La tecnología de impresión 3D se basa en material en polvo para construir objetos capa por capa. Seleccionar el polvo adecuado es fundamental para la calidad de la pieza, las propiedades mecánicas, la precisión, la resolución de los detalles y el acabado superficial. Este artículo ofrece una visión general de los diferentes tipos de polvo utilizados en los principales procesos de impresión 3D, su composición, propiedades clave, aplicaciones y principales proveedores mundiales.
Visión general de proveedores de polvo para impresoras 3d
La impresión 3D, también conocida como fabricación aditiva, utiliza polímeros, metales, cerámicas o materiales compuestos en polvo como materia prima. En función de la tecnología y los materiales utilizados, los polvos pueden diseñarse con distribuciones específicas del tamaño de las partículas, morfología, características de flujo, puntos de fusión y otros atributos físicos y químicos adaptados al proceso de impresión.
Tipos de polvos para impresoras 3D
Varias tecnologías clave se basan en la fusión de lechos de polvo para fundir y solidificar selectivamente el material capa por capa para fabricar objetos 3D. Los procesos más populares y los polvos asociados son:
| Proceso | Materiales |
|---|---|
| Sinterización selectiva por láser (SLS) | Polvos termoplásticos como nailon, TPU, PEEK |
| Sinterización directa de metales por láser (DMLS) | Polvos metálicos como aluminio, titanio, aleaciones de acero |
| Fusión por haz de electrones (EBM) | Aleaciones de titanio, cromo-cobalto, acero inoxidable |
| Chorro aglomerante | Acero inoxidable, acero para herramientas, carburo de tungsteno |
| Estereolitografía (SLA) | Resinas fotopolímeras cerámicas en suspensión |
Composición de los polvos de polímero para SLS
El sinterizado selectivo por láser se basa en polvos poliméricos finos con una distribución del tamaño de partícula y una morfología controladas. Los materiales más comunes son:
| Polímero | Propiedades clave | Aplicaciones |
|---|---|---|
| Nylon 12 | Resistencia, flexibilidad | Prototipos funcionales, piezas de uso final |
| Nylon 11 | Alta resistencia, resistencia al calor, biocompatibilidad | Aeroespacial, automoción, medicina |
| TPU | Elasticidad, resistencia a la abrasión | Piezas flexibles, artículos deportivos |
| PEEK | Resistencia química y a temperaturas extremas | Aeroespacial, petróleo/gas, médico |
El nailon 12 es el polímero en polvo más utilizado para el sinterizado por láser. La composición incluye polímero de nailon base, agentes de flujo y otros aditivos:
Composición del polvo de nailon 12
| Componente | Función |
|---|---|
| Polímero base | Proporciona propiedades mecánicas, comportamiento de fusión |
| Agentes de flujo | Mejora el flujo del polvo y reduce la aglomeración |
| Aditivos antienvejecimiento | Mejorar la estabilidad térmica y evitar la degradación del material con el paso del tiempo |
Tipos de polvos metálicos para procesos AM
Entre los polvos metálicos más utilizados en la fusión de lechos de polvo y la inyección de aglutinantes se incluyen:
| Material | Aleaciones/Grados | Propiedades | Aplicaciones clave |
|---|---|---|---|
| Aluminio | AlSi10Mg, AlSi7Mg | Ligero, resistente a la corrosión | Aeroespacial, automoción |
| Titanio | Ti-6Al-4V, Ti 6242 | Elevada relación resistencia/peso | Aeroespacial, implantes médicos |
| Aceros inoxidables | 316L, 17-4PH, 420 | Resistencia a la corrosión/al calor | Bombas, válvulas, herramientas. |
| Aceros para herramientas | H13, P20, D2 | Dureza, resistencia al desgaste | Moldes de inyección, matrices |
| Cromo cobalto | Co28Cr6Mo | Biocompatibilidad, resistencia a la fatiga/corrosión | Dental, médico |
| Inconel | IN625, IN718 | Resistencia a altas temperaturas | Álabes de turbina, toberas de cohete |
Las aleaciones de titanio como Ti-6Al-4V se utilizan ampliamente para fabricar componentes estructurales resistentes y ligeros en los sectores aeroespacial, automovilístico y médico mediante DMLS y EBM.
Composición y producción de polvo metálico
La mayoría de los polvos metálicos comerciales se producen mediante un proceso de atomización con gas o agua. La composición incluye un elemento de aleación base, como titanio o aluminio, y otros ingredientes de aleación:
Composición del polvo Ti-6Al-4V
| Elemento | Peso % | Propósito |
|---|---|---|
| Titanio (Ti) | Saldo | Elemento principal |
| Aluminio (Al) | 5.5-6.75% | Fortalecimiento |
| Vanadio (V) | 3.5-4.5% | Refinamiento del grano |
| Hierro (Fe) | < 0,3% | Impureza |
Otros métodos habituales de producción de polvos metálicos de AM son la atomización por plasma, la electrólisis y la reducción química. Estos métodos influyen en las características del polvo, como la forma de las partículas, la distribución del tamaño, la fluidez, la densidad aparente y la microestructura.
Polvos cerámicos y compuestos
La cerámica y los materiales compuestos también pueden procesarse mediante tecnologías de lecho de polvo para crear componentes de alto rendimiento:
| Material | Propiedades | Aplicaciones |
|---|---|---|
| Alúmina | Gran dureza, resistencia a la temperatura y a la corrosión | Herramientas de corte, piezas de desgaste |
| Carburo de silicio | Dureza extrema, resistencia al choque térmico | Corte de metales, abrasivos |
| Polímero PEEK | Rendimiento termomecánico | Compuestos aeroespaciales |
| Materiales compuestos de fibra continua | Elevada relación resistencia/peso | Componentes estructurales |
Los polvos de resina cerámica fotocurables que contienen nanopartículas de dióxido de silicona suspendidas en fotopolímero se utilizan habitualmente en impresoras estereolitográficas de alta precisión.
Características y especificaciones del polvo
Los polvos para impresoras 3D deben cumplir especificaciones estrictas en cuanto a distribución del tamaño de las partículas, morfología, velocidad de flujo, densidad y microestructura. A continuación se muestran los valores típicos:
Especificaciones del polímero en polvo
| Parámetro | Valor típico |
|---|---|
| Tamaño de las partículas | 15-150 μm |
| Forma de las partículas | Esférica |
| Densidad aparente | 0,35-0,55 g/cm3 |
| Punto de fusión | 172-185°C (nailon 12) |
Especificaciones del polvo metálico
| Parámetro | Valor típico |
|---|---|
| Tamaño de las partículas | 15-45 μm |
| Densidad aparente | 2,5-4,5 g/cm3 |
| Caudal | 25-35 s/50g |
| Contenido de óxido | < 0,4 peso.% |
| Microestructura | Esférica totalmente densa |
Los fabricantes proporcionan hojas de datos de materiales en polvo en las que se especifican las propiedades físicas, informes de pruebas de composición química, análisis de distribución del tamaño de las partículas, mediciones del caudal e imágenes de microscopía electrónica de barrido.
Aplicaciones de los polvos de impresión 3D
Los polvos de polímeros y metales permiten la producción de componentes de uso final en diversas industrias. Algunos ejemplos son:
Piezas de polímero
- Prototipos funcionales
- Conductos y carcasas para automóviles
- Productos de consumo, artículos deportivos
- Componentes interiores aeroespaciales
Piezas metálicas
- Piezas estructurales y motores de aeronaves
- Álabes de turbina, rodetes
- Implantes y dispositivos biomédicos
- Moldes de inyección, herramientas de corte
Los polvos de impresión 3D facilitan geometrías complejas con propiedades mecánicas mejoradas inalcanzables mediante los procesos tradicionales de fundición o mecanizado.
Proveedores de polvo
Entre los principales proveedores mundiales de polvos adaptados a las principales tecnologías de impresión 3D figuran:
Polvos de polímero
| Empresa | Materiales |
|---|---|
| BASF | Ultrasint PA6, PA11, PA12, TPU |
| Henkel | Loctite PA12, PP, TPE |
| EOS | PA2200, PA3200GF |
| Evonik | Polímeros Vestosint |
Polvos metálicos
| Empresa | Materiales |
|---|---|
| AP&C | Aleaciones de titanio, níquel y cobalto |
| Sandvik Osprey | Aceros inoxidables, aceros para herramientas, superaleaciones |
| Praxair | Titanio, aluminio, cromo cobalto |
| Aditivos GE | Aceros inoxidables, CoCr, Inconel |
Estas empresas ofrecen una amplia gama de calidades de material adaptadas a SLS, DMLS, EBM, inyección de aglutinante con distribuciones de tamaño de partícula, formas, niveles de pureza y químicas de aleación especializadas.
Análisis del coste del polvo
El coste del material es un factor importante a la hora de adoptar la AM metálica. El precio del polvo depende de la composición, el método de producción, la calidad y el volumen de pedidos:
| Polvo | Precios |
|---|---|
| Nylon 12 | $60-100/kg |
| Aluminio AlSi10Mg | $50-150/kg |
| Titanio Ti-6Al-4V | $200-500/kg |
| Níquel IN625 | $100-250/kg |
| Cromo cobalto | $150-600/kg |
Los polvos de polímero pueden ser 40-90% más baratos que las aleaciones aeroespaciales exóticas. El reciclaje del polvo usado mediante tamizado y mezcla con existencias frescas ayuda a reducir los costes de material.
Ventajas e inconvenientes de la AM en polvo
| Ventajas | Limitaciones |
|---|---|
| Geometrías complejas inalcanzables con otros procesos | Velocidades de construcción generalmente más lentas que los métodos tradicionales |
| Ensamblajes consolidados, menor número de piezas | Post-procesado de eliminación/limpieza de polvo |
| Aleaciones personalizadas, mezclas compuestas | Propiedades del material anisotrópico |
| Reducción del mecanizado en comparación con los métodos sustractivos | Problemas de porosidad en algunos procesos láser/de haz electrónico |
Resumen
En resumen, la fusión de lecho de polvo y la inyección de aglutinante se basan en polvos plásticos, metálicos, cerámicos o compuestos especialmente diseñados con tamaño, forma, composición y microestructura personalizados. Las principales opciones de polímeros son el nailon 12, el PEEK y el TPU, mientras que los metales más comunes son el aluminio, el titanio y las aleaciones a base de níquel. Los proveedores mundiales ofrecen una amplia selección de materiales validados para los principales sistemas de AM. La elección de polvos específicos para cada aplicación que cumplan los requisitos mecánicos y las propiedades es fundamental para el rendimiento de la pieza.
Preguntas frecuentes
¿Cuáles son los principales tipos de polvos de impresión 3D?
Las cuatro categorías principales son plásticos como el nailon 12 y el PEEK, metales como el aluminio, el titanio y las aleaciones de acero para herramientas, cerámicas como la alúmina o el carburo de silicio, y compuestos de polímero/fibra.
¿Qué tamaño de polvo es ideal para los procesos de AM?
Un rango típico es de 15-100 micras para metales y de 15-150 micras para polímeros. La distribución de tamaños influye en la densidad, la fluidez, la rugosidad superficial, la precisión y la velocidad.
¿Qué métodos de producción se utilizan para fabricar polvos metálicos?
Entre las técnicas habituales se encuentran la atomización con gas inerte, argón o nitrógeno, y la atomización con agua. Algunas aleaciones especializadas se basan en la atomización por plasma, la electrólisis o los procesos químicos.
¿Cómo se evalúa la aptitud de los polvos para la AM?
Los parámetros clave son la distribución del tamaño de las partículas, el caudal, la densidad aparente, la morfología y la microestructura. Los informes de certificación de materiales confirman la composición química, el contenido de gas/óxido y las trazas de impurezas.
¿Qué tratamiento posterior necesitan las piezas de polvo impresas en 3D?
Dependiendo del material y del proceso, los pasos habituales incluyen la eliminación de soportes, el granallado, el recocido, el HIP y el mecanizado para conseguir la precisión dimensional y los acabados deseados.
¿Cuáles son los precios habituales de los polvos metálicos de AM a granel?
Las muestras de 1-5 kg cuestan $100-300/kg. Los pedidos de 10-100 kg oscilan entre $60-250/kg. Los pedidos de gran volumen de más de 500 kg pueden alcanzar $30-150/kg para las aleaciones aeroespaciales y de herramientas más comunes.
¿Cómo afecta el polvo reciclado a la calidad de las piezas y a su rendimiento mecánico?
El reciclado repetido más allá de 2 ó 3 fabricaciones puede dar lugar a cambios en la distribución de tamaños, contaminación, acumulación de satélites, problemas de degradación del polvo que provocan una menor densidad y peores propiedades mecánicas. La mezcla de polvo fresco ayuda a solucionar estos problemas.
¿Qué mejoras se esperan en los futuros polvos metálicos?
Las principales áreas de interés son las aleaciones personalizadas, una mejor distribución del polvo y una mayor densidad de empaquetado para obtener construcciones más rápidas, una menor porosidad y una mayor densidad, lo que se traduce en mejores propiedades de los materiales y acabados superficiales.
