En el fabricación aditiva paisaje, elegir entre metal binder jetting vs sinterizado directo de metal por láser es una forma eficaz de determinar el éxito del proyecto. Lo mejor de todo es su rentabilidad y eficacia productiva. Con el tiempo, la impresión 3D metálica de precisión está avanzando gradualmente, y la comprensión de estas dos tecnologías fundamentales es crucial para los ingenieros, diseñadores y fabricantes que buscan la solución óptima. soluciones de fabricación aditiva de metales.

Aunque ambos procedimientos son avances importantes en la impresión 3D industrial, tienen usos muy diferentes en el sector de la AM metálica. Para ayudarle a tomar la difícil decisión entre la impresión 3D por chorro de metal y la fusión por lecho de polvo láser (LPBF), este análisis exhaustivo compara estas tecnologías de prototipado rápido en la fabricación de producción.

Este exhaustivo manual cubre todas las facetas del sinterizado directo de metales por láser (DMLS) y el chorro de aglutinante metálico, proporcionándole los conocimientos necesarios para tomar decisiones de fabricación que satisfagan sus necesidades únicas y sus limitaciones financieras.

Conocimiento de la tecnología de inyección de ligantes metálicos: Procesamiento avanzado de lechos de polvo

¿Qué es la inyección de ligante metálico en la fabricación aditiva?

Una técnica vanguardista de fabricación aditiva denominada Metal Binder Jetting (MBJ) aplica agentes aglutinantes líquidos a lechos de polvo metálico de forma selectiva. El proceso de impresión 3D por chorro de aglutinante, también conocido como impresión 3D por chorro de metal, es un avance de un procedimiento anterior de una década o más conocido como DMLS (sinterización directa de metal por láser). Esta tecnología de impresión 3D industrial, uno de los siete tipos de fabricación aditiva, presenta ventajas especiales para la fabricación a escala. En el proceso de inyección de aglutinante se utilizan dos materiales: un aglutinante y una sustancia en polvo. Normalmente, el material de construcción se presenta en forma de polvo y el aglutinante en forma líquida. Este novedoso método utiliza la unión química en lugar de la fusión térmica, seguida de procedimientos cruciales de sinterización y desbobinado, para producir "piezas ecológicas" en contraste con las tecnologías basadas en la fusión.

El proceso de inyección de ligante metálico

1. Esparcimiento del polvo: La plataforma de construcción está cubierta uniformemente de finos polvos metálicos.
2. Encuadernación selectiva: El aglutinante líquido se deposita con precisión sobre áreas específicas mediante cabezales de inyección de tinta industriales.
3. Edificio de capas: Repitiendo el procedimiento capa a capa, se producen intrincadas estructuras tridimensionales.
4. Retirada de la pieza verde: Retirada cuidadosa de los componentes ligados del lecho de polvo
5. Debinding: El aglutinante se elimina por métodos térmicos o químicos.
6. Sinterización: Proceso de fusión de partículas metálicas en piezas densas y útiles en un horno de alta temperatura.

Principales ventajas del chorro de ligante metálico

Velocidad de producción superior para la fabricación de grandes volúmenes: La inyección de aglutinante es la opción recomendada para la impresión 3D de metales en la producción en serie, ya que puede producir materiales entre 10 y 100 veces más rápido que el DMLS. La personalización en masa y los escenarios de producción de tiradas cortas son posibles gracias a esta capacidad de fabricación rápida, que no es posible con la fabricación aditiva convencional basada en láser.

Fabricación aditiva sin soporte: No se necesitan estructuras de soporte adicionales y se desperdicia menos material porque, a diferencia de los procesos de fusión de lecho de polvo por láser (LPBF), el lecho de polvo circundante soporta de forma natural los elementos salientes y las geometrías complejas. Gracias a esta ventaja, es posible fabricar geometrías complejas sin las limitaciones de diseño que conllevan los procesos de fusión térmica.

Producción rentable por volumen: La inyección de aglutinante es la mejor opción para la impresión 3D de metales de bajo coste porque es precisa, rápida y menos costosa que las técnicas de fusión de lecho de polvo como el DMLS. Este método económico de fabricación aditiva ofrece ventajas sustanciales para la fabricación de volúmenes medios, ya que utiliza el polvo de forma eficiente y requiere menos posprocesamiento.

Flexibilidad de diseño: Sin las limitaciones de la fabricación convencional, ahora son posibles geometrías intrincadas, estructuras reticulares y canales internos complejos.

Versatilidad de materiales: Adecuado para una gama de polvos metálicos, como aleaciones de cobre, aceros para herramientas, acero inoxidable y materiales especiales para usos particulares.

Densidad y rendimiento del chorro de ligante metálico

Mediante la optimización del proceso, se ha demostrado que el chorro de aglutinante metálico produce notables mejoras de densidad. En comparación con las distribuciones de polvo estándar, las distribuciones de tamaño bimodal demostraron un aumento estadísticamente significativo de la densidad de 20% y de la resistencia última a la flexión de 170%. Se ha demostrado que diez materiales pueden alcanzar una densidad relativa superior a 90% con el procedimiento de sinterización y la optimización de parámetros adecuados.

Según los estudios, el acero inoxidable 316L se sometió a pruebas de sinterización a 1300°C y 1370°C, obteniéndose densidades relativas de 85,0% y 96,4%, respectivamente. Estos resultados pueden mejorarse aún más con sofisticados métodos de procesamiento, con HIP de piezas impresas y sinterizadas hechas con polvos bimodales que producen una densidad máxima de 97,32%.

Sinterización directa de metales por láser (DMLS): Fusión avanzada de lecho de polvo por láser

¿Qué es el DMLS en la fabricación aditiva de metales?

Utilizando potentes láseres de fibra, Sinterización directa de metales por láser (DMLS) fusiona selectivamente partículas de polvo metálico a temperaturas cercanas a sus puntos de fusión. Fusión de lecho de polvo (PBF), el término estándar de ASTM, es otro nombre para el sinterizado directo de metal por láser (DMLS). Una de las técnicas de impresión 3D de metales más populares para aplicaciones de fabricación de alto rendimiento y precisión es la fusión de lecho de polvo con láser (LPBF). La LPBF es una técnica de fabricación aditiva, impresión 3D o prototipado rápido método que utiliza un láser de alta potencia para fundir y fusionar polvos metálicos.

El flujo de trabajo del proceso DMLS:

1. Preparación CAD: Se cortan modelos digitales y se utilizan para crear estructuras.
2. Aplicación del polvo: Capas finas de polvo metálico dispersadas con precisión
3. Escaneado láser: Mediante la geometría transversal, los láseres de fibra sinterizan selectivamente el polvo.
4. Bajada de la plataforma: Construye una plataforma que baje para hacer sitio a capas posteriores.
5. Repetición de capas: El procedimiento continúa hasta que la pieza está completamente formada.
6. Extracción y refrigeración: La deformación y el estrés térmico se evitan con un enfriamiento controlado.
7. Después del procesamiento: Acabado superficial, eliminación de soportes y posible tratamiento térmico

Principales ventajas del sinterizado directo de metales por láser

Propiedades mecánicas superiores para usos cruciales: Las piezas procesadas mediante DMLS suelen tener una alta densidad (aproximadamente 95%) y cualidades mecánicas superiores, lo que hace que este método de impresión 3D de metales de alta resistencia sea perfecto para la ingeniería de precisión, la fabricación de dispositivos médicos y la fabricación aeroespacial. Con densidades de hasta 99,5% de metal sólido, el DMLS crea piezas con propiedades mecánicas similares a las de los materiales forjados.

Excelente precisión dimensional y calidad superficial: Los excelentes acabados superficiales y tolerancias dimensionales hacen que los componentes sinterizados por láser sean ideales para aplicaciones de fabricación de precisión que requieren poco procesamiento posterior.

Rendimiento avanzado de los materiales: El DMLS procesa aleaciones de alto rendimiento utilizando partículas de polvo parcialmente fundidas por el rayo láser. Las aleaciones de aluminio (AlSi10Mg) y titanio (Ti6Al4V) han demostrado ser muy prometedoras en DMLS para su uso en aplicaciones biomédicas y otras situaciones de fabricación cruciales que requieren materiales del más alto calibre.

Integridad estructural y propiedades de los materiales: Las piezas de sinterizado directo de metal por láser son más resistentes, densas y precisas que las piezas de metal fundido. Esta tecnología de fusión de lecho de polvo consigue una excelente adherencia de capas y control microestructural, lo que produce unas propiedades isotrópicas del material necesarias para las aplicaciones de carga.

Producción precisa: Perfecta para aplicaciones de ingeniería complejas, consigue una resolución de rasgos fina y tolerancias ajustadas.

Características de rendimiento del DMLS

Aunque los estudios demuestran que SLM/DMLS puede crear componentes metálicos de densidad completa a partir de materiales difíciles, a menudo sufre importantes tensiones residuales que se añaden durante el procesamiento. Para crear los insertos de moldes 3D que pueden utilizarse en aplicaciones RP en el futuro, puede optarse por la operación DMLS frente al uso de métodos de posprocesamiento, aglutinante y fuerza mecánica.

Metal Binder Jetting vs Sinterizado Directo de Metal por Láser: Comparación detallada

Comparación de la velocidad de fabricación y el rendimiento de la producción

Ventajas de la velocidad de inyección de ligante metálico para la producción a gran escala:

• Velocidad de fabricación diez veces superior a la de los métodos láser
• La fabricación por lotes y la producción de piezas son posibles gracias a los múltiples cabezales de inyección de tinta.
• Los tiempos de enfriamiento típicos de los procesos de fusión térmica se eliminan con el funcionamiento sin calor.
• Menor tiempo de preparación gracias a las capacidades de fabricación que no requieren asistencia
• Dispersión continua de polvo sin tiempos de espera para la calefacción
• Tiradas de producción de gran volumen con una optimización superior del rendimiento

Factores de velocidad del DMLS para una fabricación precisa:

• En la fusión de lechos de polvo por láser, el barrido láser secuencial restringe la velocidad total de construcción.
• En el tratamiento térmico, son necesarios tiempos de enfriamiento entre capas.
• La creación de estructuras de soporte alarga los tiempos de procesamiento y utiliza más materiales.
• Los tiempos de escaneado más largos son necesarios para garantizar la calidad cuando los requisitos de precisión son mayores.
• La optimización del rendimiento en aplicaciones críticas está limitada por los requisitos de densidad energética.

Análisis de la densidad y las propiedades mecánicas de las piezas

Comparación exhaustiva del rendimiento de los procesos de AM de metales:

¹ Basado en investigaciones que muestran densidades de 85,0% y 96,4% a 97,32% con procesamiento avanzado. ² Basado en estudios que indican una densidad en torno a 95% con excelentes propiedades mecánicas.

Marco de análisis económico para el ROI de la impresión 3D en metal

Beneficios de costes de la inyección de aglutinante metálico para la fabricación en serie:

• Equipos más económicos que los sistemas láser
• Menor consumo de energía al imprimir
• Reducción del desperdicio de material con unas necesidades mínimas de material de apoyo
• Índices efectivos de utilización del polvo (>95%) en la fabricación por lotes
• Procedimientos de postprocesado racionalizados para una producción económica
• Ventajas de las economías de escala en la fabricación de volúmenes medios y altos

Consideraciones sobre el coste del DMLS para aplicaciones de precisión:

• Los sistemas láser requieren una mayor inversión inicial en equipos.
• Mayor consumo de energía como resultado de las potentes operaciones láser
• Estructura de apoyo a las operaciones de retirada y costes de material
• necesidades específicas de una atmósfera inerte (gas argón/nitrógeno)
• Técnicas de postprocesamiento ampliadas, como el tratamiento térmico
• Costes del control de calidad para aplicaciones importantes y especificaciones de certificación

Compatibilidad de materiales y procesamiento avanzado de aleaciones

Cartera de materiales de inyección de ligantes para uso industrial: Entre los muchos materiales que se han procesado con éxito en la investigación se encuentran diez que han demostrado alcanzar una densidad relativa superior a 90% en aplicaciones pulvimetalúrgicas.

Aplicaciones que requieren resistencia a la corrosión utilizando aceros inoxidables (316L, 17-4PH y 420)

• Aceros para herramientas (H13, D2 y M2) para la fabricación de matrices y herramientas
• Aplicaciones del cobre y sus aleaciones en el control eléctrico y térmico
• Composiciones de latón y bronce para elementos ornamentales y prácticos
• Materiales magnéticos específicos para campos electromagnéticos

Capacidades de materiales avanzados del DMLS para usos de alto rendimiento: La impresión DMLS puede procesar una amplia gama de metales y aleaciones metálicas, lo que permite aplicaciones de fabricación biomédica y aeroespacial.

• Ti-6Al-4V y Aleaciones de titanio Ti-6Al-7Nb para elementos estructurales ligeros
• Aleaciones de aluminio para uso en automóviles y aviones (AlSi10Mg, AlSi7Mg)
• Superaleaciones basadas en níquel (Inconel 718, 625) para uso a altas temperaturas
• Aleaciones de cobalto-cromo para piezas resistentes al desgaste e implantes biomédicos
• Materiales endurecidos por precipitación y aceros martensíticos para aplicaciones de utillaje

Selección estratégica de aplicaciones: Cuándo elegir cada proceso de impresión 3D sobre metal

Cuándo elegir la inyección de aglomerante metálico para la fabricación en serie

Aplicaciones óptimas para una fabricación aditiva rentable:

• Las piezas del motor, las cajas de transmisión y los sistemas de gestión térmica son ejemplos de componentes de automoción.
• Herramientas industriales: Dispositivos a medida, plantillas y medios auxiliares de producción de potencia moderada
• Bienes de consumo: Prototipos funcionales, elementos ornamentales y componentes de hardware
• Producción en volumen: Fabricación eficiente por lotes de tamaño medio (100-10.000 unidades)
• Proyectos sensibles a los costes: Aplicaciones que anteponen la asequibilidad al rendimiento óptimo

En las aplicaciones aeroespaciales, donde los fabricantes optan por la inyección de ligante por su capacidad de velocidad y libertad de diseño para componentes no críticos y aplicaciones de prototipado rápido, la tecnología es especialmente eficaz.

Cuándo elegir el sinterizado directo de metales por láser para aplicaciones críticas

Casos de uso ideales para la fabricación aditiva de metales de alto rendimiento:

• Aplicaciones aeroespaciales: Elementos estructurales, piezas de turbinas y componentes cruciales para el vuelo que necesitan certificación aeroespacial
• Productos sanitarios incluyen dispositivos específicos para cada paciente, herramientas quirúrgicas e implantes biocompatibles.
• Ingeniería de precisión: Componentes de alta tolerancia que requieren una calidad superficial y una precisión dimensional superiores

Las aplicaciones que requieren las propiedades mecánicas y los niveles de fiabilidad más elevados son ejemplos de componentes de rendimiento crítico.

Desarrollo de prototipos: Validación del diseño mediante pruebas funcionales de las propiedades de los materiales de uso final

Para aplicaciones de misión crítica en las que los requisitos de certificación de materiales exigen propiedades de material trazables y el fallo de las piezas es inaceptable, el DMLS destaca.

Integración de la Industria 4.0 y capacidades de fabricación digital

Integración de la fabricación inteligente para una producción moderna

Los procedimientos DMLS y de inyección de aglutinante metálico se integran fácilmente en los proyectos de la Industria 4.0, proporcionando capacidades de fabricación digital que revolucionan los flujos de trabajo de producción convencionales:

Tecnología Digital Twin: Mediante la integración de sensores y algoritmos de aprendizaje automático, ambos procedimientos permiten optimizar la calidad y controlar los procesos, al tiempo que facilitan la supervisión en tiempo real y el análisis predictivo.

Optimización de la cadena de suministro: La personalización masiva y las estrategias de producción distribuida, facilitadas por la capacidad de fabricación a la carta, pueden reducir las necesidades de inventario y permitir que las cadenas de suministro mundiales accedan a nuevos conjuntos de productos y servicios. 

Trazabilidad y garantía de calidad: La trazabilidad de las piezas producidas puede identificarse completamente a través del lote de polvo hasta la inspección final con la supervisión avanzada del proceso que ayuda con las necesidades de certificación de dispositivos médicos y certificación aeroespacial. 

Consideraciones de calidad y operaciones de postprocesado

Estrategias de optimización de la calidad del chorro de ligante metálico

Optimización avanzada del sinterizado: Mediante la sinterización de los componentes a 1485 C de 5 a 30 minutos (presión de 1,83 MPa), fue posible alcanzar densidades cercanas a la teórica de 14,1 a 14,2 g/cm 3. Los regímenes adecuados de temperatura, atmósfera y velocidad de enfriamiento tienen un gran efecto en las propiedades de la pieza acabada y en su estabilidad dimensional. 

Optimización de la densidad de la distribución granulométrica: Las mezclas multimodales (bimodales o trimodales) empaquetan más densamente que los componentes de la mezcla, y las fracciones de mezcla óptimas muestran las mejores densidades de empaquetamiento de la mezcla para mejorar la mecánica. 

Métodos de tratamiento secundario: En el caso de algunas especificaciones de ingeniería que requieren un mejor rendimiento, las operaciones de infiltración utilizando bronce o sustancias de tipo polimérico mejorarán las propiedades de densidad y resistencia. 

Proceso de acabado superficial: Los procesos de revestimiento, acabado químico y mecánico mejoran el elemento operativo de la pieza y la resistencia a la corrosión de la superficie. 

Protocolos avanzados de garantía de calidad DMLS

Control de procesos en tiempo real: En la fabricación aditiva L-PBF, mediante el aprendizaje automático, la fusión de sensores puede proporcionar detección in situ en tiempo real de defectos durante la fabricación, mejorando significativamente el control de calidad del proceso y reduciendo la cantidad de herramientas de inspección no destructivas, como la tomografía computarizada por rayos X (XCT), que deben utilizarse para alcanzar la misma calidad. 

Optimización del tratamiento térmico: Los procesos térmicos que se aplican después del tratamiento térmico ayudan a conseguir la estabilidad dimensional y la producción de propiedades homogéneas de los materiales mediante la optimización de la microestructura y la eliminación de las tensiones inducidas por la forma y desencadenadas por el enfriamiento a alta velocidad. 

Es posible el acabado aditivo de superficies críticas y el mecanizado de alta tolerancia con CNC convencional incluso en acabados críticos, además de mantener las ventajas de la fabricación aditiva; esto se consigue combinando el DMLS con el mecanizado CNC convencional. Esto se denomina integración de la fabricación híbrida. 

Evolución tecnológica y consideraciones futuras

Nueva química aglutinante: Los nuevos agentes aglutinantes aumentan la compatibilidad de los materiales, reducen los tiempos de desbobinado y fabrican piezas verdes más resistentes. 

Capacidad multimaterial: El procesamiento de más de un polvo metálico a la vez crea posibilidades para combinar la integración funcional de piezas y materiales gradientes. 

Automatización de procesos: El procesamiento automatizado de las piezas, la eliminación de la complejidad del posprocesamiento, la automatización de la retirada de piezas y la oferta de manipulación integrada del polvo reducen la mano de obra y consiguen altos niveles de consistencia. Avances en la tecnología DMLS. El sistema láser: La mejora del sistema láser mediante el uso de sistemas multi-láser, alta densidad de potencia y mayor calidad del haz, puede incrementarse para aumentar el rendimiento sin comprometer la precisión. 

Desarrollo de la pólvora: La fiabilidad del procesado y el potencial de aplicación aumentan al mejorar las características de las partículas y desarrollar nuevas combinaciones de aleaciones. 

Supervisión de procesos: Las modernas tecnologías de detección permiten el control de calidad y el mantenimiento predictivo del proceso en tiempo real. 

Tomar la decisión correcta: Marco de decisión

Evaluación de los requisitos técnicos

Fortaleza y prioridades de actuación:

• Para sacar el máximo partido a los aspectos mecánicos y a la integridad estructural, elija el DMLS. 
• Si los requisitos de resistencia son moderados y se desea una ventaja de costes, utilice el chorro de ligante.

Evaluación de la complejidad geométrica: 

• El chorro de ligante también es extraordinario en regiones de geometría interna compleja y no tiene la limitación de las estructuras de soporte. 
• El DMLS es un valor excepcional en términos de requisitos dimensionales clave. 

Factores de volumen y plazos: 

La inyección de aglutinante es más eficaz cuando se dispone de un gran volumen de producción. El DMLS tiene la capacidad de beneficiar a aplicaciones de bajo volumen y alta precisión. 

Metodología de análisis económico: Cálculo del coste total de propiedad

Inversión en equipos: Costes iniciales de la máquina/requisitos de las instalaciones 

Coste del material: El coste del polvo, el aglutinante utilizado y los residuos 

Tiempo de tramitación: Tasas de mano de obra y rendimiento. 

Los gastos de mantenimiento cubren los costes de los contratos de servicio y la sustitución de piezas consumibles. 

Aplicaciones industriales y casos prácticos

Implantación en la industria aeroespacial

En un ámbito concreto, el de las aplicaciones aeroespaciales, donde ambos procesos se utilizan de forma potencialmente crítica, hoy en día la mayoría de los investigadores y empresas consideran que SLM (Selective Laser Melting) y DMLS (Direct Metal Laser Sintering) son tecnologías casi sinónimas.

Escalabilidad en la fabricación

Como se demuestra en la investigación, el DMLS sigue evolucionando en sus usos de precisión, y la investigación actual aborda cómo la densidad, la textura, las características superficiales y la microestructura de las aleaciones utilizadas en el chorro de ligante se ven influidas por la calidad sucesiva del polvo y el ligante, las variables de procesamiento y los métodos de sinterización. 

Guías profesionales y buenas prácticas Estrategias de optimización para las dos tecnologías

Diseño para la fabricación aditiva (DfAM): Aproveche las propiedades únicas de ambas tecnologías en el diseño de componentes. Optimice de forma inteligente la geometría para minimizar tanto el postprocesado. Tenga en cuenta el impacto de la orientación y las propiedades del material utilizado. 

Guías de garantía de calidad: Desarrollar regímenes exhaustivos de pruebas en aplicaciones esenciales. Documentar los procesos y hacer un seguimiento de los materiales. Establezca requisitos de aceptación según los requisitos específicos del uso final. 

Conclusiones: Decisiones estratégicas de fabricación

Al comparar el chorro de ligante metálico con el sinterizado directo de metales por láser, la aplicación es un factor que debe tenerse muy en cuenta debido a la criticidad de la aplicación, los volúmenes de producción, las limitaciones de costes y las necesidades de rendimiento de la aplicación. A juzgar por los estudios, el chorro de aglutinante metálico presenta ventajas pronunciadas en la producción de volúmenes económicos con densidades relativas superiores al 90 por ciento mediante el contacto con condiciones de procesamiento óptimas, mientras que el DMLS tiene una densidad elevada (aproximadamente el 95 por ciento) y propiedades mecánicas superiores para satisfacer los requisitos exigentes. Conocer estas tecnologías de fabricación aditiva en relación con la impresión 3D metálica y la fusión de lecho de polvo permite a los fabricantes hacer realidad el servicio de personalización masiva, fabricación de producción y prototipado rápido, que es la marca de la mayoría de las soluciones de impresión 3D industriales de hoy en día. 

Esto nos proporciona un profundo conocimiento de las tecnologías de impresión 3D por chorro de metal y de fusión de lecho de polvo láser, lo que a su vez puede ayudar a nuestros clientes a conseguir la solución de fabricación ideal. Nuestro equipo de ingenieros con formación profesional evalúa los requisitos específicos de cada proyecto y presenta el enfoque de fabricación aditiva más prometedor para alcanzar sus objetivos de producción y requisitos de calidad. La elección de la tecnología puede ser un factor de gran influencia en el éxito de su proyecto, ya se trate de una pieza industrial en la que la empresa desea conseguir el resultado final de menor coste, o de un componente aeroespacial que debe rendir al máximo de su capacidad. Conocer las diferencias básicas, los puntos fuertes y los puntos débiles de cada uno de los procesos puede ayudar a tomar decisiones mejor fundadas para maximizar el rendimiento técnico y la viabilidad económica. 

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Referencias

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Elite Mold Tech se especializa en soluciones avanzadas de fabricación, ofreciendo experiencia en mecanizado CNC, prototipado rápido y tecnologías de fabricación aditiva de metales. Nuestro compromiso con la ingeniería de precisión y el éxito del cliente garantiza resultados óptimos para proyectos en los sectores aeroespacial, automovilístico, médico e industrial.