¿Qué materiales metálicos se utilizan en la impresión 3D?

Los metales son materiales que presentan una buena conductividad eléctrica, conductividad térmica y plasticidad. Normalmente están compuestos por elementos metálicos o aleaciones y ofrecen una elevada resistencia mecánica, dureza y resistencia a la corrosión. Los metales se utilizan en la fabricación industrial, la construcción, la electrónica y el sector aeroespacial. Sus propiedades físicas, químicas y de procesamiento los convierten en materiales importantes no solo en la fabricación convencional, sino también en la impresión 3D en metal.

Entre los metales que se utilizan actualmente en la impresión 3D se encuentran el acero inoxidable, las aleaciones de titanio, las aleaciones de aluminio, las aleaciones de níquel, las aleaciones de cobre y las aleaciones de hierro. Estos materiales suelen presentar una elevada resistencia y dureza, y a menudo son difíciles de mecanizar mediante métodos convencionales, lo que hace que la fabricación aditiva resulte atractiva. Los polvos metálicos para la impresión 3D suelen requerir una alta pureza, buena esfericidad, una distribución estrecha del tamaño de las partículas y un bajo contenido en oxígeno. Procesos como la fusión selectiva por láser y la fusión por haz de electrones permiten producir rápidamente piezas metálicas personalizadas con formas complejas.

Acero inoxidable

El acero inoxidable está compuesto por hierro, cromo, níquel y otros elementos de aleación, siendo el cromo el principal elemento añadido. Ofrece una buena soldabilidad, resistencia a la corrosión química, resistencia a las altas temperaturas, buenas prestaciones mecánicas y propiedades higiénicas adecuadas para el contacto con alimentos y productos farmacéuticos. El polvo de acero inoxidable se forma fácilmente, es sencillo de preparar y es relativamente económico, lo que lo convierte en uno de los primeros metales utilizados en la impresión 3D.

Entre sus aplicaciones se incluyen piezas estructurales y portantes, tuberías, recipientes, puertas, ventanas, barandillas, productos decorativos, equipos para la industria alimentaria, dispositivos médicos y equipos químicos. Los tipos de acero inoxidable que se utilizan habitualmente en la impresión 3D de metal incluyen los austeníticos 316L y 304L, y los martensíticos de endurecimiento por precipitación 15-5PH y 17-4PH.

Aleaciones de aluminio

Las aleaciones de aluminio combinan el aluminio con elementos como el cobre, el zinc y el magnesio. Sus propiedades específicas dependen de los tipos y las cantidades de los elementos de aleación. Las aleaciones de aluminio tienen baja densidad, alta resistencia específica y rigidez, buena fundibilidad y plasticidad, buena resistencia a la corrosión y una resistencia a la fatiga relativamente alta. Se utilizan ampliamente en los sectores aeroespacial, del transporte, de la construcción, de los productos electromecánicos, de la industria ligera y de los bienes de consumo.

Entre las aleaciones de aluminio utilizadas en la impresión 3D metálica se encuentran el AlSi12, el AlSi10Mg, el AlSi7Mg, el Al-Si9Cu3, el 6060 y el 6061. El AlSi12 es un polvo ligero con buenas propiedades térmicas, adecuado para piezas aeroespaciales y de automoción de paredes delgadas, como los intercambiadores de calor. El AlSi10Mg ofrece una alta resistencia y dureza para piezas de paredes delgadas y geometrías complejas, especialmente cuando se requiere un buen rendimiento térmico y una masa reducida.

Aleaciones de titanio

Las aleaciones de titanio combinan una alta resistencia con una baja densidad, buena tenacidad, resistencia a la corrosión y biocompatibilidad. Son importantes en aplicaciones médicas, aeroespaciales y de automoción. El titanio es un material típicamente difícil de mecanizar: se corta con dificultad y absorbe fácilmente hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y carbono durante el procesamiento en caliente. La impresión 3D metálica resulta especialmente adecuada, ya que permite crear estructuras complejas conservando al mismo tiempo propiedades mecánicas útiles. Su atmósfera protectora limita las reacciones con el oxígeno y el nitrógeno, mientras que el calentamiento y enfriamiento rápidos y localizados limitan la evaporación de los elementos de aleación.

Entre los materiales de titanio que se utilizan actualmente para la impresión 3D se encuentran el titanio comercialmente puro, el Ti6Al4V (TC4) y el Ti6Al17Nb. Sus principales aplicaciones incluyen componentes aeroespaciales e implantes médicos, como huesos y dientes.

Aleaciones a base de níquel

Las aleaciones a base de níquel conservan una elevada resistencia mecánica y resistencia a la oxidación y la corrosión a temperaturas comprendidas entre 650 y 1000 °C. Sus propiedades mecánicas y su resistencia a la oxidación y a la corrosión en caliente las hacen idóneas para aplicaciones a altas temperaturas y sometidas a grandes esfuerzos. Las aleaciones de níquel fabricadas mediante impresión 3D pueden utilizarse para componentes de la sección caliente de motores aeronáuticos, como discos y álabes de turbina, lo que mejora la estabilidad y la eficiencia térmica del motor. Una aleación a base de níquel que contiene titanio 50% en masa presenta un fuerte efecto de memoria de forma y se utiliza para estructuras de naves espaciales y motores de corazones artificiales. Entre las superaleaciones de níquel consolidadas para la impresión 3D se encuentran el Inconel 625 (IN625), el Inconel 718 (IN718) y el Inconel 939 (IN939).

Aleaciones a base de cobalto

Las aleaciones a base de cobalto contienen cobalto como elemento principal, junto con níquel, cromo, tungsteno y pequeñas cantidades de molibdeno, niobio, tantalio, titanio, lantano y otros aditivos. Su elevada resistencia mecánica, su resistencia a la corrosión y su biocompatibilidad propiciaron su uso temprano en prótesis articulares. En la actualidad se utilizan ampliamente para prótesis dentales a medida y componentes de motores. Entre los grados habituales para la impresión 3D se incluyen el Co212, el Co452, el Co502 y el CoCr28Mo6.

Aleaciones de cobre

Las aleaciones de cobre tienen el cobre como elemento base. Dado que el cobre posee propiedades antimicrobianas, estas aleaciones se utilizan en equipos médicos y en productos que se tocan con frecuencia, como los pomos de las puertas públicas. El polvo de cobre tiene una alta reflectividad al láser y una baja absorbancia, por lo que durante mucho tiempo se consideró difícil de imprimir. Sin embargo, en los últimos años, muchas empresas han logrado imprimir en 3D con aleaciones de cobre. Entre los materiales de alimentación disponibles se incluyen polvos de aleaciones de cobre, compuestos con matriz de cobre y alambre de aleación de cobre.

Metales líquidos

Los metales líquidos utilizados en la impresión 3D suelen ser aleaciones de galio e indio no tóxicas que permanecen líquidas a temperatura ambiente, entre las que se incluyen las aleaciones de galio e indio y las de galio, indio y estaño. Su superficie se endurece al exponerse al aire, mientras que el interior permanece líquido. Su conductividad eléctrica permite imprimir placas de circuitos con metal líquido.

En 2017, el Laboratorio de Criogenia y Ciencias Médicas del Instituto Técnico de Física y Química de la Academia China de Ciencias propuso la impresión 3D con metal líquido en suspensión. El proceso utiliza una aleación líquida de galio e indio como material de impresión y un hidrogel autopolimerizable como soporte. Una boquilla extruye de forma continua metal líquido a temperatura ambiente, mientras que el hidrogel lo sostiene y le da forma. La deposición capa a capa permite crear estructuras metálicas tridimensionales muy complejas y flexibles. Entre sus posibles aplicaciones se incluyen la electrónica 3D flexible, el montaje de robots blandos, la encapsulación de materiales y la biomedicina.

Otros metales

El oro, la plata, el niobio, el circonio, las aleaciones de magnesio y otros metales también se pueden imprimir en 3D.