Polvo de impresión 3D: ¿Qué es y cómo se utiliza?
La impresión 3D, un nombre más comercial para la fabricación aditiva (AM), fue mencionada por primera vez por Murray Leinster en la década de 1940. Aunque la impresión 3D representa menos del 1% del mercado mundial de la fabricación, sus ventajas en comparación con la fabricación tradicional hacen que el mercado de la impresión 3D casi duplique su tamaño cada 3 años. Se espera que el mercado mundial de la impresión 3D crezca un 20,8% anual entre 2022 y 2030 [1]. Por su amplia aplicación en sanidad, automoción, aeroespacial, defensa, etc., la impresión 3D es indiscutiblemente uno de los métodos de fabricación más populares en el futuro.
La impresión 3D tiene 7 divisiones: Fotopolimerización en cuba, inyección de material, extrusión de material, inyección de aglutinante, fusión de lecho de polvo, laminación de láminas y deposición de energía dirigida. Las 4 últimas divisiones utilizan polvo de impresión 3D como materia prima.
¿Qué es el polvo de impresión 3D?
El polvo de impresión 3D se refiere al polvo utilizado en la impresión 3D. Suele estar hecho de metal, aleación, cerámica o polímero.
El polvo de impresión 3D puede dividirse en 2 grupos según su forma: esférico e irregular. El polvo de impresión 3D esférico muestra una mejor fluidez. En otras palabras, el polvo de impresión 3D esférico puede extenderse más uniformemente y formar capas homogéneas para fabricar componentes más fuertes. Pero al mismo tiempo, el polvo de impresión 3D esférico es más caro que el polvo irregular.
¿Cómo se produce el polvo de impresión 3D?
La mayoría de los experimentos fabrican el polvo de impresión 3D por atomización, incluyendo la atomización con agua y la atomización con gas.
Atomización con agua (WA)
La atomización comienza con la fusión de la aleación/metal de partida (se acepta cualquier forma) en un horno. A continuación, se mantiene durante algún tiempo para asegurarse de que el líquido de fusión se distribuye homogéneamente. A continuación, se transfiere el líquido a un crisol con una boquilla refractaria que puede controlar el caudal. Abrir la boquilla y dejar que el líquido entre en la cámara de atomización. Cae libremente y, a continuación, se enfría, atomiza y consolida mediante chorros de agua a alta velocidad. Finalmente, se puede recoger el polvo en el fondo de la cámara. Otro paso necesario posteriormente es el secado del polvo.
El polvo producido por la atomización con agua suele ser irregular y no se utilizará en la impresión 3D.
Atomización con gas (GA)
La atomización con gas es similar a la atomización con agua excepto en el proceso de atomización. Utiliza un flujo de gas a alta presión (normalmente gas inerte) para atomizar el polvo. Debido a que la capacidad calorífica específica del gas es menor que la del agua. Las gotas tardarán más tiempo en enfriarse y consolidarse. Como resultado, el polvo producido por atomización con gas será más esférico. el diámetro del polvo, sin embargo, es difícil de controlar bien y oscila entre 0 y 500μm. Aunque utilicemos gas inerte durante todos los procesos, pueden producirse contaminaciones al transferir el líquido de fusión del horno al crisol o en otros pasos.
Atomización de gas de fusión por inducción de electrodos (EIGA)
La atomización de gas de fusión por inducción de electrodo (EIGA) se desarrolló basándose en la atomización de gas. En lugar de utilizar el crisol para cubrir el líquido metálico de fusión, la EIGA utiliza varillas metálicas giratorias como materia prima, que se funde mediante calor de inducción. Las varillas fundidas pueden caer directamente en la cámara de atomización.
EIGA puede producir polvo en un rango de partículas más pequeño, y gradualmente se convierte en el principal método para producir polvo de aleaciones activas como Ti-6Al-4V.
Atomización por plasma (PA)
La atomización por plasma (PA) utiliza el plasma como fuente de calor para fundir la materia prima, que debe estar en forma de polvo o alambre. Cuando la materia prima entra en contacto con el plasma, es fundida y atomizada simultáneamente por los chorros de gas inerte. Los pasos siguientes son los mismos que en la atomización con gas.
La atomización por plasma puede producir polvo más esférico y de menor tamaño.
La Tabla 1 muestra el resumen de los 4 métodos de atomización mencionados anteriormente.
¿Cómo se utiliza el polvo de impresión 3D?
El polvo de impresión 3D se utiliza principalmente en tecnologías de impresión 3D basadas en lechos de polvo, como la fusión de lechos de polvo y la inyección de aglutinante. El principio clave de estas tecnologías es construir los componentes capa por capa utilizando polvo de impresión 3D. Con este proceso capa a capa, podemos fabricar productos más complicados y personalizados en comparación con las tecnologías tradicionales.
Un rodillo/recubridor toma el polvo (normalmente polvo esférico de metal o polímero, como el polvo esférico de titanio) del sistema de suministro y extiende una capa fina y uniforme sobre la placa base. A continuación, un rayo láser fusiona selectivamente el polvo. Se produce una capa fina y, a continuación, la plataforma de construcción se moverá hacia abajo una distancia de capa y el sistema de suministro se moverá hacia arriba una distancia de capa para continuar los pasos repetidos. Es lo que se denomina fusión de lecho de polvo.
Otra tecnología utiliza un aglutinante para combinar el polvo. Otros procesos son muy similares a la fusión de lechos de polvo. Es lo que se denomina inyección de aglutinante.
El polvo es la materia prima que se extiende sobre la placa para formar una capa fina. Para obtener componentes más resistentes y detallados, los parámetros del polvo son realmente importantes. El polvo irregular no puede formar capas homogéneas y de alta densidad (menos porosas), y dará lugar a componentes de baja densidad incluso si la impresión 3D se bloquea durante la impresión. El polvo esférico rinde mejor, pero también cuesta más. El polvo de partículas más pequeñas puede formar una capa más fina, es decir, con más polvo consumido para la misma capa gruesa. La capa es más fina y delicada que las producidas por polvo de partículas más grandes. Tenga cuidado al utilizar polvo inferior a 20 μm, que puede apelmazarse con mucha facilidad y formar una capa poco uniforme. Para este tipo de polvo se requieren tecnologías especiales.
Para más información, visite la página web de Stanford Advanced Materials.
Referencia
1. Informe sobre el tamaño y la cuota del mercado de la impresión 3D, 2022-2030. (sin fecha). Recuperado el 7 de diciembre de 2022, de https://www.grandviewresearch.com/industry-analysis/3d-printing-industry-analysis.
