La proyección de ligante es una técnica de fabricación aditiva en la que una cabeza de impresión deposita selectivamente un agente ligante líquido sobre una fina capa de partículas de polvo – metal, arena, cerámica o compuestos – para crear componentes únicos y de alto valor. Se utiliza un mapa obtenido de un archivo de diseño digital para repetir el proceso de capas hasta alcanzar el resultado deseado.
Transformando polvos industriales en herramientas y piezas
La proyección de ligante es una familia de procesos de fabricación aditiva. En la proyección de ligante, las áreas del lecho de polvo se recubren selectivamente con un ligante, que une las áreas una por una para formar partes sólidas. Los metales, la arena y las cerámicas en forma granular se utilizan comúnmente en la proyección de ligante.
Las aplicaciones de la proyección de ligante incluyen la fabricación de prototipos a todo color (como figuritas), la producción de núcleos y moldes de fundición en arena de gran tamaño, y la producción de piezas metálicas impresas en 3D a bajo costo.
Para quienes deseen aprovechar al máximo los beneficios de la proyección de ligante, es crucial entender los mecanismos básicos del proceso y cómo se relacionan con sus principales ventajas y limitaciones.
Proyección de ligante: ¿Cómo funciona?
El proceso de proyección de ligante implica los siguientes pasos:
- La plataforma de construcción se recubre con polvo mediante una cuchilla de recubrimiento.
- A continuación, un carro equipado con boquillas de inyección de tinta (como las utilizadas en impresoras 2D de escritorio) pasa sobre el lecho, depositando selectivamente gotas de pegamento (agente ligante) para unir las partículas de polvo. La proyección de ligante a todo color también incorpora este paso de distribución de tinta coloreada. Cada gota tiene aproximadamente 80 µm de diámetro, permitiendo una buena resolución.
- Para recubrir la superficie, la plataforma de construcción se mueve hacia abajo al final de cada capa. El proceso se repite hasta que la pieza completa esté terminada.
- La pieza se encapsula y se cura en polvo después de la impresión. Luego se utiliza aire presurizado para eliminar el exceso de polvo no unido a la pieza y limpiar la pieza.
La mayoría de los materiales requieren un post-tratamiento. Las piezas metálicas en proyección de ligante, por ejemplo, deben ser sinterizadas (o tratadas térmicamente de otra manera) o infiltradas con un metal de baja temperatura de fusión (generalmente bronce). Para mejorar la vivacidad de los colores, los prototipos también se llenan con acrílico y se recubren. Por lo general, los núcleos y moldes de fundición en arena se pueden utilizar inmediatamente después de la impresión 3D.
Como resultado, las piezas salen de la impresora en un estado “verde”. Como piezas verdes, las piezas de proyección de ligante sufren de propiedades mecánicas deficientes (muy quebradizas) y tienen alta porosidad.
Características de la proyección de ligante
Parámetros para la impresora
La mayoría de los parámetros del proceso en la proyección de ligante son establecidos por el fabricante de la máquina.
En general, la altura de capa varía según el material: los modelos a todo color tienen típicamente una altura de capa de 100 micrones, las piezas metálicas tienen típicamente 50 micrones de altura de capa, y los materiales para moldes de fundición en arena tienen típicamente entre 200 y 400 micrones de altura de capa.
La unión ocurre a temperatura ambiente, lo que hace que la proyección de ligante sea única entre otras tecnologías de impresión 3D. La proyección de ligante no es propensa a distorsiones térmicas (como el warping, DMLS/SLM o el curvado) que resultan de efectos térmicos.
Por lo tanto, las máquinas de proyección de ligante tienen el volumen de construcción más grande de cualquier tecnología de impresión 3D (hasta 2200 x 1200 x 600 mm). Los moldes para fundición en arena generalmente son producidos por estas grandes máquinas. Un sistema de proyección de ligante metálico tiene un volumen de construcción mayor que un sistema DMLS/SLM (hasta 800 x 500 x 400 mm), lo que permite la fabricación paralela de múltiples piezas a la vez. Debido al paso de post-tratamiento involucrado, el tamaño máximo de las piezas está limitado a 50 mm.
Además, la proyección de ligante no requiere estructuras de soporte: el polvo que rodea la pieza proporciona todo el soporte necesario (como el SLS). La proyección de ligante difiere de otros procesos de impresión 3D metálica en que no requiere estructuras de soporte extensivas, permitiendo la creación de estructuras metálicas de forma libre con restricciones geométricas mínimas. Como veremos en una sección posterior, la proyección de ligante metálico es propensa a inexactitudes geométricas debido a los pasos de post-tratamiento.
Dado que las piezas en proyección de ligante no necesitan estar adheridas a la plataforma de construcción, se puede utilizar todo el volumen de construcción. Por lo tanto, la proyección de ligante es adecuada para lotes pequeños a medianos. El volumen completo de construcción de la máquina (empaquetado de recipientes) debe ser llenado eficazmente para utilizar al máximo las capacidades de la proyección de ligante.
Proyección de ligante a todo color
Al igual que la inyección de material, la proyección de ligante puede producir piezas impresas en 3D a todo color. Debido a su bajo costo, a menudo se utiliza para imprimir figuritas y mapas topográficos.
Los modelos se imprimen en color completo utilizando polvo de arenisca o polvo de PMMA. Primero, la cabeza de impresión principal proyecta el agente ligante, luego una cabeza de impresión secundaria proyecta una tinta coloreada. De manera similar a una impresora de inyección de tinta 2D, diferentes colores de tinta pueden combinarse para producir una amplia gama de colores.
Para mejorar la resistencia de la pieza y la vivacidad de los colores, las piezas se recubren con cianocrilato (super pegamento) o un infiltrante diferente después de la impresión. Además, se puede agregar una capa secundaria de epoxi para mejorar tanto la resistencia como la apariencia. Incluso con estos pasos adicionales, las piezas de proyección de ligante a todo color siguen siendo muy quebradizas y no deben usarse para aplicaciones funcionales.
Se requiere un modelo CAD que contenga información de color para producir impresiones a todo color. Puedes aplicar color a los modelos CAD de dos maneras: por cara o como un mapa de texturas. Agregar color a cada cara es un proceso rápido y fácil, pero usar un mapa de texturas te da un mayor control y detalle. Para instrucciones específicas, consulta tu software CAD nativo.
El proceso de proyección de ligante metálico
En comparación con otros procesos de impresión 3D metálica (DMLS/SLM), la proyección de ligante es hasta 10 veces más económica. El tamaño de construcción de la proyección de ligante es considerable, y las piezas se producen sin necesidad de estructuras de soporte, permitiendo la creación de geometrías complejas. Por lo tanto, la proyección de ligante metálico es una tecnología muy atractiva para la producción de metal de bajo a mediano costo.
Las piezas de proyección de ligante metálico no son adecuadas para aplicaciones de alta gama debido a sus propiedades mecánicas. No obstante, las propiedades del material de las piezas producidas son las mismas que las de las piezas metálicas producidas por moldeo por inyección de metal, que es uno de los métodos de fabricación más utilizados para producir en masa componentes metálicos.
El proceso de infiltración y sinterización
Para lograr buenas propiedades mecánicas, las piezas de proyección de ligante metálico requieren un proceso secundario después de la impresión, como infiltración o sinterización, ya que las piezas impresas están compuestas principalmente por partículas metálicas unidas con un adhesivo polimérico.
Después de la impresión, la pieza se coloca en un horno, donde se quema el ligante, dejando vacíos. Aproximadamente el 60% de la pieza es porosa en este punto. Utilizando la acción capilar, se inyecta bronce en los vacíos, lo que da como resultado piezas con baja porosidad y buena resistencia.
Cuando la impresión está completa, las piezas se colocan en un horno de alta temperatura, donde el ligante se quema y las partículas metálicas se sinterizan (unen), resultando en piezas con una porosidad muy baja.
Características de la proyección de ligante metálico
La precisión y la tolerancia del modelo pueden variar considerablemente según el modelo y son difíciles de predecir porque dependen de la geometría. La contracción de las piezas entre 25 y 75 mm se estima en un rango de 0,8 a 2%, mientras que la contracción promedio de piezas más grandes es de entre 3% y 4%. Durante la sinterización, las piezas se contraen aproximadamente un 20%. El software de proyección de ligante compensa la contracción durante la etapa de diseño, pero la contracción no uniforme puede tener que ser tenida en cuenta cuando el operador de la máquina maneja la máquina.
También pueden ocurrir inexactitudes durante el paso de post-tratamiento. La temperatura de la pieza aumenta durante la sinterización, lo que hace que la pieza sea más blanda. Un área no soportada puede deformarse bajo su propio peso cuando está en este estado blando. Además, a medida que la pieza se contrae durante la sinterización, hay fricción entre la placa del horno y la superficie inferior de la pieza, provocando deformación. Para asegurar resultados óptimos aquí, la comunicación con el operador de la máquina de proyección de ligante es clave.
Las piezas metálicas de proyección de ligante sinterizadas o infiltradas tendrán una porosidad interna (la sinterización produce piezas con un 97% de densidad, mientras que la infiltración es de aproximadamente un 90%). Esto afecta las propiedades mecánicas de las piezas de proyección de ligante metálico, ya que los vacíos pueden provocar la formación de grietas. La fatiga y la resistencia a la fractura, así como la elongación a la ruptura, son las propiedades del material más afectadas por la porosidad interna. Se pueden aplicar procesos metalúrgicos avanzados (como el prensado isostático en caliente o HIP) para producir piezas con casi ninguna porosidad interna. Para aplicaciones donde el rendimiento mecánico es crucial, se recomiendan las soluciones DMLS o SLM.
La rugosidad superficial de las piezas de proyección de ligante metálico es una ventaja sobre DMLS/SLM. Las piezas de proyección de ligante metálico suelen tener una rugosidad superficial de Ra 6 µm después del post-tratamiento, que puede reducirse a Ra 3 µm si se utiliza un paso de granallado. Comparativamente, la rugosidad superficial de las piezas DMLS/SLM es de aproximadamente Ra 12-16 µm. Esto es especialmente importante para piezas con geometrías internas, como los canales internos, donde el post-tratamiento es difícil.
Proyección de ligante: Ventajas y limitaciones
Las principales ventajas y desventajas de la tecnología se resumen a continuación:
- La proyección de ligante produce piezas metálicas y prototipos a todo color a una fracción del costo en comparación con DMLS/SLM y la inyección de material, respectivamente.
- La proyección de ligante puede fabricar piezas muy grandes y geometrías metálicas complejas, ya que no está limitada por los efectos térmicos (por ejemplo, el warping).
- Las capacidades de fabricación de la proyección de ligante son excelentes para la producción en lotes pequeños a medianos.
- Las piezas metálicas de proyección de ligante tienen propiedades mecánicas inferiores a las piezas DMLS/SLM, debido a su mayor porosidad.
- Solo se pueden imprimir detalles gruesos con la proyección de ligante, ya que las piezas son muy quebradizas en su estado verde y pueden fracturarse durante el post-tratamiento.
- En comparación con otros procesos de impresión 3D, la proyección de ligante ofrece una selección de materiales limitada.
Directrices
- Utiliza la proyección de ligante metálico para imprimir piezas metálicas a bajo costo, para aplicaciones que no requieren un rendimiento muy alto.
- La proyección de ligante ofrece más libertad de diseño que el DMLS/SLM para las piezas metálicas impresas en 3D, ya que los efectos térmicos no son un problema durante el proceso de fabricación.
- Solo es adecuada para fines visuales, ya que la proyección de ligante es muy quebradiza.
- La proyección de ligante puede utilizarse para producir núcleos y moldes de fundición en arena muy grandes.
