Rumbo a la tercera dimensión

¿Pueden imprimirse en 3D componentes metálicos sofisticados de forma productiva y reproducible en serie? Los investigadores de Aquisgrán responden afirmativamente a esta pregunta: en el Instituto Fraunhofer de Tecnología Láser ILT, han transferido la deposición bidimensional de material por láser de alta velocidad extrema EHLA a un sistema CNC de cinco ejes modificado para la fabricación aditiva de componentes complejos. Al ampliar el proceso EHLA a la tercera dimensión, el instituto puede imprimir en 3D materiales difíciles de soldar, como aceros para herramientas, titanio, aluminio y aleaciones con base de níquel.

Durante décadas, dos procesos láser han dominado la impresión y el recubrimiento de componentes metálicos. La tecnología dominante en la impresión 3D metálica industrial directa es el proceso de fusión de lecho de polvo basado en láser (LPBF) patentado por Fraunhofer ILT hace 26 años. Aquí, la radiación láser funde una pequeña parte del material base y convierte el polvo en una capa sólida que se adhiere al material base metalúrgicamente. De este modo, un componente 3D crece a partir del lecho de polvo capa a capa.

La deposición de material por láser (LMD) también ha demostrado ser una tecnología de superficie eficaz de un tipo especial. En LMD, se forma una piscina fundida en la superficie del componente, en la que se introduce continuamente el material de relleno, alambre o polvo. Este baño funde tanto el sustrato como el material de relleno, dando lugar a una unión metalúrgica entre la capa y el sustrato del componente.

Con EHLA 3D, la productividad se hunde y nada con la interacción de fly-in y fly-out. Foto: Fraunhofer ILT, Aachen, Germany.

El potencial económico reside, por un lado, en la posibilidad de mejorar los componentes básicos con una capa funcional o realizar modificaciones locales aditivas de los componentes. El segundo ámbito de aplicación importante de la LMD es la reparación, es decir, la recuperación de componentes caros, por ejemplo, de la industria aeroespacial o la fabricación de herramientas. Los componentes desgastados o defectuosos pueden volver a ser totalmente funcionales tras el revestimiento local mediante LMD y, de este modo, ya no tienen que desecharse.

La LMD y la LPBF se han convertido en indispensables para la fabricación aditiva basada en metales, ya que presentan ventajas específicas del proceso: La LMD es atractiva gracias a su alta productividad, mientras que la LPBF puede utilizarse para la impresión 3D de componentes extremadamente filigranados y complejos. Fraunhofer ILT y la Cátedra de Producción Aditiva Digital DAP de la Universidad RWTH de Aquisgrán abrieron un camino completamente nuevo en 2012 con el desarrollo de la deposición de material por láser a velocidad extremadamente alta EHLA. En el proceso patentado, un láser funde las partículas de polvo ya por encima del baño de fusión. Gracias a esta innovación, la velocidad del proceso pudo aumentarse de la anterior de 0,5 a 2,0 (LMD) a hasta 200 m/min y el grosor del recubrimiento se redujo de 500 a hasta 10 µm. Ahora se pueden recubrir hasta cinco metros cuadrados por hora. Además, los revestimientos se han vuelto más lisos, con una rugosidad reducida a una décima parte del valor típico para LMD.

El invento ha calado: Hornet Laser Cladding B.V., de Lexmond (Países Bajos), por ejemplo, ha integrado en sus tornos una fuente de haz láser, un cabezal de procesamiento EHLA y un sistema de alimentación de polvo para utilizar EHLA en procesos industriales. Trumpf Laser- und Systemtechnik GmbH, con sede en Ditzingen (Alemania), también ha incluido el proceso en su cartera de productos y ofrece equipos láser y tecnologías de sistemas para el proceso EHLA. Entre los primeros usuarios se encuentran empresas de los Países Bajos, China, Alemania y Turquía. El gran avance se produjo en 2015 para el sector de alta mar: Desde entonces, muchos cientos de cilindros hidráulicos de metros de longitud se han recubierto con aleaciones resistentes al desgaste y la corrosión para su uso en todo el mundo en entornos marítimos.

La máquina CNC modificada para el proceso EHLA puede mover herramientas de forma rápida, muy dinámica y precisa en sentido lateral. Con una mesa giratoria e inclinable, es adecuada no solo para la fabricación aditiva, sino también para recubrimientos superficiales de forma libre. Foto: Fraunhofer ILT, Aachen, Germany.

En 2019 se dio el paso a la tercera dimensión tras otros éxitos en el recubrimiento rápido y fiable de discos de freno, pistones, cilindros y cojinetes. Jonathan Schaible, antiguo investigador asociado en Fraunhofer ILT, participó en el desarrollo posterior como parte de su doctorado: Se ocupó de la cuestión de qué requisitos especiales de la tecnología de máquinas y sistemas deben cumplirse para combinar EHLA con la impresión 3D de alta velocidad. Paralelamente, su sucesor, Min-Uh Ko, ha seguido perfeccionando la ingeniería de procesos en un sistema CNC de cinco ejes especialmente modificado que aúna la máxima precisión con altas velocidades de avance para la fabricación aditiva, el recubrimiento de forma libre y la reparación de componentes mediante EHLA.

“EHLA 3D combina la productividad de LMD, con sus capas de 500 a 2.000 µm de grosor, con la precisión estructural de LPBF, con capas de 30 a 100 µm de grosor”, explica Min-Uh Ko, jefe de grupo de Fabricación Aditiva y Reparación LMD del Instituto Fraunhofer de Tecnología Láser ILT. “EHLA 3D se sitúa en el rango medio con 50 a 300 µm”.

La baja zona de dilución y la alta velocidad de enfriamiento también hablan en favor del proceso. Gracias a estas propiedades, también pueden fabricarse de forma aditiva componentes de materiales difíciles de soldar y emparejamientos multimaterial. El proceso muestra sus puntos fuertes en la impresión 3D real. El científico Ko explica: “Con EHLA 3D es posible fabricar de forma productiva componentes que ya se aproximan mucho al contorno final. Además de la llamada conformación cercana a la red, el proceso también permite construir con rapidez y precisión, así como aplicar revestimientos sobre superficies de forma libre”.

Formas complejas en un tiempo récord

Esto sólo es posible con una tecnología de máquinas adecuadamente diseñada y una planificación adaptada de la trayectoria de los programas CNC. La productividad se hunde o nada aquí, ya que el llamado fly-in —cuando el cabezal láser acelera hasta el punto de uso con el rayo láser encendido— interactúa con el posterior fly-out —cuando desacelera fuera de la zona de procesamiento—. La eficacia resulta de la relación entre el tiempo de procesamiento con el rayo láser encendido y el tiempo total del proceso. Las investigaciones de Schaible así lo demuestran: Con una aceleración de 50 m/s² y una velocidad de avance de 50 m/min para una distancia de 100 mm, la eficiencia M-PDE (machine-related powder deposition efficiency) se sitúa en torno al 80%. Con una aceleración de 10 m/s², la M-PDE es de aproximadamente el 40%.

El esfuerzo del instituto por seguir desarrollando el proceso EHLA ha dado sus frutos, como lo demuestran las primeras demostraciones realizadas con éxito. En el ‘AKL'22 - Congreso Internacional de Tecnología Láser’ celebrado en Aquisgrán (Alemania), el científico Ko mostró los avances actuales de la tecnología EHLA 3D durante su presentación en la primavera de 2022. Por ejemplo, un vídeo demostró la fabricación aditiva productiva de una herramienta de conformado cuyo tiempo de impresión podría reducirse en un factor de dos en comparación con LMD. Además, otras ventajas se derivan de la reducción del esfuerzo necesario para el mecanizado de acabado.

El proceso también se caracteriza por su alta eficiencia: Los componentes fabricados con el material aeroespacial Inconel 718 se imprimieron en 3D en el sistema CNC de cinco ejes a una velocidad de deposición de más de 2 kg/h con una densidad superior al 99,5 por ciento. Los investigadores de Aquisgrán también investigaron cómo cambian los valores característicos cuando trabajan con polvo de metal reciclado en lugar de nuevo. En ambos casos, la resistencia a la tracción Rm se situó en torno a 1.300 MPa. Ko explica: “En ambos casos, la resistencia a la tracción resultó ser igual de buena que con la fundición”. También obtuvo buenos resultados el científico Schaible, cuyo trabajo incluyó el desarrollo del proceso EHLA 3D de componentes de acero inoxidable 316L y aleaciones de aluminio y silicio. También en este caso, las propiedades mecánicas obtenidas coinciden con las descritas en la bibliografía para muestras producidas convencionalmente. La resolución estructural actualmente posible de los componentes de aluminio de pared delgada producidos mediante EHLA 3D es de alrededor de 500 µm.

El sistema CNC ubicado en Fraunhofer ILT es un prototipo especialmente adaptado que puede mover la herramienta de forma fiable, precisa y, al mismo tiempo, muy dinámica. Ko invita a los interesados a mirar un poco más de cerca: “Si está interesado en esta tecnología de planta o en otros posibles usos del proceso EHLA 3D, estaré encantado de ayudarle aquí en Fraunhofer ILT”.