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Cosas que debes saber para los usuarios de impresoras 3d

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Para algunos ingenieros, las impresiones en 3d puede estar llegando en una carrera no deseada. Presionados por las fuerzas de gestión como la fabricación aditiva (AM), reduciendo un ensamblaje de cien partes en una parte, o fabricando partes muy ligeras con sólo pieles sobre celosías, los ingenieros están sometiendo los componentes impresos en 3D y procesos en el microscopio y, en algunos casos, han encontrado fallos.

La forma dominante de la impresión 3D de metales es la fusión de lechos de polvo, en la que una fuente de energía, un láser en el caso de la fusión selectiva de láser (SLM) o un haz de electrones en la fabricación de haces de electrones (EBM) Punto por punto, hasta que un objeto esté completo. Los sistemas de fusión en lecho de polvo tienen mecanismos para controlar la fuente de energía y la distribución de polvo.

La deposición de energía dirigida (DED) y el chorreo con aglutinante también se utilizan para imprimir objetos metálicos en 3D. En el caso del primero, se introduce materia prima de polvo o de alambre metálico en una fuente de energía. En el caso de este último, se deposita un aglutinante líquido sobre un lecho de polvo metálico. Una vez completada la impresión, el objeto es tratado térmicamente y sinterizado en un horno.

En el proceso de impresión 3D de metal, pueden ocurrir una serie de problemas que los operadores de la máquina intentan evitar. Estos incluyen porosidad, estrés residual, densidad, deformación, craqueo y acabado superficial.

Acabado superficial

Antes de que una pieza metálica impresa en 3D llegue al piso de la sala de exposición oa la cámara de combustible de un motor, ya ha sido sometida a un proceso posterior significativo en forma de mecanizado CNC, granallado o chorreado con chorro de arena. Esto se debe a que el proceso de impresión en 3D de metal es muy accidentado cuando se trata de acabado superficial.

Cercana a la red que deben ser mecanizadas CNC para cumplir con las especificaciones al imprimirlas; Sin embargo, las piezas de fusión del lecho de polvo están algo más cerca de su forma final cuando se producen. 

Sin embargo, el acabado superficial sigue siendo áspero. Para reducir esto, se pueden imprimir partículas más finas de polvo y espesores de capa más finos.

Esto, sin embargo, aumenta el costo del material. Por lo tanto, puede haber una compensación entre el acabado superficial y el costo. Debido a que todas las piezas de fusión de lecho de polvo se refinarán según las especificaciones durante el post-procesado, a veces tiene más sentido económico usar tamaños de partícula ligeramente mayores de todos modos.

Esto también significa que el acabado de la superficie es menos importante que algunos de los otros problemas que pueden ocurrir en la impresión 3D de metal, ya que la pieza se someterá a algún nivel de post-procesamiento, independientemente de lo lisa o rugosa que sea la parte final.

Porosidad

La porosidad se produce cuando se forman cavidades muy pequeñas dentro del cuerpo de una parte cuando se está imprimiendo. Esto puede ser causado por el proceso de impresión 3D en sí o incluso del polvo utilizado en el proceso. Estos agujeros microscópicos reducen la densidad total de la pieza y pueden conducir a grietas y fatiga.

Durante el proceso de atomización del polvo, pueden formarse bolsas de gas dentro de la materia prima del polvo, que se transferirá entonces a la parte final. Por esta razón, es necesario comprar materiales de un proveedor de renombre.

Más a menudo, los poros pueden ocurrir dentro de una parte debido al proceso de impresión 3D mismo. Cuando no se ha aplicado suficiente potencia, la intensidad del láser es demasiado baja, por ejemplo, las partículas metálicas pueden no fundirse adecuadamente. Por otra parte, cuando se utiliza demasiada potencia, se produce un fenómeno conocido como eyección de salpicaduras, en el que el metal fundido vuela fuera del depósito de fusión y hacia áreas adyacentes.

También se pueden formar poros cuando las partículas de polvo son mayores que el espesor de la capa de una pieza o si el polvo está demasiado lleno. También puede ocurrir si el metal fundido no fluye adecuadamente en la región de fusión deseada.

Para resolver estos problemas, la mayoría de los operadores de máquinas básicamente tienen que afinar sus máquinas para un determinado material y trabajo de impresión. Los parámetros de la máquina, como la potencia, el tamaño del punto y la forma de un láser, se modificarán para un determinado material y trabajo de impresión hasta que se minimice la porosidad.

La porosidad también se puede reducir en los procesos de fusión de lecho de potencia mediante el uso de un patrón de “exploración de isla” empleado por el láser. Este patrón de tablero de ajedrez cuenta con rellenos unidireccionales alternados para reducir los gradientes de temperatura distribuyendo el calor.

En SLM, la forma del láser se puede modificar para reducir la eyección de salpicaduras. Conocido como “conformación de pulso”, es posible calentar el área de fusión gradualmente. Para EBM, las partículas de polvo pueden ser expulsadas del lecho de polvo por la carga eléctrica. Esto puede reducirse explorando rápidamente el lecho de impresión y el haz difuso para realizar la pre-fusión del polvo.

Jim Gaffney, director de laboratorio de metal aditivo / DMLS en Forecast 3D , dio este consejo para reducir la porosidad: “Con el proceso SLM, la densidad de más de 99 por ciento se puede lograr con materias primas de calidad, parámetros de construcción adecuados y laboratorio de máquinas ambientalmente controlado. El tratamiento de prensado isostático en caliente como un post-proceso puede ayudar en la eliminación de cualquier porosidad restante en las partes finales. ”

También puede ser posible infiltrar partes de fusión de lecho de polvo con otro material, tal como bronce. Sin embargo, el uso de materiales auxiliares afectará naturalmente a la química de los metales primarios, pudiendo perturbar potencialmente la aplicación deseada de la pieza en primer lugar.

Densidad

La porosidad de una pieza está inversamente relacionada con su densidad. Cuanto más poros tiene una parte, menos denso es y más probable es experimentar fatiga o agrietarse bajo presión. Para aplicaciones críticas, se requiere una densidad superior al 99 por ciento.

Además de controlar la porosidad a través de los métodos mencionados anteriormente, la distribución del tamaño de partícula puede ayudar a aumentar la densidad de una pieza impresa. Las partículas esféricas no sólo mejorarán la fluidez del polvo, sino que también pueden mejorar la densidad. Además, una distribución más amplia del tamaño de partícula permite que las partículas finas llenen espacios entre partículas más grandes, dando por resultado una densidad más alta. Desafortunadamente, esto puede disminuir la fluidez del polvo.

La capacidad de flujo es necesaria para asegurar una capa de polvo uniforme, densamente empaquetada, que, como usted puede suponer, afecta tanto a la porosidad como a la densidad de una pieza impresa en 3D. Cuanto más apretada esté una capa, más denso y menos poroso será el objeto final.

Jack Beuth , profesor del departamento de ingeniería mecánica y director del CMU NextManufacturing Center de la Carnegie Mellon University, fue capaz de arrojar luz sobre los avances en la definición de los parámetros asociados con la porosidad y la densidad en piezas de metal 3D impresas.

“La densidad máxima (que se traduce en porosidad mínima) es importante, ya que los fabricantes avanzan hacia la fabricación de piezas que serán sometidas a cargas cíclicas (fatiga) en sus aplicaciones”, explicó Beuth. “En la investigación llevada a cabo dentro de nuestro NextManufacturing Center , hemos demostrado que la porosidad de una variedad de fuentes pueden ser controlados y efectivamente eliminados mediante la manipulación de AM variables de proceso. No hay un proceso que sea particularmente mejor para evitar la porosidad que otros, pero para cada proceso hay combinaciones de variables de proceso (las definimos como una “ventana de procesamiento”) que lo hacen.

Estrés residual

El estrés residual es el resultado del calentamiento y enfriamiento, expansión y contracción, que ocurre durante el proceso de impresión 3D de metal. Cuando la tensión residual excede la resistencia a la tracción del material de impresión o sustrato, pueden producirse defectos, tales como craqueo en la parte o deformación del sustrato.

La tensión residual se encuentra en su mayor concentración en la interface entre la pieza impresa y el sustrato sobre el que se adhiere. El esfuerzo es más compresivo en el centro de la construcción y la tracción en el borde de la construcción.

Se implementan estructuras de soporte para reducir parte del estrés residual porque tendrán una temperatura más alta que el sustrato solo. Una vez que se extrae la pieza, la tensión residual se alivia, pero la pieza puede deformarse en el proceso.

Los investigadores del Lawrence Livermore National Laboratory han demostrado que un método para reducir el estrés residual es mediante la disminución de la longitud del vector de escaneo láser, en lugar de confiar en un escaneo láser continuo, para regular las fluctuaciones de temperatura. La rotación del vector de exploración láser en relación con la sección más grande de la pieza también puede ayudar.

Otro método para reducir la tensión residual es a través del tratamiento térmico del sustrato y calentar el material antes de que sea golpeado por la fuente de energía. Debido a una temperatura de funcionamiento más baja, el precalentamiento del sustrato es más frecuentemente posible con EBM que con SLM o DED.

Con sede en el Centro de Competencia de Impresión Metal 3D de Bremen, Alemania, Ingo Uckelmann es el director técnico de la impresión 3D de metal para el servicio de impresión en 3D y la compañía de software Materialize. Uckelmann explicó que es necesario controlar el estrés residual en las piezas impresas en 3D de metal en tres etapas diferentes, “durante la preparación de los datos, durante el proceso de impresión real y luego después de que se construyan las piezas”.

Utilizamos Materialize Magics durante nuestra preparación de datos para elegir una orientación óptima de la construcción y así evitar deformaciones relacionadas con el deformidad o más tarde, dijo Uckelmann. Magics también ayuda a anclar firmemente las piezas a la plataforma de construcción y utiliza elementos de soporte volumétrico para conducir el calor de manera efectiva.

Uckelmann señaló que las estructuras de soporte juegan un papel importante pero “algo contraintuitivo” en el proceso de impresión 3D de metal. “Por un lado, necesitan contrarrestar las tensiones generadas en el proceso de AM metálico y mantener la pieza en su lugar, mientras que, por otro lado, eliminan el calor generado por el proceso, ya que el exceso de temperaturas locales puede conducir a una mala superficie Calidad y / o propiedades mecánicas deficientes “, dijo Uckelmann. “Magics utiliza estructuras de soporte híbridas patentadas para reconciliar estos dos roles”.

Entonces, durante el proceso de impresión, usamos el software de comunicación de la máquina -el Materialize Build Processor- para dividir las piezas en un casco y un núcleo”, continuó Uckelmann. “Cada uno se construye con una estrategia de exploración diferente. Los procesadores de compilación también pueden asignar diferentes estrategias de exploración a diferentes tipos de estructuras de soporte.

Por ejemplo, las estructuras de soporte pueden ser escaneadas cada dos capas, acelerando el proceso de escaneado y reduciendo el estrés. Después del proceso de impresión, como tercera capa de protección contra deformaciones relacionadas con el estrés, usamos el tratamiento térmico en todas las piezas metálicas impresas en 3D.

Agrietamiento

Además de saltar de los poros dentro de una parte, puede producirse craqueo cuando el metal fundido se solidifica o durante el calentamiento adicional de una zona. Si la fuente de energía es demasiado fuerte, puede producirse tensión durante el proceso de solidificación.

La delaminación también puede ocurrir, dando lugar a grietas entre capas. Esto puede ocurrir como resultado de que el polvo no funde suficientemente o capas por debajo de la refundición de la masa fundida. Algunas grietas pueden ser reparadas a través de post-procesamiento, pero la delaminación no es una de ellas. En su lugar, el calentamiento del substrato puede ser implementado para reducir este problema.

Beuth también fue capaz de hablar de cómo el craqueo puede ocurrir en la impresión 3D de metal. Señaló que el agrietamiento y su efecto sobre el rendimiento de las piezas no se limitan a la AM, sino que son preocupaciones en el moldeo tradicional y otros métodos de procesamiento de metales.

Por regla general, no vemos rajaduras que ocurren durante el procesamiento de AM para sistemas de aleación que son apoyados por fabricantes de máquinas.

Sin embargo, como los usuarios comienzan a experimentar con la fabricación de componentes de aleaciones no soportadas, más frágiles, difíciles de soldar, el agrietamiento puede ser una preocupación. Similar al control de la porosidad, el agrietamiento durante el procesamiento puede ser reducido o eliminado manipulando variables del proceso. Este es un área activa de investigación en la comunidad AM.

A medida que se produce el agrietamiento durante el uso del componente, como en el caso de la carga por fatiga.

La modulación de las variables del proceso AM puede controlar en gran medida tales defectos. Un elemento importante a tener en cuenta es que no es necesario eliminar todos los poros o defectos en una pieza fabricada. Lo importante es saber qué poros o defectos pueden existir. Si eso se conoce con confianza, los ingenieros pueden tenerlo en cuenta en sus diseños de componentes y aún fabricar piezas confiables y seguras.

Desvanicimiento

Para asegurarse de que un trabajo de impresión empiece correctamente, las capas iniciales de una impresión se fusionan con un sustrato que debe retirarse mediante mecanizado CNC una vez que se haya completado la impresión.

Sin embargo, si el esfuerzo térmico del sustrato excede la resistencia del material de sustrato, el sustrato comenzará a deformarse, provocando finalmente que la propia pieza se deforme y potencialmente haga que el recoactivo de polvo choque con la pieza.

Se trata de una serie de factores térmicos que van en el proceso, aún más cuando usted tiene diferentes grosores de material. Así que tendrás estrés adicional. Tienes un montón de cambios estatales que ocurren rápidamente. A veces, podría ser que la parte se va a arrancar de los soportes o también se llama anclas, haciendo que se separe.

Podría ser que usted tiene bastantes anclas y el tirón está en la plataforma.  Literalmente, puede empezar a retorcer la plataforma, no como lo esté construyendo, sino cuando libera esa plataforma de la máquina o pasa a través de procesamiento secundario.

Por lo tanto, para evitar la deformación, es necesario colocar el número ideal de estructuras de soporte en las ubicaciones correctas. Esto puede ser difícil de determinar sin realizar pruebas y errores con cada nueva geometría que se imprime.

Existen soluciones de software en desarrollo, como el software de vista previa de impresión creado por 3DSIM.

El software Inspector de Materialize también puede utilizarse para realizar operaciones de control de calidad en la impresión 3D de metal mediante la acumulación de conocimientos de proceso asociados a una máquina.

Vincent Wanhu Yang, gerente de producto de Inspector en Materialize, explicó: En Materialize, notamos la necesidad de un control de calidad más detallado, por lo que nuestro software Inspector procesa pilas de imágenes de construcción para aumentar el conocimiento del proceso del usuario e indicar áreas que podrían Han sido afectados por warpage.

Al realizar un análisis de causa raíz y comprobar los vectores, el usuario puede, por ejemplo, detectar que faltaban estructuras de soporte, lo que causaba deformación. Comprender el proceso de construcción es esencial para lograr una construcción de metal exitosa la próxima vez.

Otros problemas

Otras distorsiones, como la hinchazón o el derretido, pueden ocurrir durante el proceso de impresión 3D de metal. La hinchazón tiene lugar cuando el metal solidificado se eleva sobre el polvo.

De forma similar, se crean bolas de fusión cuando el material se solidifica en una forma esférica en lugar de capas sólidas. Esto es causado por problemas relacionados con la tensión superficial conectados al pool de fusión y puede ser mitigado controlando la relación de longitud a diámetro de la piscina de fusión a menos de 2 a 1.

La exposición al oxígeno ya la humedad puede hacer que las aleaciones de metal cambien la composición. Por ejemplo, a medida que el oxígeno aumenta en titanio Ti-6Al-4V, el contenido de aluminio puede disminuir.

Esto es particularmente cierto cuando se recicla polvo de metal. El reciclado también hace que las partículas de polvo se vuelvan menos esféricas y fluyan menos bien.

El proceso de impresión también puede ver cambios en la composición de aleaciones metálicas también. En una aleación metálica, en la que se combinan metales múltiples (es decir, aleados), el metal con el punto de fusión más bajo podría evaporarse potencialmente en el proceso.

En el caso de Ti-6Al-4V, un metal popular para la impresión 3D en el sector aeroespacial, el titanio tiene una temperatura de fusión mucho más alta que el aluminio, y es posible alterar la composición del material durante el proceso de impresión 3D.

Bill Bihlman, fundador de la consultora de gestión aeroespacial Aerolytics, explicó: Si se pone demasiada energía, se puede vaporizar el aluminio.

También puede grabar a través de la capa adicional a continuación. Cada vez que recalentar y enfriar esa zona, afecta el estrés residual, y eventualmente degrada el material mismo.

Mejorando la impresión 3D

Como se podría adivinar de la lectura de este, evitando problemas en el metal AM todavía requiere una gran cantidad de conocimiento del proceso y ensayo y error.

Cada geometría altera las variables de la máquina, obligando a menudo a los operadores de la máquina a imprimir la misma pieza varias veces para finalmente superar problemas tales como deformación, craqueo y porosidad. Una vez completados con éxito, los componentes deben ser probados para asegurar que cumplen con los estándares apropiados.

Como también puede ser claro de leer esto, la industria está acumulando conocimiento sobre cada proceso de impresión 3D de metal. Las empresas que han clavado los parámetros de procesamiento de sus sistemas pueden no ser los primeros en explicar exactamente lo que hicieron para lograr resultados exitosos.

Hay lucha a la primacía por lo que los primeros motores de cualquiera de estas empresas que entran en ese espacio son capaces de diferenciarse”, explicó Bihlman.

Ellos están usando el hecho de que hay una curva de aprendizaje muy empinada y ésta es una frontera, y no están diseminando nada más que lo que tienen que hacer, lo cual no es mucho.

Una opción para acceder a algunos de estos conocimientos es unirse a una organización comercial, como America Makes, en la que los miembros industriales comparten datos entre sí a medida que investigan nuevas tecnologías y definen procesos.

Fuera de estas organizaciones están las instituciones de investigación que están publicando los datos públicamente. Además, entre los primeros motores del espacio industrial AM se encuentran compañías de software, como Materialise y 3DSIM, que están desarrollando soluciones de software para resolver problemas de impresión 3D de metal.

Por ahora, la frontera salvaje de la impresión 3D de metal sigue siendo indomable.

Una de las predicciones hechas por nuestro NextManufacturing Center es que dentro de cinco años, la capacidad de definir estas ventanas de procesamiento para eliminar efectivamente la porosidad será una práctica generalizada en la industria.

Capaz de capitalizar en el conocimiento adquirido de la impresión 3D del metal, pero la industria sí mismo será en conjunto.




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