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Aimme trabaja en la optimización de parámetros de procesado para un metal altamente conductor para ser procesado mediante esta tecnología

Procesado de nuevos materiales metálicos mediante tecnologías de fabricación aditiva por haz de electrones (EBM)

José Ramón Blasco, responsable de la Unidad de Nuevos procesos de fabricación de Aimme, y Elkin Martínez, técnico de la Unidad de Nuevos Procesos de fabricación25/02/2015

El principio de funcionamiento en el que se basa cada una de las técnicas de fabricación tradicionales utilizadas para producir componentes de ingeniería metálicos, les confiere ciertas ventajas en determinadas situaciones respecto a las demás. No existe una tecnología de fabricación ideal en sentido absoluto, sino que la idoneidad en la utilización de una u otra dependerá específicamente de las particularidades de cada componente a fabricar, tales como: material, número de piezas, tolerancias, complejidad geométrica, propiedades mecánicas, plazos, etc. Sin embargo, las últimas tendencias orientadas a disminuir tiempos de fabricación y plazos de entrega del número de piezas a fabricar (tiradas cortas y medianas), aumentar la vida útil y obtener productos de alto valor añadido, hacen necesaria una evolución de los sistemas de producción actuales hacia modelos más versátiles y flexibles, que aseguren los requerimientos de los sectores más exigentes.

En los últimos años ha evolucionado la tecnología de fabricación aditiva (TFA), que desde un fichero CAD 3D puede fabricar piezas mediante un principio de superposición de secciones horizontales de material denominadas ‘capas’. Por lo general, las TFA pueden ser una buena alternativa cuando el producto a fabricar tiene una geometría muy compleja, su tamaño es relativamente pequeño y el número de piezas a fabricar no es elevado. De hecho, cuanto más compleja, pequeña y de menor producción sea la pieza a fabricar, más sentido va a tener utilizar las tecnologías de fabricación aditiva como proceso de fabricación.

Las principales ventajas de las TFA son:

Reducción del tiempo necesario de puesta en el mercado para productos personalizados (Time-to-market reduction).
Alta libertad y flexibilidad en el diseño de producto.
Máximo ahorro de material.
No hay necesidad de inversión en moldes o utillaje.
Elevadas características mecánicas en ciertas tecnologías.
Piezas finales con densidad 100%.

Y los principales inconvenientes son:

Alto coste de la materia prima.
Anisotropía en las propiedades obtenidas por ciertas tecnologías.
Limitación de materiales disponibles.
Velocidad de producción bajo.
Calidad superficial y la precisión dimensional.
Costes de producción poco competitivos en medianos y grandes volúmenes.

Tecnología de fabricación aditiva por haz de electrones (EBM)

La tecnología de fusión por haz de electrones, EBM, nace en Suecia como evolución de la soldadura por haz de electrones. El trabajo se desarrolló en principio en colaboración con la Universidad Tecnológica de Chalmers en Gotemburgo (Suecia) y a partir de aquí se funda Arcam AB en febrero de 1997. El principio de funcionamiento de esta tecnología consiste en la emisión de un haz de electrones a partir de un filamento de tungsteno que funde selectivamente una capa de material en polvo esférico (45-100 µm de tamaño promedio) depositado previamente en una plataforma o placa de trabajo.

Figura 1. EBM en las instalaciones de Aimme.

Para habilitar el camino del haz de electrones hacia la plataforma de trabajo y evitar su desviación y pérdida de focalización, en la cámara de trabajo es necesario crear vacío a 10^-4 mbar, lo cual además favorece enormemente la buena fusión del metal procesado. Esta atmósfera de fabricación sin presencia de oxígeno es idónea para el procesado de aleaciones que tienen mucha reactividad o afinidad con el oxígeno, como el titanio y sus aleaciones.

Las ventajas destacables de esta tecnología son:

Capacidad de procesar cualquier material conductor eléctrico.
Posibilidad de fabricación de piezas altamente complejas.
Tecnología de fabricación aditiva con mayor productividad que las tecnologías de fabricación aditiva basadas en láser derivado de su mayor potencia (3.000 W).
Precaldeo del polvo antes de la fusión entre 400 y 1.000 ºC dependiendo de la aleación, ello implica mejores propiedades mecánicas y microestructurales del material final.
Ausencia de oxidación al fundir el polvo en atmosfera de vacío.
La tecnología EBM no tiene problemas de reflexión en el material fundido como ocurre con las tecnologías láser.

Procesado de materiales por EBM

Inicialmente, la tecnología EBM se desarrolló empleando metales ferrosos o base hierro, como aceros para herramientas y aceros de baja aleación. Posteriormente, continuó su evolución procesando titanio y sus aleaciones (Ti CP grado 2, Ti6Al4V, Ti6Al4V ELI) para aplicaciones en el sector biomédico, especialmente en la fabricación de implantes ortopédicos, y en la actualidad se ha ampliado un poco más la variedad de materiales, entre los que se encuentran: Co-Cr ASTM F75 e Inconel 718.

Figura 2: Ejemplos de piezas fabricadas en Ti64 en tecnología EBM. Izquierda: Pieza combinando estructuras reticulares y zonas macizas. Central: Implante cráneo-maxilofacial personalizado. Derecha: Cotilos acetabulares con estructuras trabeculares integradas para mejorar la osteointegración.

Debido a la relativa juventud de la fabricación aditiva, existen pocos materiales procesables con estas tecnologías respecto a los existentes para otros procesos de producción. Tener materiales procesables implica disponer de ellos en formato polvo, conocer los parámetros óptimos para poder transformar dicho polvo en piezas con densidad 100% y tener caracterizado técnicamente el resultado. Para ello, hay que llevar a cabo un procedimiento complejo para el cual Aimme dispone, además de las tecnologías de fabricación aditiva, de un importante equipo humano y un amplio número de equipos e instalaciones para la determinación de las propiedades de los materiales mediante ensayos destructivos y no destructivos. (Figura 3, Tabla 1).

Figura 3. Algunos equipos de laboratorio disponibles en Aimme.

Tabla 1. Resumen de los equipos de laboratorio disponibles.

En Aimme se dispone de las dos tecnologías de fabricación aditiva en metal que mayor acogida están teniendo a nivel industrial para fabricación de piezas metálicas: Tecnología SLM, que utiliza tecnología láser como fuente energética para fundir el metal y la tecnología EBM, que utiliza un haz de electrones para calentar y fundir el polvo. Con ambas tecnologías Aimme está trabajando para aumentar el número de materiales procesables a demanda del mercado. En la tecnología SLM, los materiales desarrollados han sido tres: Compuesto de matriz de acero inoxidable 316L reforzado con un 6% en peso de partículas cerámicas, la aleación CoCrMo ASTM F75 para aplicaciones del sector salud y aleación de CoCrMoW para aplicaciones dentales.

Figura 4: Imágenes obtenidas durante el desarrollo de una superaleación base Cobalto siendo procesada con la tecnología 'selective laser melting' (SLM). Izquierda: Las imágenes muestran la fusión de una de las capas de 32 probetas fabricadas simultáneamente con distintas configuración de procesado. Derecha: 32 Probetas fabricadas.

En tecnología EBM, se ha trabajado en el desarrollo de Ti6Al7Nb para aplicaciones de salud y una superaleación base Níquel no convencional para aplicaciones aeronáuticas.

Figura 5: Imágenes obtenidas durante el desarrollo de una nueva aleación con la tecnología 'electron beam melting' (EBM). Izquierda: Las imágenes muestran la fusión del material de una capa utilizando el estrategia de ‘multibeam’, (disgregación del haz de electrones en múltiples haces) El ‘multibeam’ se utiliza para obtener adecuada calidad superficial con una alta productividad. Derecha: Imagen del haz de electrones calentando el polvo de cada una de las capas para conseguir una alta temperatura antes de la fusión.

Los resultados de estos trabajos, ha permitido ampliar el número de metales procesables con tecnologías de fabricación aditiva, pudiendo usarse para la fabricación de piezas destinadas a sectores tan exigentes como el sector salud, dental, aeronáutico y aeroespacial.

En la actualidad, el Instituto Tecnológico trabaja en la optimización de parámetros de procesado para un metal altamente conductor para ser procesado por la tecnología (EBM). El desarrollo de este material, con un alto porcentaje en cobre (Cu), cuyas propiedades principales serán conductividad eléctrica, ductilidad y maleabilidad, permitirá que se pueda utilizar en aplicaciones eléctricas, energéticas y de telecomunicaciones.