Manufactura aditiva: fusión de cama de polvos por láser vs. haz de electrones

Entre las diversas tecnologías de manufactura aditiva (MA), los procesos de fusión por cama de polvo (PBF, por sus siglas en inglés) son especialmente reconocidos, dada su capacidad para producir piezas metálicas de alta resistencia y densidad.

Dos variantes principales de PBF son la fusión de cama de polvos por láser (LPBF, por sus siglas en inglés) y la fusión de cama de polvo con haz de electrones (EBPBF, por sus siglas en inglés). Aunque comparten similitudes en los procesos fundamentales, se diferencian significativamente en sus fuentes de energía, entornos operativos y aplicaciones de materiales. A continuación, se exploran estas diferencias en detalle, con información sobre sus respectivas ventajas, limitaciones y aplicaciones.

Descripción general de los procesos de fusión por lecho de polvo

Tanto la LPBF como la EBPBF operan con el mismo principio básico de fundir selectivamente capas de polvo metálico para construir una pieza. En estos procesos se extiende una fina capa de polvo metálico sobre una plataforma de construcción. Una fuente de energía enfocada luego funde el polvo según la geometría de la sección transversal de la pieza que se está produciendo. Después de fusionar cada capa, la plataforma de construcción desciende y se extiende una nueva capa de polvo. El proceso se repite hasta que se construye toda la pieza.

Si bien el proceso fundamental es similar, la diferencia clave entre LPBF y EBPBF radica en el tipo de fuente de energía utilizada para fundir el polvo: un láser en el caso de LPBF y un haz de electrones en el de EBPBF. Esta diferencia en las fuentes de energía lleva a diversas distinciones en las características del proceso, la compatibilidad de los materiales y las propiedades resultantes de las piezas.

Fuente de energía en manufactura aditiva: comparativa entre láser y haz de electrones

LPBF utiliza un láser de alta potencia, generalmente en el espectro infrarrojo, para fundir selectivamente el polvo metálico. El láser se dirige mediante una serie de espejos y galvanómetros que le permiten escanear rápidamente a través del lecho de polvo, con el propósito de fusionar el material de manera altamente localizada. La capacidad del láser para enfocarse en un tamaño de punto muy pequeño permite la producción de piezas con detalles finos y alta resolución.

En contraste, EBPBF emplea un haz de electrones de alta energía como fuente energética. El haz de electrones se genera en un ambiente de vacío y es guiado por bobinas magnéticas, que controlan su enfoque y trayectoria de escaneo.

A diferencia de los láseres, que interactúan con los materiales por medio de la absorción de luz, los haces de electrones transfieren energía a través de interacciones con la estructura atómica del material. Esto permite una transferencia de energía más eficiente y una penetración más profunda, lo que hace que EBPBF sea particularmente adecuado para la construcción de piezas más grandes o con un grosor significativo.

Entornos operativos en procesos PBF: influencia del gas inerte y del vacío

Los procesos LPBF, generalmente, se llevan a cabo en una cámara llena de un gas inerte, como argón o nitrógeno, para evitar la oxidación del polvo metálico durante el proceso de fusión. El uso de una atmósfera de gas inerte es crucial para garantizar la calidad e integridad de la pieza final, especialmente cuando se procesan metales reactivos como el titanio o el aluminio. Sin embargo, esto también significa que los sistemas LPBF requieren una gestión y un monitoreo cuidadoso del gas para mantener las condiciones adecuadas.

En contraste, los procesos EBPBF se llevan a cabo en un entorno de alto vacío. El vacío es necesario para evitar la dispersión del haz de electrones, que podría reducir su precisión y eficiencia. El ambiente de vacío también minimiza el riesgo de contaminación y oxidación, lo cual resulta particularmente importante para aplicaciones de alto rendimiento. Sin embargo, mantener un vacío requiere equipos más complejos y tiempos de configuración más largos en comparación con los sistemas LPBF.

Compatibilidad de materiales en LPBF y EBPBF: una visión integral

LPBF es compatible con una amplia gama de materiales, incluidos aceros inoxidables, aceros para herramientas, aleaciones de titanio, de aluminio y superaleaciones a base de níquel.

La versatilidad de LPBF para procesar diversos materiales lo convierte en una opción popular para industrias que van desde la aeroespacial y la automotriz, hasta dispositivos médicos. Sin embargo, la calefacción localizada del láser puede provocar altos gradientes térmicos y tensiones residuales en las piezas, lo que requeriría tratamientos térmicos de posprocesamiento o prensado isostático en caliente para aliviar tensiones y mejorar las propiedades mecánicas.

EBPBF se utiliza principalmente con materiales difíciles de procesar con láseres, como aleaciones de alta temperatura y metales refractarios como el tungsteno y el tantalio. La penetración profunda y la transferencia de energía eficiente del haz de electrones hacen que EBPBF sea particularmente adecuado para estos materiales.

Además, el entorno de vacío de EBPBF reduce el riesgo de contaminación y permite el procesamiento de materiales reactivos, como el titanio, sin necesidad de una atmósfera de gas inerte. No obstante, EBPBF es menos versátil que LPBF en términos de selección de materiales, con un rango más limitado de aleaciones compatibles.

Velocidad y eficiencia del proceso en LPBF frente a EBPBF

Los sistemas LPBF son, generalmente, más rápidos que los sistemas EBPBF debido a la capacidad del láser para escanear y fundir el polvo con rapidez. El tamaño pequeño del punto del láser también permite características de alta resolución, lo que puede ser ventajoso para producir geometrías intrincadas. Sin embargo, la calefacción localizada del láser puede resultar en tasas de enfriamiento más lentas, lo que potencialmente llevaría a tensiones residuales y distorsiones en la pieza final.

Los sistemas EBPBF suelen operar a tasas de construcción más lentas en comparación con LPBF, principalmente debido al tiempo necesario para mantener y ajustar el entorno de vacío. Sin embargo, EBPBF ofrece ventajas en términos de eficiencia energética y la capacidad de producir piezas más grandes con secciones más gruesas. La penetración profunda del haz de electrones y la zona afectada por el calor más amplia pueden resultar en una calefacción y enfriamiento más uniformes, que reduzcan las tensiones residuales y la necesidad de un posprocesamiento extenso.

Aplicaciones industriales de LPBF y EBPBF: Casos de uso específicos

LPBF, ampliamente adoptado en industrias que requieren piezas complejas y de alta resolución con detalles finos, es popular en las industrias aeroespacial y automotriz, en las que componentes livianos y de alta resistencia son esenciales. La industria médica también utiliza LPBF para producir implantes y prótesis personalizados debido a su capacidad para trabajar con materiales biocompatibles, como el titanio.

EBPBF es preferido para aplicaciones que requieren la producción de piezas grandes y de alto rendimiento con requisitos exigentes de material. La industria aeroespacial, en particular, utiliza EBPBF para la fabricación de álabes de turbina, componentes de motores de cohetes y otras piezas críticas fabricadas con aleaciones de alta temperatura. La capacidad de procesar metales refractarios y otros materiales desafiantes también hace que EBPBF sea una herramienta valiosa en los sectores de energía y defensa.

Para finalizar…

La fusión por lecho de polvo láser (LPBF) y la fusión por lecho de polvo con haz de electrones (EBPBF) son dos tecnologías de manufactura aditiva que, a pesar de sus similitudes, ofrecen ventajas y limitaciones distintas. La versatilidad de LPBF en la selección de materiales, su mayor resolución y sus tasas de construcción más rápidas lo convierten en una opción popular para industrias que requieren componentes complejos y livianos.

Por otro lado, la capacidad de EBPBF para procesar materiales difíciles, su eficiencia energética y su idoneidad en piezas grandes y de alto rendimiento, lo hacen ideal para aplicaciones en los sectores aeroespacial, energético y de defensa. Comprender las diferencias entre estas tecnologías es crucial con el fin de seleccionar el proceso adecuado para necesidades de manufactura específicas.