMLS en funcionamiento
© Moreno Soppelsa | Dreamstime.com http://www.dreamstime.com/morenosoppelsa_info
Para garantizar una mejor resistencia
final, es también bastante típica una fase de tratamiento de calor posterior a
la fabricación, similar a la de otros procedimientos de fabricación
tradicionales, en la que se caliente y enfríe la pieza de forma controlada para
eliminar micro-defectos y homogeneizarla completamente.
Otro de los problemas de las
tecnologías DMLS/SLM es su alto coste en comparación con otras tecnologías de
fabricación 3D por lo que se limita su uso a aplicaciones con un alto nivel de
requerimientos.
Selective Laser Sintering (SLS) es el nombre de la tecnología empleada para la impresión 3D
de materiales no metálicos en Powder Bed Fusion. Su funcionamiento es el
mismo que SLM: un láser se encarga de ir fundiendo un polvo de material en la
capa superficial; una vez impresa esta capa, la plataforma se mueve hacia
abajo, se extiende una nueva capa de polvo mediante un nivelador (típicamente
de 0,1mm de espesor) y se continúa el ciclo hasta imprimir todo el objeto.
Figura 97: Esquema
de la fabricación SLS.
Sin embargo, aparte de emplear
materiales distintos, la tecnología SLS tiene una característica fundamental
que la diferencia de otras: debido a que el polvo es capaz de sujetar a las
capas superiores, esta tecnología no necesita soportes.
Este hecho la convierte en la
tecnología perfecta para figuras geométricas complejas. Además tiene un alto
grado de precisión (aunque no tanto como otras tecnologías) junto con una
naturaleza isotrópica: esto es, no sufre del problema de anisotropía.
La superficie de un objeto fabricado
por SLS es rugosa y mate, por lo que típicamente su fabricación suele llevar
aparejada una fase de post-proceso de lijado y/o pintado/lacado que perfeccione
su aspecto final, y que haga al material final no poroso.
Su principal problema es el alto
coste de la máquina SLS, mucho más alto que otras tecnologías, y los tiempos
necesarios de preparación de la máquina, calentamiento e enfriamiento del
polvo.
Aunque se emplean múltiples
materiales en SLS, los más usados son los termoplásticos derivados de la
poliamida (PA), que tienen buenas características finales. El más conocido de
todos ellos es el nylon. También se usan otros tipos de plásticos y cristales.
Figura 98: Un
objeto producido por SLS, aún en la cama de polvo. Foto: Pixabay.
Electron Beam Melting (EBM) es una tecnología de fabricación aditiva que es muy similar
a SLM, y -al igual que ésta- produce modelos muy densos a partir de polvo
metálico. La diferencia fundamental con SLM es que EBM emplea un haz de
electrones de alta energía en lugar de un láser para fundir el polvo metálico.
Figura 99: Esquema
de la fabricación EBM
En comparación con SLM, la tecnología
EBM es más rápida pero por contra lleva aparejada un mayor nivel de grano,
grosor de capa y peor acabado superficial.
Actualmente esta técnica está
disponible para un número limitado de materiales metálicos, siendo el Titanio
el más habitual.
Su principal aplicación es la
fabricación de piezas complejas de alta resistencia en la industria aeroespacial.