La fabricación aditiva con aluminio permite obtener componentes ligeros y complejos que resultan difíciles de producir únicamente mediante métodos convencionales como la fundición, la forja o el mecanizado. Esta guía compara los procesos de fusión y deposición por láser en lecho de polvo, los procesos de haz de electrones con polvo y alambre, la deposición por arco con alambre, la unión ultrasónica en estado sólido y la fabricación aditiva por agitación por fricción. Resume las materias primas, las fuentes de calor, la densidad, la resistencia, la estructura granular, el aporte de calor, los defectos, la precisión y las necesidades de posprocesamiento, con ejemplos de investigación que incluyen AlSi10Mg y aleaciones de las series 2xxx, 6xxx y 7xxx. El artículo conserva las condiciones de proceso, las unidades, los grados de los materiales y las relaciones técnicas indicadas en la fuente, a modo de referencia práctica.
Su baja densidad, su elevada resistencia específica y rigidez, su buena ductilidad, su excelente conductividad eléctrica y térmica, y su buena resistencia a la corrosión hacen que las aleaciones de aluminio sean los materiales estructurales ligeros preferidos para aplicaciones aeroespaciales, de transporte y marítimas. A medida que se acortan los ciclos de desarrollo de productos, los procesos convencionales de fundición y forja tienen cada vez más dificultades para satisfacer la demanda de componentes complejos de precisión. La fabricación debe ser eficiente, responder rápidamente a los cambios de diseño y adaptarse con flexibilidad a geometrías complejas.
La fabricación aditiva permite crear piezas físicas capa a capa. En los sectores aeroespacial, biomédico y del transporte ferroviario, permite una producción rápida de piezas individuales o de lotes pequeños, una mayor libertad de diseño, la personalización de formas complejas y una reducción del tiempo de comercialización, al tiempo que supera algunas limitaciones de escala de los métodos convencionales.
Los procesos de fabricación aditiva con aluminio se clasifican principalmente según su principio de funcionamiento y su fuente de calor: fabricación aditiva por láser, por haz de electrones, por arco, por ultrasonidos y por fricción-agitación. Cada uno de ellos presenta características de proceso específicas.
La fabricación aditiva por láser utiliza una fuente de calor láser y ofrece una alta precisión de conformado, relativamente pocos defectos internos y buenas propiedades mecánicas. Normalmente se utiliza polvo de aleación de aluminio. Los huecos irregulares entre las partículas de polvo pueden reducir la densidad de la pieza, mientras que la alta reflectividad del láser de la mayoría de las aleaciones de aluminio reduce la eficiencia energética. Por lo tanto, este método se utiliza principalmente para aleaciones de aluminio fundido o aleaciones con buena soldabilidad.
Las dos variantes principales son la deposición por fusión con láser con suministro sincronizado de polvo metálico y la fusión por láser en lecho de polvo. La primera suministra polvo de forma continua; la segunda funde con precisión capas sucesivas en un lecho de polvo para formar estructuras complejas.
Las aleaciones de Al-Si presentan buenas propiedades de fundición y conformado en caliente, y son objeto de numerosos estudios. Investigadores de la Universidad Jiaotong de Xi’an optimizaron la potencia del láser, la velocidad de barrido y el espaciado entre tramas para la fusión selectiva por láser de AlSi10Mg e introdujeron un modelo de densidad energética que describe la relación entre la energía aportada y la densidad. Entre 4,0 y 6,0 J/mm2, la densidad superó los 98%. El Instituto de Investigación Metalúrgica de la Academia China de Ciencias fabricó probetas de AlSi10Mg con una densidad de 99,63% y buenas propiedades mecánicas, y comparó los tratamientos térmicos aplicados al material orientado en paralelo a la placa de impresión. La resistencia a la tracción horizontal tal y como se depositó alcanzó los 478 MPa, el alargamiento fue de aproximadamente 8% y la dureza media fue de unos 122 HV. Tras un envejecimiento a 130 °C durante 4 horas, los charcos de fusión conservaron una estructura de silicio completa en forma de red. La plasticidad aumentó hasta unos 11,91 TP33T, al tiempo que se mantuvo una alta resistencia, y la dureza media aumentó hasta 133 HV, unos 91 TP33T por encima del valor tal y como se depositó.
El procesamiento por láser de aleaciones de aluminio de alta resistencia de las series 2xxx y 7xxx sigue siendo complicado. Los investigadores están reduciendo los defectos internos y mejorando las propiedades mecánicas mediante la optimización de parámetros, el uso de nucleantes de nanopartículas, la modificación de la composición y el posprocesamiento. En experimentos de fusión por láser en lecho de polvo con polvos de 7075 con diferentes contenidos de silicio, el refinamiento del grano inducido por el silicio redujo significativamente la formación de microfisuras.
La fabricación aditiva por haz de electrones se divide, según el material de partida, en la fabricación aditiva por haz de electrones con lecho de polvo y la fabricación aditiva por haz de electrones con alimentación de alambre.
La fusión por haz de electrones sobre lecho de polvo utiliza un haz de electrones como fuente de calor en vacío. El barrido a alta velocidad calienta y funde el polvo metálico capa por capa para formar una pieza. La fabricación aditiva por haz de electrones con alimentación de alambre funde el alambre suministrado de forma sincronizada con un haz de alta energía y lo deposita capa a capa a lo largo de una trayectoria definida por CAD hasta formar un componente denso. Dado que la absorción del haz de electrones es más del doble que la de un rayo láser, esta tecnología tiene un potencial considerable para las aleaciones de aluminio de alta resistencia.
La investigación sigue siendo limitada y se centra principalmente en los procesos de haz de electrones con alimentación por alambre. El Centro de Investigación Langley de la NASA estudió el intervalo de procesamiento de la aleación de aluminio 2219 y los efectos de la velocidad de avance, la velocidad de alimentación del alambre y la potencia del haz sobre la microestructura y las propiedades mecánicas. Brice, de Lockheed Martin Space Systems, produjo muestras de aluminio 2139 mediante deposición de energía dirigida por haz de electrones y evaluó cómo la evaporación del magnesio afectaba a la precipitación y al comportamiento mecánico; la pérdida de magnesio alcanzó los 65% durante la deposición. Investigadores de la Universidad de Tsinghua estudiaron el procesamiento por haz de electrones en lecho de polvo de la aleación de aluminio 2024. La corriente del haz y la velocidad de barrido afectaron significativamente a la densidad relativa y a la microestructura. Se formaron precipitados que contenían cobre, manganeso y hierro a lo largo de los límites de grano en la matriz de α-Al. Con los parámetros adecuados se obtuvieron una resistencia a la tracción de hasta 314 MPa y un alargamiento de 6%.
La fabricación aditiva por arco construye piezas capa a capa mediante una fuente de calor por arco y una alimentación sincronizada de alambre. La alta utilización del material, el coste relativamente bajo de los equipos y un amplio espacio de construcción la hacen idónea para estructuras grandes y complejas. Sin embargo, el elevado aporte de calor de la soldadura y la calidad y precisión superficiales relativamente bajas suelen requerir un postprocesamiento considerable. Reducir el aporte de calor para mejorar la precisión y la calidad de la superficie es uno de los principales objetivos de la investigación.
La investigación sobre las aleaciones de las series 6xxx y 7xxx es relativamente limitada. Mediante la soldadura por arco con gas y metal y la soldadura por arco con gas y tungsteno se han depositado con éxito las aleaciones 4047, 5356, 2024 y 7075. Las probetas mostraron una resistencia a la tracción superior a la de las probetas fabricadas de forma convencional, así como un grano más fino.
La transferencia de metal en frío también ha permitido obtener probetas de aleaciones de aluminio 2319, 5087 y 5183 con grano fino, pocos poros y propiedades mecánicas mejoradas. En los depósitos obtenidos mediante transferencia de metal en frío de la aleación de aluminio 5336, prácticamente no se observaron estructuras de grano equiaxial o columnar, y el tamaño del grano disminuyó con el aporte de calor. El aporte de calor determina la geometría, la microestructura, los defectos y las propiedades mecánicas y químicas. Un calentamiento y enfriamiento desiguales durante la deposición multicapa, especialmente con un alto aporte de calor, pueden provocar acumulación de calor, granos gruesos, tensiones residuales y deformaciones. Para que el proceso tenga éxito, es necesario controlar la corriente, la tensión, la velocidad de alimentación del alambre, la velocidad de desplazamiento y otras variables.
La fabricación aditiva por ultrasonidos utiliza energía ultrasónica de alta potencia. La vibración y la fricción entre las capas de lámina de aleación de aluminio generan calor, favorecen la difusión atómica interfacial y crean una unión metalúrgica en estado sólido.
Investigadores de la Universidad de Tohoku, en Japón, han estudiado la microestructura y la distribución interfaciales en la fabricación aditiva por ultrasonidos de la aleación de aluminio 6061. La interfaz tiene un efecto significativo en la microestructura, ya que la fuerza impulsora de la recristalización produce cambios de fase microscópicos en la región interfacial y se forman poros en la interfaz.
El funcionamiento a baja temperatura evita la evaporación de los elementos de aleación y preserva las propiedades de la unión, lo que hace que el proceso sea especialmente adecuado para el aluminio. Las restricciones a la exportación de equipos avanzados y la escasa investigación nacional dejan un gran potencial de investigación. Aún no se ha establecido un modelo teórico completo para la difusión atómica en la interfaz del material, y no existe un marco unificado que describa la deformación plástica interfacial y el calentamiento por fricción. Es importante seguir avanzando en este campo para mejorar la precisión, la eficiencia y la comercialización.
La fabricación aditiva por agitación por fricción se desarrolló a partir de la soldadura por agitación por fricción. Una herramienta que gira rápidamente penetra en una chapa de aluminio y se desplaza en una dirección predeterminada. El calor generado por la fricción plastifica y ablanda el material, que fluye detrás de la herramienta para rellenar la cavidad y formar una capa depositada. A continuación, se va añadiendo y procesando material adicional siguiendo la misma trayectoria. La fuente indica que las propiedades mecánicas resultantes pueden rivalizar con las de las piezas forjadas, pero parte de esta frase está incompleta.
Investigadores de la Universidad Politécnica del Noroeste han introducido la fabricación aditiva mediante agitación por fricción con hombro fijo y han fabricado con éxito componentes de aleación de aluminio 7075-O de alta resistencia. Han estudiado el comportamiento del flujo del metal durante la deposición y han observado variaciones significativas en la microestructura y las propiedades mecánicas a lo largo de la dirección de construcción. En comparación con la tecnología convencional de agitación por fricción con hombro giratorio, el hombro fijo permanece inmóvil mientras que el pasador gira a alta velocidad durante la soldadura, lo que elimina la zona afectada por el hombro y permite una fabricación con forma casi definitiva.
La fabricación aditiva por agitación por fricción de aluminio 2024 de alta resistencia dio lugar a una estructura recristalizada de grano fino y equiaxial. El tamaño del grano disminuyó desde la parte inferior hacia la parte superior de la pieza fabricada. La segunda fase se redisolvió; su contenido global fue notablemente inferior al del sustrato, pero aumentó de abajo hacia arriba. Aunque evitar la fusión y la solidificación reduce en gran medida los defectos internos, unos parámetros de proceso inadecuados pueden seguir generando defectos interfaciales.
Investigadores del Instituto Tecnológico de Pekín analizaron el mecanismo de conformado de la fabricación aditiva por agitación por fricción del aluminio 2024-O. Se centraron en las diferencias direccionales de las propiedades mecánicas y en sus causas, y lograron una deposición multicapa y multipaso sin defectos.
La fabricación aditiva de aluminio tiene un gran potencial tanto en el ámbito militar como en el civil, ya que permite el conformado de precisión de piezas complejas y el diseño de estructuras ligeras. Las principales líneas de investigación incluyen el desarrollo de nuevos procesos y el estudio en profundidad de las relaciones entre los procesos, la microestructura y las propiedades. La investigación debe explicar la formación de tensiones y controlar la magnitud y la distribución de las tensiones residuales, especialmente en componentes grandes y complejos. También debe aclarar la transferencia de masa, la solidificación fuera de equilibrio, el enfriamiento, la metalurgia física y las transformaciones de fase en los charcos de fusión a microescala, de modo que se pueda controlar con precisión la microestructura. Los experimentos, combinados con la simulación numérica, permiten predecir los campos de temperatura y gestionar las zonas afectadas por el calor. Los equipos híbridos de fabricación aditiva y fresado pueden mejorar la precisión del conformado y proporcionar un acabado de alta precisión. Las mejoras en los procesos y los equipos pueden eliminar la porosidad, aumentar la densidad y mejorar las propiedades mecánicas generales, lo que hace avanzar la tecnología hacia una mayor precisión, eficiencia y funcionalidad.
Comparta su dibujo, material, objetivo de tolerancia o pregunta sobre la aplicación. Nuestro equipo de ingeniería puede ayudarle a revisar la ruta de mecanizado y sugerirle un siguiente paso práctico.
Guía de materiales
La impresión 3D en metal utiliza polvos, alambres y aleaciones líquidas especializadas para fabricar piezas complejas y personalizadas. Esta descripción general abarca los aceros inoxidables, las aleaciones de aluminio...
Leer el artículoGuía de materiales
Las aleaciones de aluminio se clasifican en tres categorías principales: aleaciones de aluminio laminadas, aleaciones de aluminio fundidas y aleaciones de aluminio forjadas. Las aleaciones laminadas incluyen las...
Leer el artículoGuía de materiales
Las aleaciones de aluminio se utilizan cada vez más en vehículos ligeros en forma de piezas de fundición, forjadas y chapas. Esta guía compara los procesos de fundición al alto vacío, con purga de oxígeno y por compresión;...
Leer el artículoGuía de materiales
Guía práctica sobre las aleaciones de aluminio más comunes para el mecanizado con CNC, entre las que se incluyen las de los tipos 6061, 5052, 7075, 2024, 5083, 6063 y el aluminio fundido a presión. Compara la maquinabilidad,...
Leer el artículo
