El tratamiento térmico en la impresión 3D

El postratamiento es una etapa clave en la fabricación aditiva. Hasta ahora hemos visto varios métodos utilizados en la industria, sea cual sea el proceso de impresión 3D empleado: limpieza, eliminación de soportes, coloración, etc. Ahora es el momento de analizar otro punto, el tratamiento térmico de las piezas en la impresión 3D. Este puede adoptar varias formas, en función de los resultados deseados, el material utilizado y la tecnología preferida. Por ejemplo, la sinterización, el recocido para metales, el curado o el prensado isostático en caliente. Esta etapa de postratamiento tiene el objetivo de reducir las tensiones internas de una pieza impresa en 3D y mejorar sus propiedades mecánicas. Dependiendo de la técnica elegida, se obtendrán resultados diferentes, pero el objetivo es influir en estas tensiones residuales que pueden aparecer durante la fabricación. Echemos un vistazo a los métodos de tratamiento térmico utilizados en la fabricación aditiva y comprendamos los problemas que plantean.

En la fabricación aditiva, las piezas se someten a diferentes temperaturas y pasan por fases de calentamiento y enfriamiento de distintos grados en función del proceso de impresión utilizado. Estas fases tienen un impacto directo en las piezas, que acumulan tensiones residuales. Por tanto, el tratamiento térmico tras la impresión es crucial, no sólo porque elimina estas tensiones residuales, sino también porque afecta a las propiedades mecánicas de las piezas, como la resistencia a la flexión, la ductilidad y la dureza final.

Se pueden utilizar varios equipos para el tratamiento térmico en la impresión 3D. (Créditos: Markforged) 

Sinterización

La sinterización es uno de los tratamientos térmicos que pueden utilizarse en la fabricación aditiva. Hay que tener en cuenta que la sinterización es más una etapa del proceso de fabricación que un método de postratamiento en sentido estricto. De hecho, es obligatorio cuando se utiliza la tecnología binder jetting o la impresión 3D indirecta. Por esta última entendemos los métodos que utilizan filamentos de plástico que incorporan partículas metálicas. Al sinterizar la pieza cruda obtenida tras la impresión, nos deshacemos del aglutinante y solidificamos las partículas metálicas entre sí. Para ello, se necesita un horno de sinterización. La temperatura se eleva justo por debajo del punto de fusión del material utilizado. Esta técnica elimina las partículas de polvo originales, reduce la porosidad de las piezas y aumenta su dureza. Se utiliza principalmente con polvos metálicos o cerámicos. 

Hay que tener en cuenta la contracción de la pieza final. Durante la sinterización, las partículas de material se unen y ocupan el lugar del aglutinante, reduciendo el tamaño de la pieza original. Esta reducción puede ir desde el 15 al 20%.

Curado de polímeros

Si nos centramos ahora en los polímeros, existe una técnica para tratar las piezas y mejorar sus propiedades finales: el curado. Se utiliza principalmente en la impresión 3D con resina. La resina se compone de varios monómeros que no están unidos entre sí en su estado líquido. Cuando se exponen a una fuente UV, estos mismos monómeros se unen para formar la pieza deseada. Sin embargo, tras la impresión, algunas zonas no están reticuladas de forma óptima, con el riesgo de comprometer la resistencia general del componente impreso. Aquí es donde la etapa de curado puede ser interesante, ya que permite que se produzca toda la reticulación posible. 

Créditos: Formlabs

Una vez creada la pieza, se limpia para eliminar el exceso de resina no fotopolimerizada y los soportes de impresión. A continuación, la pieza puede colocarse en una máquina de curado. Por lo general, los fabricantes de impresoras 3D de resina ofrecen su propia estación de curado, como Formlabs y su solución Form Cure. Se trata de una cámara UV que endurece la pieza impresa y le confiere sus propiedades finales. Esto reduce su fragilidad y disminuye el riesgo de rotura. El curado también fija el color de la resina y la hace más segura de manipular. El resultado es una pieza más resistente con el tiempo, un aspecto crucial en muchos sectores.

Factores como el tipo de resina utilizada y el tamaño de la pieza tendrán un impacto directo en esta fase del tratamiento térmico. En la mayoría de los casos, cuanto mayor sea la pieza, más tiempo tardará en curarse. Esto es algo que debe tener en cuenta en el proceso de fabricación.

Recocido en impresión 3D

Como su nombre indica, este método de tratamiento térmico consiste en exponer la pieza impresa en 3D a una temperatura determinada, que varía en función del material utilizado. Una vez calentada, se enfría gradualmente para aumentar su resistencia. Esta técnica se utiliza mucho para los metales, pero también para el vidrio. Algunos plásticos también pueden someterse al recocido, como el PLA y el PETG. Otros termoplásticos, como el ABS por ejemplo, no son adecuados para el recocido porque el calor tiende a crear deformaciones.

Algunos termoplásticos son compatibles con el recocido. (Créditos: UltiMaker)

En la práctica, el recocido consiste en calentar el material a una temperatura superior a su temperatura de cristalización pero inferior a su punto de fusión. Por el lado de los polímeros, esto permite que las moléculas se reorganicen, mejorando la estabilidad de la pieza final. En el caso de los metales, el recocido permite aumentar el tamaño de los granos por recristalización. En ambos casos, la duración del recocido influirá en la estructura de la pieza final. Así, cuanto más tiempo esté expuesta al calor, más cambiará su estructura. Por ejemplo, los componentes de plástico pueden reducir su tamaño tras la fase de recocido, ya que el calor acelera su contracción. Este es un punto importante a tener en cuenta a la hora de diseñar las piezas.

Ten en cuenta que el recocido en la impresión 3D de metal mejora la ductilidad y la resistencia de las piezas creadas. Esta técnica se utiliza especialmente con el acero.

Métodos de tratamiento térmico para metales

Por último, veamos algunos métodos de tratamiento térmico utilizados para metales. En primer lugar, encontramos el prensado isostático en caliente (HIP). Combina temperaturas muy elevadas con una presión isostática de gas inerte. Al ser aplicada simultáneamente, aumenta la densidad y la resistencia de una pieza. En términos prácticos, encerramos la pieza en un recipiente de contención de alta presión y la exponemos a esta combinación de calor y presión. De este modo, se eliminan los huecos internos y la porosidad residual. Esta técnica también es compatible con la cerámica.

El tanque HIP se instala encima de la pieza impresa en 3D. (Créditos: Bodycote)

Las piezas de metal impresas en 3D también pueden reforzarse mediante el templado. Se trata de una operación que consiste en calentar la pieza a una temperatura muy alta y luego enfriarla rápidamente. Esto tendrá un impacto en la microestructura del componente. El templado suele requerir el uso de un fluido para enfriar la pieza.

Existen otros métodos de tratamiento térmico compatibles con la impresión 3D, y la lista no es exhaustiva. Pero ahora tenemos una visión general de las técnicas disponibles y de su importancia. No olvides tener en cuenta ciertos parámetros en la fase de diseño, como la contracción de la pieza.

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*Créditos foto de portada: Mark3D