El procés de fabricació de components metàl·lics amb tècniques d'impressió 3D
El desenvolupament de la fabricació moderna ha provocat canvis importants en la manera com les indústries dissenyen i produeixen components. Mentre que la fabricació de components metàl·lics abans era sinònim de processos de mecanitzat, fosa o forja que requerien motlles i etapes llargues, ara la tecnologia d'impressió 3D (fabricació additiva) s'està convertint en una alternativa cada cop més madura. La impressió 3D de metall permet la fabricació gradual, capa per capa, de components complexos a partir de metall, oferint flexibilitat de disseny, eficiència del material i iteració accelerada. Aquest article tracta el procés de fabricació de components metàl·lics mitjançant tècniques d'impressió 3D, des de la fase de disseny fins a la postproducció i el control de qualitat.
1. Comprensió i principis bàsics de la impressió 3D de metall
La impressió 3D de metall és un mètode de fabricació additiva que construeix objectes afegint material capa per capa basant-se en un model digital. A diferència dels processos subtractius com el CNC, que eliminen material d'un bloc de metall, la impressió 3D utilitza pols metàl·lica o filferro combinats amb una font d'energia com ara un làser, un feix d'electrons o un arc elèctric per crear la geometria final.
El principi bàsic és simple: es crea un model amb un programari de disseny i després es descompon en capes primes (tallat). La màquina imprimeix cada capa al llarg d'una trajectòria predeterminada fins que es forma tota la peça. Tot i que el concepte pot semblar senzill, la impressió 3D de metall requereix un control estricte del procés a causa de les altes temperatures, els materials reactius i els requisits de precisió que implica.
2. Fase de disseny: Disseny per a la fabricació additiva (DfAM)
La primera etapa és el disseny de components en CAD (Disseny Assistit per Ordinador). Aquí és on emergeix la principal diferència respecte a la fabricació convencional. La impressió 3D permet formes orgàniques, canals interns, estructures de xarxa i topologies optimitzades per a la lleugeresa però la resistència. Per tant, les pràctiques de DfAM (Disseny per a Fabricació Additiva) són essencials.
Algunes consideracions de disseny inclouen:
– Orientació de la impressió: determina la direcció de formació de capes que afecta la resistència, la distorsió i els requisits de suport.
– Gruix mínim de paret: cada tecnologia té certs límits perquè la peça no es torni fràgil ni deixi de formar-se.
– Voladissos i suports: les parts que sobresurten solen necessitar suport per evitar que es col·lapsin durant el procés.
– Toleràncies i tolerances d'acabat: els components sovint requereixen mecanització o poliment després del modelat.
Després del disseny final, els fitxers generalment s'exporten a format STL o 3MF per al seu processament a la següent etapa.
3. Preparació de dades: segmentació i determinació dels paràmetres del procés
El fitxer 3D es processa amb un programari de tall. En aquesta etapa, el model es converteix en capes d'un gruix específic (per exemple, de 20 a 60 micres per a processos basats en pols). A més, l'operador determina paràmetres importants com ara:
– potència del làser/feix,
– velocitat d'escaneig,
– distància entre carrils (espaiat entre trames),
– estratègia d'escaneig,
– gruix de la capa,
– suport al disseny.
Aquests paràmetres afecten directament la densitat del material, la qualitat de la superfície, la velocitat de producció i el risc de defectes com la porositat i l'esquerdament. Per a components crítics (per exemple, aeroespacials o mèdics), aquests paràmetres solen seguir procediments validats i estàndards de la indústria.
4. Selecció de material: pols metàl·lica o filferro
El material utilitzat depèn de la tecnologia d'impressió. Les dues formes de material més comunes són:
1. Pols metàl·lica: s'utilitza en processos com ara SLM/DMLS (fusió làser selectiva/sinterització làser directa de metall) i EBM (fusió per feix d'electrons). La pols ha de tenir una mida de partícula controlada, una bona distribució i baixos nivells d'oxigen per aconseguir resultats òptims.
2. Filferro metàl·lic: s'utilitza en processos com el WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing), que utilitza un arc elèctric. Aquest mètode és adequat per a components grans per la seva alta taxa de deposició, però normalment requereix un acabat més intensiu.
Els materials populars en la impressió 3D de metall inclouen l'acer inoxidable, el titani (Ti-6Al-4V), l'alumini, l'Inconel, el crom-cobalt i l'acer per a eines.
5. Procés d'impressió: tecnologies comunes d'impressió 3D de metall
Hi ha diverses tecnologies principals que s'utilitzen per fabricar components metàl·lics:
a. Fusió per llit de pols (PBF)
Aquest mètode és més conegut per a components de precisió. La màquina estén una capa fina de pols sobre una placa de construcció i, a continuació, un làser o un feix d'electrons fon la pols segons el patró de capes. El procés es repeteix fins que es forma la peça.
Els avantatges del PBF són l'alt nivell de detall i la capacitat de crear geometries complexes. Tanmateix, la seva mida està relativament limitada pel volum de l'espai d'impressió, i els costos de la màquina i del material solen ser elevats.
b. Deposició d'energia dirigida (DED)
La DED fon el material (pols o filferro) a mesura que es diposita a través d'una boquilla, generalment amb l'ajuda d'un làser o un arc elèctric. Aquesta tecnologia s'utilitza sovint per a reparacions de components, addicions de funcions o la fabricació de peces grans.
Els avantatges són la flexibilitat i les ràpides taxes d'addició de material, però la resolució de detalls i la qualitat de la superfície solen ser inferiors a les del PBF.
c. Injecció de lligant
En el procés de sinterització amb pressió aglomerant, la pols metàl·lica s'uneix amb un aglomerant per formar una "peça verda", que després se sotmet a un procés de desaglomeració i sinterització per solidificar-se. Aquest mètode pot ser més ràpid i més adequat per a la producció en massa, però la contracció durant la sinterització s'ha de predir amb precisió.
6. Postprocessament: de les peces en brut a components llestos per utilitzar
Les impressions 3D de metall generalment no estan llestes per al seu ús immediat. El postprocessament és gairebé sempre necessari, especialment per a components que requereixen toleràncies i propietats mecàniques específiques.
Les etapes habituals de postprocessament inclouen:
– Extracció de la placa de construcció: normalment mitjançant electroerosió per tall amb fil o tall mecànic.
– Eliminació del suport: es talla o esmola el suport i després s'allisa la superfície.
– Tractament tèrmic: com ara l'alleujament de tensions per reduir les tensions residuals i evitar la deformació. Per a alguns materials, es realitza un tractament de solució i envelliment.
– Premsat isostàtic en calent (HIP): augmenta la densitat i redueix la porositat, important per a aplicacions crítiques.
– Acabat superficial: sorrejat, polit, granallat o recobriment.
– Mecanitzat final: per aconseguir toleràncies ajustades en forats, plans de referència o rosques.
El postprocessament sovint és un factor determinant en els costos totals, per la qual cosa la planificació des de la fase de disseny és essencial.
7. Control de qualitat i inspecció
Com que la impressió 3D de metall s'utilitza en components d'alt valor, el control de qualitat esdevé una part integral. Els mètodes d'inspecció poden incloure:
– Assaigs dimensionals: CMM (màquina de mesura per coordenades) o escaneig 3D.
– Assajos no destructius (END): tomografia computada, raigs X, líquids penetrants i ultrasons per detectar esquerdes o porositats internes.
– Proves mecàniques: tracció, duresa, impacte i fatiga per garantir que les propietats compleixin les especificacions.
– Monitorització de processos: algunes màquines utilitzen sensors de bany de fusió, càmeres i registre de dades per garantir l'estabilitat del procés.
En certes indústries, la documentació i la traçabilitat dels materials també són obligatòries, incloent-hi els lots de pols, els paràmetres d'impressió i els passos de postprocessament.
8. Avantatges i reptes en la producció de components metàl·lics
La impressió 3D de metall ofereix importants avantatges, com ara:
– Dissenys complexos sense costos de modelat,
– Reducció de pes dels components (alleugeriment),
– Optimització de l'estructura interna,
– Prototipatge accelerat i producció de baix volum,
– Eficiència del material per a una forma determinada.
Tanmateix, els reptes també són reals:
– costos elevats de maquinària i materials,
– necessitats importants de postprocessament,
– control de qualitat complex,
– limitacions de mida en algunes tecnologies,
– risc de distorsió i tensió residual.
Per tant, la selecció de la tecnologia ha de tenir en compte els requisits de l'aplicació, el volum de producció i els objectius de cost.
Tancament
El procés de fabricació de components metàl·lics mitjançant tècniques d'impressió 3D no és simplement "imprimir des d'un fitxer", sinó una sèrie integrada d'etapes: disseny personalitzat per a la fabricació additiva, determinació de paràmetres i materials, processos d'impressió controlats, postprocessament per millorar les propietats i la precisió del material i inspeccions de qualitat rigoroses. Amb l'aplicació adequada, la impressió 3D metàl·lica pot produir components d'alt rendiment que són difícils o cars de fabricar mitjançant mètodes convencionals. En el futur, s'espera que aquesta tecnologia s'utilitzi cada cop més, especialment en els sectors aeroespacial, automobilístic, mèdic, energètic i de fabricació de precisió que exigeixen innovació en el disseny i eficiència en la producció.
