Guía completa: La impresión 3D de cobre, ¡te explicamos todo!

Conocido por su tono rojo-anaranjado, el cobre es un material metálico muy popular gracias a sus excepcionales propiedades físicas. Estas características lo han convertido en un elemento fundamental en diversas industrias, desde la electrónica hasta la creación de componentes finales. Con el avance de la impresión 3D, el cobre ha encontrado un nuevo campo de aplicación, permitiendo la creación de diseños complejos y personalizados que antes eran difíciles de lograr. Para entender mejor las propiedades de este metal, los beneficios que aporta en la impresión 3D de piezas y los principales fabricantes del mercado, sigue leyendo esta guía.

Características del material

El cobre (Cu), con número atómico 29, es un elemento químico. Se trata del tercer metal más usado en el mundo, por detrás del hierro y el aluminio, y una opción muy atractiva en el campo de la fabricación aditiva. La popularidad del cobre proviene de sus interesantes propiedades, y más concretamente, de su conductividad. Gracias a su buena conductividad eléctrica, ductilidad y maleabilidad, es uno de los metales más implementados para la fabricación de componentes eléctricos. Si nos centramos en su uso con la impresión 3D, encontramos diferentes aleaciones a base de cobre, pero con ligeras variaciones entre sí. A continuación, listamos algunas de las más populares y sus características específicas:

• Cu (Cobre puro): Excelente conductividad eléctrica y térmica, usado en componentes eléctricos.
• CuCrZr (Cobre-Cromo-Zirconio): Mejora la resistencia a la deformación y la dureza.
• CuCP (Cobre fosforado): Resistente a la corrosión y con buena ductilidad.
• CuSn (Cobre estañado): Mejora la resistencia a la corrosión y la dureza.
• CuNi30 (Cobre-Níquel 30): Proporciona resistencia a la corrosión y propiedades mecánicas mejoradas.

Cobre en polvo. (Créditos: Inoxia)

La extracción de este material comienza en las minas (ya sean a cielo abierto o subterráneas), donde se extrae el mineral de cobre de la tierra. Una vez extraído, el mineral se tritura y se muele para romperlo en partículas más pequeñas, facilitando la liberación del cobre de otros minerales. Más tarde, se llevan a cabo una serie de procesos, como el concentrado, la fundición, o la refinación electroquímica, que transforman el mineral crudo en el metal y sus aleaciones con mayor o menor porcentaje de pureza. En esta fase de transformación se definirá la forma del cobre (polvo o alambre), para su uso con la fabricación aditiva.

Impresión 3D con cobre

Como hemos mencionado, el cobre ofrece una buena resistencia a la corrosión, lo que prolonga la vida útil de las piezas impresas en ambientes agresivos. Además, con la adecuada optimización del proceso, puede mostrar propiedades mecánicas competitivas, incluyendo dureza y resistencia al desgaste. Sin embargo, imprimir en cobre también conlleva dificultades. Por ejemplo, su punto de fusión relativamente bajo puede complicar la fusión del material y afectar la calidad de la unión entre capas. Además, la alta conductividad térmica del cobre puede provocar problemas de deformación durante el enfriamiento, lo que impacta en la precisión dimensional de las piezas. Aún así, este metal utilizado en la fabricación aditiva permiten crear piezas para las industrias más exigentes.

Hoy en día existen muchas tecnologías de impresión 3D compatibles con el cobre, siendo las más comunes las basadas en sistemas de polvo. En primer lugar, la fabricación aditiva por lecho de polvo de metal (L-PBF, DMLS o SLM) es un proceso utilizado para crear piezas finales y prototipos de casi todas las aleaciones metálicas, entre las que se encuentra el cobre. La calidad, resistencia y densidad de esta tecnología son muy superiores a las de las técnicas tradicionalmente utilizadas. Similar a este sistema, encontramos la fusión por haz de electrones, también llamada EBM (Electron Beam Melting), una opción compatible con aleaciones de cobre, que es ideal para la creación de prototipos de gama alta y la producción de pequeñas series de metal.

Piezas de cobre impresas en 3D. (Créditos: EOS)

Siguiendo en esta línea, con la tecnología de inyección de aglutinante (binder jetting), que trabaja material en polvo, también es posible crear piezas de cobre. Aunque el cobre puro pueda ser un material difícil de procesar a alta densidad con este método de impresión 3D de metal, algunas empresas han desarrollado sus propias soluciones para que esto sea posible. De esta forma, podemos aprovechar la libertad geométrica y los menores costes de la fabricación aditiva, al tiempo que se crean piezas con este metal conductor.

Otra de las tecnologías de fabricación aditiva compatibles con el cobre es la deposición de energía directa (DED). En este caso, y dependiendo de la máquina, el metal se puede encontrar en forma de polvo o alambre. A diferencia de otras tecnologías de metal, la impresión 3D por DED se basa en la adición de material a través de un proceso de fusión en tiempo real, lo que permite una gran flexibilidad en la creación de geometrías complejas y la posibilidad de reparar componentes existentes.

Por último, pero no por ello menos importante, hay dos tecnologías que por lo general suelen utilizarse con materiales plásticos, pero que, en algunas excepciones, pueden crear piezas de cobre. Estas son la impresión 3D por extrusión (FFF/FDM) y la fotopolimerización en cuba. Para la primera de ellas, Markforged ha desarrollado soluciones de extrusión capaces de trabajar con alambres de metal. Este es el caso de la Metal X, una impresora 3D FFF capaz de procesar el polvo de metal, capturado en un aglutinante de plástico, para luego moldearlo en la forma de la pieza capa a capa. Tras la impresión, será necesario lavar la pieza e introducirla en un horno para eliminar térmicamente el aglutinante restante y sinterizar el polvo en la pieza final de cobre. Con respecto a la segunda técnica, empresas como Holo, Admatec o Incus han desarrollado sus propias impresoras 3D de metales, compatibles con el cobre y basadas en la fabricación por litografía líquida.

Principales aplicaciones

Vistas las propiedades tan interesantes del cobre, era de esperar la amplia variedad de aplicaciones destacadas con este metal. Independientemente de la tecnología aditiva utilizada, está claro que el cobre destaca por su alta conductividad térmica y eléctrica. Por ello, muchas empresas recurren a este material para la creación de componentes que requieren una buena conductividad eléctrica, como bobinas de inducción, bobinados de motores de vehículos eléctricos, bobinas electromagnéticas, guías de ondas y antenas, etc.

Además, es un metal realmente útil para componentes de disipación e intercambio de calor, como placas de refrigeración, disipadores y tubos de calor, intercambiadores de temperatura, dispositivos de refrigeración, insertos de moldes de refrigeración conformados, etc. Por último, en la industria aeroespacial, este material metálico se suele utilizar para los sistemas de propulsión y piezas de motores de los cohetes.

Fabricantes de máquinas y cobre

Según la tecnología que se utilice para crear piezas de cobre, este material metálico se puede encontrar en diferentes formas (principalmente polvo y alambre). Actualmente existen varias empresas que ofrecen sus aleaciones de cobre al mercado de la fabricación aditiva. Entre ellas encontramos a Sandvik, Höganäs, Safina y Mitsubishi Materials, pero también EOS, 3D Systems y Elementum.

Existen muchas empresas del mercado desarrollando aleaciones de cobre, pero también soluciones de fabricación aditiva compatibles con este material. (Créditos: Beamler)

Además del material en sí, cabe mencionar las organizaciones del sector 3D que han desarrollado soluciones de fabricación aditiva compatibles con este metal. Entre ellas encontramos a las ya mencionadas Markforged, Holo, Admatec, Incus o 3D Systems. Pero también hay muchas otras como Colibrium Additive (anteriormente GE Additive), Desktop Metal junto a ExOne, SLM Solutions, Renishaw, Optomec y DMG Mori, entre otras.

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*Créditos foto de portada: GKN Powder Metallurgy