Casos prácticos de fabricación aditiva con metales

Additive Manufacturing: comparación entre impresoras studio system desktop metal, convencional de filamento y binder jetting

En Ecrimesa Group hemos realizado en los últimos años un extenso trabajo de benchmarking sobre soluciones y proveedores de impresoras 3D para implantar esta tecnología tanto en la fabricación de prototipos previos a la fabricación del molde como para acelerar el proceso MIM mediante el estudio de prototipos de las piezas finales. Asimismo, se producen con Additive Manufacturing series cortas de piezas con geometría compleja. En este proceso de estudio, se han realizado casos prácticos con la impresora Studio System de Desktop metal, Raise 3D y Binder Jetting. Estas son nuestras conclusiones.

IMPRESORA STUDIO SYSTEM DESKTOP METAL 

Para realizar una evaluación más precisa de la calidad que se puede obtener con la impresora Studio System de Desktop Metal, se imprimen prototipos en material 17-4PH con 3 calidades diferentes y se procesan para hasta el sinterizado para elaborar el análisis sobre piezas metálicas.   

PROTOTIPO	BOQUILLA	ALTURA DE CAPA
A	250 μm	0,05 mm
B	400 μm	0,15 mm
C	400 μm	0,3 mm

El prototipo A marca la calidad superficial más óptima que se puede obtener con la máquina, con boquilla de 250µm y altura de capa 0,05mm, mientras que el prototipo C refleja la calidad menos óptima de la máquina, impresa con boquilla estándar de 400µm y altura de capa 0,3mm. El prototipo B refleja una calidad intermedia entre el A y el C. Se trata de la calidad más óptima que puede imprimir la boquilla estándar de 400µm. Las propiedades obtenidas después de desbanderizar y sinterizar se recogen en la siguiente tabla. A mayor calidad superficial (menores diámetro de boquilla y altura de capa) mejor densidad y estructura obtenemos. Cuanto mayor es la boquilla y la altura de capa, mayores son los defectos de impresión que dan lugar a densidades bajas después de sinterizar.  

PROTOTIPO	BOQUILLA	ALTURA DE CAPA	DENSIDAD	% C	DUREZA
A	250 μm	0,05 mm	7,64 g/cc	0,03	288 HV10
B	400 μm	0,15 mm	7,60 g/cc	0,03	291 HV10
C	400 μm	0,3 mm	7,46 g/cc	0,04	192 HV10

Si se evalúa la deformación de los prototipos obtenemos el efecto contrario. La deformación aumenta cuanto menor es la boquilla y la altura de capa, obteniendo prototipos con necesidad de procesos posteriores de enderezado para conseguir tolerancias asumibles.

PROTOTIPO	BOQUILLA	ALTURA DE CAPA	DEFORMACIÓN / ÓVALO
A	250 μm	0,05 mm	0,17 mm
B	400 μm	0,15 mm	0,05 mm
C	400 μm	0,3 mm	0,01 mm

Es importante encontrar un equilibrio entre la calidad superficial obtenida y la deformación del prototipo sinterizado. Finalmente se establece una relación entre la calidad superficial, tiempo de impresión y precio de cada prototipo estudiado.  

PROTOTIPO	BOQUILLA	ALTURA DE CAPA	DEFORMACIÓN / ÓVALO	COSTE
A	250 μm	0,05 mm	0,17 mm	10,17 €
B	400 μm	0,15 mm	0,05 mm	9,83 €
C	400 μm	0,3 mm	0,01 mm	9,60 €

IMPRESORA CONVENCIONAL DE FILAMENTO       

Ecrimesa Group ha adquirido en sus instalaciones una impresora convencional de filamento que, al igual que la Studio System de Desktop Metal, utiliza la tecnología de impresión FDM pero se diferencia en que la materia prima viene dada en forma de filamento en lugar de barras. La tecnología de fabricación también la podemos encontrar definida en este caso como FFF (Fused Filament Fabrication). La ventaja que posee esta impresora frente a la Studio System es que es una impresora con material abierto, es decir, es capaz de imprimir filamentos de distintos proveedores incluso filamentos desarrollados para uso y aplicaciones concretos. Por esta razón, Mimecrisa ha apostado por el desarrollo de filamentos en colaboración con el CDTI y un centro tecnológico (aceros inoxidables, aceros al carbono de baja aleación, superaleaciones, etc), desde hace más de dos años para impresión de prototipos y procesado dentro de sus instalaciones, además de poder utilizar los filamentos comerciales que ya existen en el mercado. 

TECNOLOGÍA BINDER JETTING CON ECRIMESA GROUP 

Según la evaluación realizada en Ecrimesa Group sobre los prototipos impresos mediante tecnología Binder Jetting, se puede concluir que las propiedades finales de las piezas impresas por esta tecnología son las más similares a la tecnología MIM, si comparamos las técnicas Additive Manufacturing basadas en sinterizado. Sin embargo, la inversión necesaria para la implantación de la tecnología Binder Jetting resulta mucho mayor que en el caso de la tecnología FDM. Es por esto por lo que se contempla la subcontratación de trabajos Binder Jetting siempre que el proyecto así lo requiera, esperando a la maduración y asentamiento de la tecnología antes de incorporar la compra de la maquinaria al grupo.   En el siguiente punto se enumeran algunas recomendaciones de diseño para tener en cuenta antes de imprimir piezas mediante tecnología Binder Jetting (fuente: www.digitalmetal.tech):  

• Longitud máxima: Preferiblemente <50 mm en la dirección más larga, pero permisible hasta las dimensiones de la caja de impresión a escala. 
• Tamaño mínimo: 1 x 1 x 3 mm. 
• Esquina R: 35 µm.
• Chaflán: Pasos de 35 µm en dirección Z. 
• Resolución: 35 µm. 
• Espesor de pared: Preferiblemente > 300 µm, hasta 150 µm según el área y el diseño. 
• Agujeros: > 200 µm. 
• Calidad de la superficie: Ra 6 µm (sin operaciones secundarias). 

CASOS PRÁCTICOS DE PROTOTIPOS USANDO BINDER JETTING 

El proceso de sinterizado es una de las etapas fundamentales más críticas de la tecnología Binder Jetting. El ciclo de sinterizado debe optimizarse en cada material para obtener piezas metálicas con la densidad, carbono y deformación adecuados. Sinterizar en ciclos de sinterizado no adecuados puede traducirse en problemas de defectos, deformaciones, factores de contracción erróneos, propiedades incorrectas, etc. En este sentido, Ecrimesa Group posee un Know-How en el proceso de sinterizado afianzado durante años de experiencia. Tanto es así que todas las pruebas de sinterizado de prototipos Binder Jetting realizadas en Ecrimesa Group tienen mejores resultados de densidad, carbono y deformación que los prototipos recibidos ya sinterizados por los proveedores de máquinas de impresión.

	MATERIAL: 316L	MATERIAL: 316L	MATERIAL: 316L
	DENSIDAD	% C	ÓVALO
PROVEEDOR	7,72-77 g/cc	0,011	0,01 mm
MIMECRISA	7,72-77 g/cc	0,003	0,01 mm

	MATERIAL: 316L	MATERIAL: 316L	MATERIAL: 316L
	DENSIDAD	% C	ÓVALO
PROVEEDOR	7,90-92 g/cc	0,011	0,20 mm
MIMECRISA	7,87-89 g/cc	0,007	0,14 mm

	MATERIAL: 17-4PH	MATERIAL: 17-4PH	MATERIAL: 17-4PH
	DENSIDAD	% C	ÓVALO
PROVEEDOR	7,63-65 g/cc	0,010	0,15 mm

	MATERIAL: 316L	MATERIAL: 316L	MATERIAL: 316L
	DENSIDAD	% C	ÓVALO
MIMECRISA	7,85 g/cc	0,004	0,01 mm

En Ecrimesa Group utilizamos Additive Manufacturing para: 

• Fabricación de prototipos previa fabricación del molde con propiedades lo más parecidas posibles a las obtenidas con la tecnología MIM.  
• Posibilidad de ofrecer al cliente estudios de diseño con prototipos previa fabricación del molde.  
• Aceleración del proceso MIM mediante estudios sobre prototipos (posicionamientos de sinterizado, apoyos de sinterizado, estudio de deformaciones, defectos, etc).  
• Fabricación de series cortas de piezas con geometría compleja, cuya inversión en molde MIM no procede por limitaciones geométricas o por el coste del mismo.