Fusión láser por lecho de polvo vs DED: ¿qué tecnología de metal utilizar?
El metal es uno de los materiales más utilizados, junto con el plástico, en la fabricación aditiva. Las propiedades de este material lo hacen adecuado para los mercados y aplicaciones más exigentes, que a menudo requieren un alto rendimiento. En el artículo de hoy, comparamos dos de los principales procesos de impresión de metal. Estos son, la fusión láser por lecho de polvo (L-PBF) y la deposición de energía directa (DED). Examinaremos las características, las aplicaciones más comunes y los principales fabricantes de cada tecnología, destacando sus similitudes y diferencias.
La tecnología PBF engloba varios procesos de fabricación aditiva que implican un lecho de polvo, ya sea plástico, cerámica o metal. Por ello, hoy nos centraremos únicamente en los procesos de metal. Este método puede utilizar un láser o un haz de electrones como fuente de energía, conocido como fusión por haz de electrones (EBM), que fue introducido por el fabricante Arcam en 2002. Sin embargo, sólo nos centraremos en el proceso que utiliza un láser como fuente de calor. Éste también se conoce con otros nombres, dependiendo de las denominaciones de los distintos fabricantes, como DMLS, un término patentado en 1994 por EOS, la empresa líder en el campo de la impresión 3D de metal. El acrónimo procede del término alemán Direkt Metall Laser Schmelzen y se traduce al inglés como Direct Metal Laser Melting. También puede denominarse SLM por Selective Laser Melting, término introducido por el Instituto Fraunhofer en 1995.
El proceso PBF con metal.
Por otro lado, el proceso DED consiste en una tecnología más reciente que las tecnologías de lecho de polvo. Se conoce desde hace décadas, pero sólo se ha vuelto realmente eficaz en los últimos diez años. El proceso utiliza un material, en forma de polvo o alambre, que se funde mediante una fuente de energía directa al tiempo que se deposita directamente sobre la capa. El proceso es más conocido por su capacidad para reparar y/o recubrir grandes objetos metálicos. La tecnología DED puede utilizar distintas fuentes de energía, como láser, plasma o haz de electrones. Por ejemplo, la tecnología WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing) pertenece a esta categoría. Por tanto, no es fácil comparar los procesos PBF y DED, ya que se trata de dos tecnologías diferentes. Por ello, intentaremos comprender cómo funcionan, en qué se diferencian y cómo pueden complementarse.
¿Cómo funcionan las tecnologías PBF y DED?
El proceso de impresión 3D comienza, como cualquier otro proceso, con la creación de un modelo 3D del objeto que se va a imprimir, utilizando software CAD. A continuación, un slicer corta digitalmente la pieza, capa por capa.
Empecemos con el proceso de fusión de polvo por láser. Primeramente, la cámara se calienta con un gas inerte para alcanzar la temperatura ideal (como indicación, para el proceso EBM, esto debe tener lugar en el vacío). A continuación, se aplica una fina capa de polvo a la bandeja de impresión, que también se calienta a una temperatura de unos 300-400°C. A continuación, el láser funde selectivamente las partículas de polvo metálico y las solidifica. Una vez completada la capa, la bandeja desciende unos milímetros, lo que permite añadir una capa de polvo nueva. El proceso se repite hasta terminar el proceso de impresión de todas las piezas. Una vez listo, habrá que dejar enfriar la máquina. A continuación, se retira el polvo metálico suelto que rodea las piezas, junto con los soportes de impresión, que casi siempre son necesarios. Son muy recomendables, especialmente en las primeras capas, para fijar la pieza a la bandeja de impresión sin comprometer la geometría y las propiedades finales de las piezas.
En cuanto a la tecnología DED, puede entenderse como una combinación de los métodos de extrusión y PBF. Consiste en la fabricación de piezas con una fuente de energía focalizada para fundir el material. El cabezal de impresión se alimenta con polvo o alambre y una boquilla deposita el metal capa por capa. El metal se funde al salir de la boquilla sobre una base o un componente concreto. El proceso se repite hasta conseguir el modelo 3D que se ha diseñado previamente mediante un software CAD.
El proceso DED con láser
Las impresoras 3D DED son máquinas industriales que pueden utilizarse con tres posibles fuentes de energía: láser, haz de electrones y plasma. Dependiendo del tipo de energía elegida, la impresora 3D tendrá un entorno diferente. Ten en cuenta que la mayoría de las soluciones DED son grandes máquinas industriales que requieren una estructura cerrada y controlada para funcionar. En el caso de los sistemas láser, se requiere una cámara totalmente inerte para los metales reactivos. Esto supone una cantidad significativa de gas y tiempo para alcanzar los niveles de oxígeno necesarios. En el caso del haz de electrones, el proceso debe realizarse en el vacío para evitar que los electrones interactúen con las moléculas de aire o sean desviados por ellas. Por último, cuando se utiliza plasma como fuente de energía, el material se funde con precisión en un entorno de gas argón inerte. El proceso se supervisa más de 600 veces por segundo para garantizar la buena calidad.
Ventajas y limitaciones de ambas tecnologías
La fusión láser de metal es una de las tecnologías más utilizadas para la producción de piezas finales. Por el contrario, el método DED se emplea más para reparar, recubrir o añadir piezas personalizadas. Analizando las dos técnicas, ambas tienen ciertas ventajas y limitaciones. La principal ventaja de PBF es que puede crear piezas de gran complejidad geométrica. Además, combinada con la optimización topológica, la tecnología puede crear estructuras más ligeras con menos material, algo esencial en industrias como la automotriz y la aeroespacial.
La tecnología DED, por su parte, es ideal para mecanizar piezas metálicas de gran tamaño con elevadas propiedades mecánicas. Las impresoras 3D DED constan de una boquilla colocada en un brazo robótico multieje (puede haber cuatro o cinco) que permite un alto grado de libertad, así como un gran volumen de impresión. En términos de tiempo de producción, puede imprimir hasta 5 kg/h, siendo uno de los procesos más rápidos. Según Optomec, fabricante estadounidense de impresoras 3D, la tecnología DED es 10 veces más rápida que la PBF. Esto es una ventaja, pero también una limitación en cuanto a la precisión de las piezas, ya que una mayor velocidad de impresión requiere un mayor grosor de capa (entre 5 y 10 mm) y, por tanto, una representación menos precisa de las piezas. El sistema PBF, en cambio, tiene capas muy finas (de hasta 0,02 mm), y el láser trabaja en la pieza punto por punto. Esto aumenta el tiempo de producción pero incrementa el nivel de detalle.
La optimización topológica permite aligerar las piezas metálicas impresas en 3D.
En cuanto al tamaño de las piezas, DED permite fabricar productos a gran escala, mientras que PBF está más limitada por el tamaño de la bandeja. Cabe señalar que la pieza más grande que puede fabricarse con PBF no supera el metro, mientras que DED ofrece la posibilidad de trabajar en grandes superficies de varios metros. Además, ambas tecnologías ofrecen ventajas medioambientales. En el proceso de fusión, en algunos casos y con algunos metales, el polvo sin tratar puede reutilizarse siempre y cuando se mezcle con polvo virgen. DED, por su parte, utiliza menos material en su proceso de fabricación, aunque el proceso requiere técnicas de mecanizado para eliminar material de la pieza. No obstante, ambas tecnologías contribuyen a reducir los residuos en comparación con los métodos de fabricación tradicionales.
Desde un punto de vista más «práctico», la tecnología PBF no es adecuada para la producción en serie, ya que sería demasiado costosa en comparación con el proceso de mecanizado CNC. Por tanto, está pensada para pequeñas series que requieren geometrías específicas o personalizadas, como en el caso de las prótesis dentales. Por último, la cantidad de material utilizado en la impresión PBF también tiene un mayor impacto en los costes de producción que con DED. En cuanto a las limitaciones de la tecnología de deposición de material, no es adecuada la producción de piezas con geometrías complejas, por lo que se utilizará para piezas sencillas. Sin embargo, las grandes dimensiones de los componentes también repercuten en el precio. Los costes de las propias máquinas son muy elevados, aunque el proceso es más barato que el PBF. Por último, ambas tecnologías también están sujetas a numerosos pasos de postratamiento, que detallaremos más adelante.
Un tanque impreso en 3D con la tecnología DED de Relativity Space (Créditos: Relativity Space)
El metal como material principal
La elección del material tiene un impacto importante en ambas tecnologías, ya que representa el principal coste de cada proceso. En el caso de PBF, será necesario llenar la cámara con polvo de metal para imprimir las piezas, y en el caso de DED, cuanto mayor sea la pieza, más material se necesitará.
En general, la fusión láser por lecho de polvo ofrece una amplia gama de metales compatibles. Sin embargo, muchos siguen siendo incompatibles hoy en día, como los aceros equivalentes con alto contenido en carbono, o el aluminio con alto contenido en silicio. Esto puede ser un factor limitante cuando se requieren materiales específicos. No obstante, el proceso puede utilizar metales y aleaciones como el acero inoxidable, el cromo-cobalto, el aluminio (utilizado sobre todo en los sectores aeroespacial y automovilístico), el titanio (especialmente indicado para el sector médico), el inconel y el cobre. También pueden elegirse metales preciosos como el oro o la plata. Para la tecnología DED, se puede elegir entre metales y cerámica, aunque aquí nos centraremos principalmente en los materiales metálicos. La cerámica no se utiliza mucho porque su procesamiento es complejo y sólo es compatible con una fuente de energía láser.
Actualmente es posible trabajar con una amplia gama de metales.
Muchos metales, en forma de polvo o de filamento, también pueden utilizarse para la tecnología DED. A diferencia de la tecnología PBF, la deposición directa de energía permite en general utilizar todos los materiales soldables, como el titanio y las aleaciones de titanio, el inconel, el tántalo, el tungsteno, el niobio, el acero inoxidable y el aluminio. En este caso, es importante que la temperatura de fusión sea superior a la temperatura de la cámara, para que el proceso requiera grados diferentes y controlados para cada material.
Casos de aplicación de las tecnologías PBF y DED
Ambas tecnologías pueden utilizarse en una amplia gama de aplicaciones y sectores. Las principales diferencias entre los dos procesos son la forma en que el polvo se deposita y es tratado por el láser, así como su finalidad. Se utilizan en sectores exigentes como el aeroespacial, la automoción, la medicina o incluso la joyería, en el caso de la tecnología PBF.
En el caso de la tecnología DED, las principales aplicaciones incluyen la reparación de piezas de gran tamaño. Si tomamos el sector aeroespacial, podemos encontrar la reparación de hélices de turbinas, válvulas o herramientas de todo tipo. También es posible mezclar materiales como, por ejemplo, acero y aluminio fundido para soldar baterías de motores eléctricos. En contraposición, la tecnología PBF no permite unir polvos, ya que se mezclarían sus propiedades y quedarían inutilizables. Sin embargo, la industria aeroespacial puede beneficiarse de sus ventajas, sobre todo para la producción de piezas complejas y personalizadas de uso final. La precisión y calidad de las piezas impresas en 3D por PBF también las hace ideales para la industria automotriz. Estas pueden ser integradas en los coches como separadores de aceite, chasis o componentes del motor. Como hemos mencionado, también pueden utilizarse metales preciosos para crear joyas o accesorios. En el sector médico, esta tecnología ofrece la posibilidad de realizar implantes detallados o coronas dentales, siempre adaptados a cada paciente.
La tecnología PBF permite fabricar implantes médicos a medida. (Créditos: Trumpf)
Al igual que con PBF, la tecnología DED también se utiliza en el sector médico para fabricar implantes ortopédicos, dispositivos quirúrgicos y prótesis. Algunos metales, como el titanio o el acero inoxidable, son incluso biocompatibles. Esto significa que pueden introducirse en el cuerpo humano sin riesgo de reacciones alérgicas del sistema inmunitario. Por último, la deposición de materiales también se utiliza para el recubrimiento de metal protector de diversos tipos de componentes. Esto hace que las piezas sean más duras, más resistentes a la corrosión, el óxido, los productos químicos o la intemperie.
Otros sectores se benefician de estas tecnologías, como la industria petrolera y del gas, con aplicaciones como los recipientes a presión, que pueden fabricarse con DED. Por otro lado, la industria marítima y de defensa, por ejemplo, puede utilizarlas para la producción de componentes. Además, en el caso de piezas complejas, es posible utilizar las dos tecnologías de forma complementaria para obtener la pieza híbrida más detallada posible y en el menor tiempo posible. Como explica Didier Boisselier, Director de Aplicación y Desarrollo de Fabricación Aditiva de Irepa Laser, se fabricó una pieza híbrida de metal para el sector de defensa. La pieza tenía un alto grado de complejidad geométrica interna, lo que requirió el uso de PBF para la parte interior, mientras que para la parte exterior se utilizó la tecnología DED para acelerar el proceso.
La tecnología DED se utiliza para piezas con geometrías sencillas. (Créditos: Trumpf)
Los pasos de postratamiento
Eestas dos tecnologías proporcionan modelos de alto rendimiento, productos con superaleaciones y que pueden superar las pruebas más severas. Aún así, para lograr ese resultado, ambos procesos requieren ciertos pasos de postprocesado que incrementan los costes. Por ejemplo, el acabado superficial es importante, aunque en distinto grado. En el caso del PBF, será necesario tratar la superficie para hacerla más lisa, ya que las piezas aparecen granuladas. En el caso de DED, obtendrá piezas con una superficie imperfecta, ya que el material se funde directamente durante la extrusión. Por eso siempre es necesario el paso de mecanizado CNC para obtener una superficie más definida y lisa.
Además, el rápido calentamiento y enfriamiento del metal durante ambos procesos provoca la acumulación de tensiones internas. Los tratamientos térmicos pueden aliviar estas tensiones y mejorar propiedades mecánicas como la dureza, el alargamiento, la resistencia a la fatiga, etc. Para la fusión láser por lecho de polvo, es necesario eliminar el exceso de polvo y sustratos. Esto puede hacerse manualmente, mecánicamente o mediante electroerosión por hilo. A esto le sigue el acabado de la superficie, donde puede añadirse un proceso de pulido o CNC para mejorar la estética de la pieza. Para la tecnología DED, el fresado (CNC) de la pieza es un paso esencial en el acabado de la pieza. Esto lleva mucho tiempo y requiere una inversión importante debido al tamaño de las piezas. En general, las técnicas más utilizadas para el postprocesado son el prensado isostático en caliente (HIP), que elimina cualquier microporosidad interna residual y solidifica completamente la pieza, y el recocido, una opción de tratamiento térmico utilizada para mejorar las propiedades mecánicas de la pieza calentándola a alta temperatura y enfriándola después rápidamente. Los métodos de acabado superficial para metales incluyen el electropulido en seco, el chorro de arena, etc.
La eliminación de soportes de impresión 3D es un paso necesario.
Hay que tener en cuenta que, tanto para DED como para PBF, no es posible definir un único postratamiento, que dependerá del tamaño de la pieza, del metal utilizado (por ejemplo, materiales como el titanio requieren tratamientos específicos y posiblemente más costosos), del tipo de pieza producida y de las especificaciones exigidas por cada industria concreta.
Los principales fabricantes de impresoras 3D
En la actualidad, son muchos los fabricantes que ofrecen máquinas PBF. Entre los principales, podemos mencionar a EOS, un actor importante en la impresión 3D de metal, que sigue siendo hoy en día uno de los principales fabricantes de impresoras 3D DMLS. También está 3D Systems, que compró la marca francesa Phenix Systems en 2013 para expandirse en el segmento de la fabricación aditiva de metal. Su proceso se denomina DMP (Direct Metal Printing). Otras empresas que ofrecen impresoras PBF son la británica Renishaw o el fabricante alemán SLM Solutions, entre otros.
Entre los fabricantes especializados en máquinas DED por láser se encuentra AddUp, que en 2018 adquirió BeAM, uno de los principales fabricantes de máquinas DED del mercado. La empresa también ofrece dos soluciones L-PBF. La estadounidense Optomec también es uno de los principales actores del mercado con su proceso patentado LENS, que se lanzó en 1998. La empresa cuenta actualmente con siete soluciones. También cabe destacar a los fabricantes FormAlloy, DMG Mori, InssTek, Relativity y Meltio. Este último afirma ofrecer las máquinas DED más baratas del mercado.
Créditos: AMFG
Por último, otras empresas ofrecen ambas soluciones, como la alemana Trumpf o la italiana Prima Additive, esta última con una opción de doble láser o láser verde para cobre y metales reflectantes. Por supuesto, nuestra lista no es exhaustiva.
Precio
Como ya se ha mencionado, los precios entre las impresoras 3D DED y PBF son elevados, pero no iguales. De hecho, el proceso de deposición de energía directa es 5 veces más barato que la fusión láser por lecho de polvo. Es difícil dar cifras exactas. Los fabricantes no revelan el precio de sus productos en línea, y los costes pueden variar en función del modo en que el usuario vaya a utilizar la impresora 3D. También depende de si el comprador también quiere beneficiarse de soluciones de postprocesado, o de materiales específicos. Ten en cuenta que será difícil encontrar una máquina de metal de esta categoría por menos de 80.000 dólares. Algunas impresoras 3D pueden llegar incluso a casi 1 millón de dólares.
En el caso de las soluciones de fusión de polvo por láser, los precios pueden empezar a partir de 200.000 dólares. Por ejemplo, se estima que la DMP Flex 350 de 3D Systems cuesta alrededor de 575.000 dólares, mientras que la DMP Factory 350 puede llegar hasta los 763.000 dólares. En el caso de los sistemas DED, los precios pueden aumentar considerablemente si se consideran soluciones más complejas, como la máquina híbrida LASERTEC 6600 DED de DMG MORI, que combina la tecnología DED y el mecanizado sustractivo en una sola solución. Su coste estimado es uno de los más elevados, entre 1,5 y 3 millones de euros.
Créditos: 3Dnatives
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