Lección 8.4Dar formaCapítulo 8 · Fabricación aditiva

Fusión de lecho de polvo por láser (metal, SLM/DMLS)

Un láser funde capas finas de polvo metálico (fusión de lecho de polvo)

La fusión de lecho de polvo por láser (LPBF) funde polvo metálico fino con un láser, una capa fina cada vez, para construir piezas metálicas totalmente densas. Los fabricantes de máquinas la llaman SLM (fusión selectiva por láser) o DMLS (sinterizado directo de metal por láser). Importa porque hace formas metálicas que ninguna herramienta de corte ni ningún molde podrían, como piezas de motores de cohete con canales de refrigeración en su interior.

Foto: Matti Blume, CC BY-SA 4.0, vía Wikimedia Commons

Cámara de fusión de lecho de polvo metálico en sección: flujo de argón, láser, cuchilla, soportes y placa de construcciónLos números en círculo corresponden a los pasos de abajo; los pasos 3 a 5 se repiten miles de veces.

Cómo funciona

Corta en capas y añade soportes. El software corta el modelo en capas muy finas y añade soportes (finos puntales metálicos). Anclan los voladizos a la placa de construcción y evacúan calor para que la pieza no se alabee.
Llena de argón. La cámara se sella y se purga con argón o nitrógeno, gases inertes que evitan que el metal caliente se oxide. Un flujo constante de gas barre el humo y las salpicaduras (gotitas calientes diminutas) fuera de la trayectoria del láser.
Extiende una capa. El pistón de suministro sube, y una cuchilla recargadora extiende polvo metálico sobre la placa de construcción, normalmente de 0,02–0,06 mm de espesor.
Funde la capa. Un láser de fibra, normalmente de 200–1.000 W, traza la capa. Funde el polvo en un diminuto baño de fusión que se solidifica casi al instante, soldándose a la capa de abajo.
Baja y repite. La placa de construcción baja una capa y el ciclo se repite, a menudo miles de veces a lo largo de uno o más días.
Termina la pieza. Mientras siguen en la placa, las piezas reciben un tratamiento térmico de alivio de tensiones (calentamiento lento que relaja las tensiones encerradas). Después se cortan, se retiran los soportes, y muchas pasan a HIP (prensado isostático en caliente, lección 9.3) y mecanizado.

Datos clave

Materiales: Aleaciones de titanio (Ti-6Al-4V), aceros inoxidables y para herramientas, superaleaciones de níquel (Inconel), aluminio (AlSi10Mg), cobalto-cromo, aleaciones de cobre
Piezas típicas: Inyectores de motores de cohete, piezas de turbinas y del sistema de combustible, implantes médicos, coronas dentales, moldes con canales de refrigeración, intercambiadores de calor
Tamaño de pieza: Normalmente 25–40 cm por lado; las máquinas más grandes superan 1 m
Precisión: Unos ±0,1 mm tal como se imprime; las caras críticas se mecanizan después
Acabado superficial: Mate y algo rugosa, como papel de lija fino; más rugosa en las superficies orientadas hacia abajo; a menudo se granalla, se pule o se mecaniza
Tamaño de lote adecuado: De 1 a unos pocos miles de piezas al año; ideal cuando cada pieza es compleja y valiosa
Coste de utillaje y máquina: Sin utillaje; las máquinas cuestan de varios cientos de miles a unos pocos millones de dólares
Velocidad: Lento: las construcciones a menudo llevan de uno a varios días

Ventajas y límites

Ventajas

Formas imposibles de mecanizar o fundir: canales interiores, retículas, formas orgánicas
Metal totalmente denso, comparable al metal fundido o forjado tras el tratamiento térmico
Varias piezas fusionadas en una, ahorrando montaje y peso
Diseños ligeros a partir de la optimización topológica (software que elimina el material innecesario)

Límites

Máquinas, polvo y posprocesado muy caros
Necesita soportes, que hay que cortar o mecanizar
Las tensiones térmicas encerradas pueden deformar las piezas o desprenderlas de la placa
Lento, con superficies rugosas que a menudo necesitan mecanizado

Dónde se usa

EspacioInyectores de motores de cohete, cámaras de combustión, piezas de turbobombas
AeroespacialInyectores de combustible de motores a reacción, soportes, intercambiadores de calor
MedicinaCotilos de cadera e implantes de columna con superficies porosas, implantes a medida
DentalCoronas, puentes y estructuras de prótesis de cobalto-cromo
UtillajeMoldes de inyección con refrigeración conformal (canales que siguen la forma de la pieza)
Automovilismo deportivoSoportes ligeros, montantes, piezas de escape e hidráulicas

Cómo reconocerlo

Una superficie metálica gris mate y algo granulosa, a menudo con débiles líneas de capa.
Pequeñas cicatrices o zonas rugosas en las superficies orientadas hacia abajo, donde se retiraron los soportes.
Una base plana, a menudo mecanizada, donde la pieza se cortó de la placa de construcción.
Formas orgánicas, retículas o canales interiores que ningún taladro ni molde podría producir.

Compáralo con

Sinterizado selectivo por láser8.3la misma idea de lecho de polvo con nailon; no necesita soportes, pero solo para piezas de plástico.Proyección de aglutinante (binder jetting)8.5pega el polvo metálico en vez de fundirlo, y luego lo sinteriza en un horno; más barato por pieza, pero las piezas se contraen.Deposición por energía dirigida8.7alimenta polvo o hilo a un baño de fusión láser; construye o repara piezas más grandes, con detalle más grueso.

Míralo

RAPID DIRECT · Todo el flujo de trabajo SLM, explicado para principiantes

Billy Wu · Imágenes en primer plano de una pieza mientras se construye

3D Distributed · Una máquina trabajando: láser, chispas y recargador

NASA's Marshall Space Flight Center · Piezas de motores de cohete impresas en la NASA

Ver fotos reales

Wikipedia: Fusión selectiva por láser — esquema del proceso y fotos de piezas metálicas impresas
Búsqueda de fotos en Wikimedia Commons

Recuerda

La LPBF funde polvo metálico con un láser en gas inerte, construyendo piezas totalmente densas capa a capa.
Hace piezas metálicas complejas y ligeras que ningún otro proceso puede, pero despacio y a un coste elevado.
Los soportes, el tratamiento térmico, el corte de la placa y a menudo el mecanizado forman parte de cada trabajo.