Sugerencia de Diseño

How DMLS Can Be Used to Produce Reliable Metal Parts

La impresión 3D con DMLS crea piezas de metal complejas, duraderas y ligeras

Cuando las primeras máquinas de sinterizado directo de metal por láser (DMLS) llegaron a la planta de producción, algunos fabricantes creyeron que el final del mecanizado tradicional estaba cerca. Después de todo, ¿no es genial llenar una máquina con polvo de metal, cargar un archivo CAD y, pocas horas después, sacar una nueva pieza reluciente? ¿Cómo podría competir un taller con una máquina que produce escasos residuos, no tiene herramientas de corte y solo exige pulsar un botón?

Sin embargo, la realidad del DMLS es algo diferente de aquellas primeras opiniones. No es un replicador tipo Star Trek, sino más bien un proceso que complementa al mecanizado tradicional. El DMLS produce piezas de metal totalmente densas directamente a partir de modelos CAD, normalmente con una precisión y un acabado de superficie que permite el uso inmediato de la pieza. Y lo que es más importante, si usted tiene una pieza muy compleja imposible de mecanizar, el DMLS puede ser la solución.

Como otros procesos de fabricación con aditivos mediante láser, el DMLS construye las piezas de abajo arriba. Utiliza un láser de iterbio para derretir y fundir gránulos microscópicos de polvo de metal en la mayoría de formas imaginables, siempre que quepan en una cámara de fabricación.

 

 

¿Cómo funciona?

Illustration of a typical DMLS build process
La ilustración muestra el funcionamiento de un proceso normal de construcción DMLS.

Digamos que lo único que tiene que hacer es cargar un modelo CAD 3D del diseño de su pieza en protolabs.es. Puede ser cualquier cosa, desde el próximo propulsor a una toma de aire para un coche IndyCar. Los técnicos en el servicio de impresión 3D de Proto Labs pueden transformar su sueño electrónico en una realidad física en unos cuantos pasos:

  1. El modelo CAD se divide en capas del grosor de un papel, y se diseñan las estructuras de soporte necesarias para facilitar el proceso de sinterizado con láser. A continuación, se carga el archivo en una de nuestras máquinas de DMLS.
  2. Se llena el lecho de polvo con una de nuestras cuatro aleaciones de alta resistencia: aluminio, acero inoxidable, acero mariginizado y titanio. Después, se distribuye una fina capa del material seleccionado por toda la base de trabajo.
  3. Al empezar la construcción, un láser de alta potencia comienza a trabajar, dibujando la capa inferior del lote de piezas, junto con todas las estructuras de soporte provisionales necesarias para el proceso de construcción.
  4. Una paleta extiende otra fina capa de polvo de metal sobre las piezas y el proceso de láser comienza de nuevo.
  5. Una vez finalizadas todas las capas, se retira la pieza prácticamente terminada de la cámara de construcción. Se retiran los soportes de construcción y ya se puede proceder a dar los últimos retoques según las instrucciones del cliente.
Technician brushes away powder
Eliminación del polvo de metal de un lecho de piezas de aluminio complejas.

En esto consiste básicamente el DMLS. Como en todos los demás procesos con aditivos, la calidad de la pieza depende en gran medida de una estudiada estrategia de construcción. Para empezar, el DMLS requiere estructuras de soporte para sostener cada forma en su lugar a medida que se construye la pieza. Sin dichas estructuras, las zonas planas pueden curvarse: una forma en T se convertiría en una forma en Y, un plato se transformaría en un molde para tarta. En su mayor parte, los clientes de Proto Labs pueden dejar la colocación de los soportes en manos de los expertos en DMLS, pero deben entender que las superficies sin soporte tienden a alabearse durante la construcción, y será necesario un procesamiento posterior para retirar los soportes mediante serrado, fresado o mecanizado.

Tolerancias y acabado de superficies

Durante el diseño, también hay que tener en cuenta la tolerancia de la pieza. El DMLS de alta resolución construye con un grosor de capa de 0,03 mm y puede producir piezas muy precisas, con tolerancias de +/-0,1 mm, y acabados de superficie similares a los de la fundición en arena. Si usted necesita un acabado más liso, Proto Labs ofrece una serie de opciones de acabado, como el pulido manual, el mecanizado y el tratamiento térmico.

Si le preocupan las propiedades metalúrgicas de las piezas sinterizadas con láser, puede estar tranquilo. El DMLS utiliza la potencia del láser para fundir realmente las partículas de metal. Cada pasada del rayo se superpone a la anterior y se funde con ella, convirtiendo el metal en una masa homogénea con una densidad del 99% con respecto a los materiales formados por métodos convencionales.

Examples of metal materials, parts
El cromo-cobalto es uno de los cinco materiales metálicos utilizados para crear componentes médicos y para automoción

La capacidad de crear complicadas formas internas "dibujando" una capa en cada pasada permite crear diseños de piezas antes imposibles. Las estructuras complejas y los ensamblajes multipieza se simplifican enormemente con el DMLS. Por ejemplo, GE Aviation redujo de 18 a 1 el número de piezas de un inyector de combustible gracias al DMLS, y confirma que producirá más de 100 000 piezas sinterizadas por láser con este sistema para 2020. Además, dada la gama de aleaciones disponible, el DMLS se está utilizando cada vez más en los sectores aeroespacial, médico y de consumo: hoy por hoy se fabrican todo tipo de objetos, desde implantes ortopédicos e instrumentos quirúrgicos a piezas para turbinas de gas o escapes, tanto en la fase de prototipo como de producción. En conclusión, aquellos que sepan cómo aprovechar la tecnología de sinterizado de metal por láser podrán fabricar piezas de metal muy complejas fácilmente, reduciendo además la lista de materiales (BOM, por sus siglas en inglés).

Para ello, es necesario entender cómo funciona el DMLS. Como las piezas se construyen en capas, se producirán "escalones" en las superficies en ángulo, por ejemplo, los laterales de una pieza piramidal serán más ásperos que los de un cubo. Proto Labs tratará de orientar la construcción de la pieza de modo que se minimice este efecto, pero es importante que usted señale en el diseño de su pieza cuáles son las superficies o formas más sensibles, para que podamos colocarlas en el plano horizontal de construcción. Deben evitarse lo más posible las secciones excesivamente gruesas, ya que aumentan el tiempo de producción y las tensiones internas del material. Si se necesitan orificios o formas de escasa tolerancia, el diseño debe incluir material extra para un ensanchado o mecanizado posterior. Como siempre, le recomendamos consultar todas sus dudas con uno de los ingenieros de Atención al Cliente de Proto Labs.

Recuerde que el DMLS no siempre es una alternativa más rápida y sencilla al mecanizado. El tamaño de la pieza es limitado, aunque la máquina DMLS de gran formato de Proto Labs alcanza unos 250 mm cúbicos. La ventaja es que se puede utilizar el volumen completo, si desea producir un millar de instrumentos quirúrgicos microscópicos en acero inoxidable 316, el DMLS puede hacerlo en un única sesión. El proceso de fundir metal que construye capa por capa tampoco es increíblemente rápido: nuestros instrumentos pueden tardar varios días en estar listos. Para muchas piezas, el mecanizado CNC sigue siendo la opción más económica. Para las demás, el DMLS puede ofrecer una serie de ventajas, entre las que destaca la flexibilidad de diseño.

Destacado

Si está pensando en probar el DMLS, necesita saber un par de cosas más: Las piezas se pueden sinterizar con láser con mayor rapidez y mucho menos gasto si están huecas. A menos que esté buscando el pisapapeles más caro del mundo, no existe razón para fundir cada centímetro cuadrado de cada capa de polvo puesto que es suficiente con trazar el contorno necesario para garantizar la integridad estructural. Por este motivo, el DMLS es una fantástica opción para los diseñadores de productos que buscan piezas ligeras. En comparación con el mecanizado, en el que aligerar peso aumenta el gasto y el tiempo de procesado, en el DMLS ocurre todo lo contrario: a medida que reducimos el peso de la pieza, se reduce también el gasto.

Este es un factor importante para los fabricantes de automóviles y aviones, donde cada gramo cuenta a la hora de ahorrar combustible. Como hemos visto anteriormente, el DMLS produce piezas complejas en materiales tan ligeros como el aluminio o el titanio.

Una vez más, el diseño de la pieza resulta clave para elegir el mejor proceso. Por la complejidad de sus formas tridimensionales, los instrumentos quirúrgicos pequeños son muy adecuados para el sinterizado por láser, mientras que las piezas que contienen formas rectas como escuadras de montaje, bloques distribuidores, carcasas para aparatos electrónicos y muchas otras piezas pueden mecanizarse fácilmente en menores volúmenes. Sea cual sea el método elegido, tenemos ante nosotros un mundo nuevo de fabricación con metal y Proto Labs cuenta con el equipamiento necesario para ayudarle a explorarlo.

Para más información sobre el DMLS, consulte nuestro completo libro blanco sobre impresión en 3Do póngase en contacto con uno de nuestros ingenieros de Atención al Cliente en el +34 (0)9 11 43 68 30 o a través de customerservice@protolabs.es.

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