Polvo de titanio para impresión 3D
El polvo de titanio para impresión 3D es un metal estructural resistente y ligero que se utiliza cada vez más en la fabricación aditiva en los sectores aeroespacial, médico, automovilístico e industrial. Los polvos de aleación de titanio, como el Ti-6Al-4V, permiten imprimir en 3D piezas complejas de gran resistencia a la corrosión y biocompatibilidad.
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Índice
Visión general
El titanio es un metal estructural resistente y ligero que se utiliza cada vez más en la fabricación aditiva en los sectores aeroespacial, médico, automovilístico e industrial. Los polvos de aleación de titanio, como el Ti-6Al-4V, permiten imprimir en 3D piezas complejas de gran resistencia a la corrosión y biocompatibilidad.
La fusión selectiva por láser (SLM) y la fusión por haz de electrones (EBM) pueden procesar polvo fino de titanio para obtener componentes totalmente densos con diseños intrincados que no son factibles mediante mecanizado o fundición. Esta guía abarca las composiciones de las aleaciones de titanio, los datos de propiedades, las aplicaciones, los parámetros de la impresora y los proveedores para aprovechar las ventajas de la impresión 3D de metales.
Composición de los polvos de impresión de titanio
Las aleaciones de titanio se componen principalmente de titanio con otros elementos de aleación como aluminio, vanadio, hierro, molibdeno y otros para mejorar propiedades específicas. Los grados de titanio más comunes para AM incluyen:
| Aleación | Contenido | Elementos clave de aleación |
|---|---|---|
| Ti-6Al-4V | Bal. 88%+ | Aluminio 6%, Vanadio 4% |
| Ti-6Al-4V ELI | Bal. 89%+ | Aluminio 6%, Vanadio 4% |
| Ti 6242 | Bal. | Aluminio 6%, Molibdeno 2% |
| Ti64 | Bal. 90% | Aluminio 6%, Vanadio 4% |
- Ti-6Al-4V (Grado 5) es la aleación de titanio más popular, cuya resistencia procede de la estabilización +Al y el endurecimiento por precipitación +V. Una variante de intersticio extra bajo (ELI) presenta una elevada ductilidad.
- La aleación Ti 6242 sustituye parte del vanadio para hacerla más adecuada para implantes ortopédicos biocompatibles que requieran osteointegración.
- Los oligoelementos como el hierro, el oxígeno, el nitrógeno y el carbono se reducen al mínimo, ya que afectan negativamente a las propiedades mecánicas si están presentes por encima de los límites especificados.
Propiedades de los polvos de impresión de titanio metálico
Las principales propiedades de los materiales que hacen que las aleaciones de titanio sean atractivas para los productos aeronáuticos y médicos son:
| Propiedad | Ti-6Al-4V | Ti-6Al-4V ELI |
|---|---|---|
| Densidad | 4,43 g/cm3 | 4,43 g/cm3 |
| Punto de fusión | 1604-1660°C | 1650°C |
| Resistencia a la tracción | 895-975 MPa | 860-965 MPa |
| Límite elástico (0.2% Offset) | 825-869 MPa | 795-827 MPa |
| Alargamiento | 10-16% | >15% |
| Módulo de Young | 114 GPa | 105 GPa |
| Conductividad térmica | 7,0 W/m-K | 7,2 W/m-K |
| Resistividad eléctrica | 170-173 μΩ-cm | 198 μΩ-cm |
- Su alta resistencia en relación con su baja densidad (la mitad de la del acero) hace que los componentes de titanio sean más ligeros. Su resistencia supera a la de las aleaciones de aluminio comunes, al tiempo que evita los problemas de corrosión.
- Suficientemente dúctil para el conformado en frío. Las variantes intersticiales extra bajas como Ti64 ELI aumentan aún más el alargamiento.
- La fusión supera los 1600°C. Mantiene bien las propiedades a 400-500°C.
- Las conductividades térmica y eléctrica son bastante bajas para evitar chispas y aislar el calor.
Aplicaciones de las piezas metálicas de titanio impresas en 3D
Aeroespacial
- Soportes estructurales del fuselaje, costillas, impulsores y accesorios
- Carcasas de turbocompresor e intercambiadores de calor aligerados
- Canales de refrigeración conformados integrados en las secciones de turbina de los motores a reacción
- Bastidores personalizados para UAV/drones conformes a los componentes
Médico y dental
- Implantes ortopédicos de rodilla, cadera, columna y mandíbula, como copas acetabulares
- Pilares dentales para coronas y puentes
- Placas de reconstrucción craneal personalizadas específicas para la anatomía del paciente
Automoción
- Soportes de la carcasa del motor y componentes de la suspensión
- Refrigeración conformada de contorno cerrado integrada en los moldes de inyección
- Discos de freno ligeros con geometrías de flujo de aire complejas
Parámetros de proceso para la impresión 3D de titanio
Parámetros clave a la hora de utilizar material en polvo de titanio en procesos de fusión en lecho de polvo:
Ajustes LPBF
| Parámetro | Gama |
|---|---|
| Potencia láser (W) | 170-380W |
| Velocidad de escaneado (mm/s) | 700-1100 mm/s |
| Tamaño del haz (μm) | 75-115 μm |
| Altura de la capa (μm) | 20-75 μm |
| Espacio entre escotillas (μm) | 80-160 μm |
| Gas de protección | Argón |
Ajustes EBM
| Parámetro | Gama |
|---|---|
| Potencia del haz (W) | 3 kW |
| Velocidad del haz (mm/s) | Hasta 8 m/s |
| Tamaño del haz (mm) | 0.2-0.4 |
| Altura de la capa (mm) | 0.05-0.2 |
| Temperatura de construcción (°C) | 650-800°C |
LPBF requiere estructuras de soporte mientras que EBM construir metal sin ayuda. ≥99% densidad se logra después de alivio de tensión y prensado isostático en caliente. El grosor mínimo de las paredes suele ser de 100-150 micras.
Proveedores de polvos de impresión de titanio
Las principales empresas de fabricación de metales han certificado los polvos de titanio para procesos aditivos:
| Empresa | Grado Ti ofrecido | Morfología | Tamaño de las partículas |
|---|---|---|---|
| AP&C | Ti-6Al-4V, Ti64 ELI | Plasma atomizado, esférico | 15-53 micras |
| Tekna | Ti-6Al-4V, Ti 6242 | Plasma atomizado | 15-45 micras |
| Aditivo para carpinteros | Ti-6Al-4V, Ti 6242 | Gas atomizado | 10-45 micras |
| ATI Polvos Metálicos | Ti-6Al-4V | Plasma atomizado | 10-45 micras |
| Sandvik Osprey | Ti6Al4V, Ti 6242, Ti64 ELI | Gas atomizado, esférico | 15-100 micras |
Coste de los polvos de impresión de titanio
Como aleación ligera avanzada para aplicaciones de alto rendimiento, el polvo de titanio tiene un precio elevado:
- Los precios del material oscilan entre $200 y $500 por kg.
- Las aleaciones personalizadas con partículas de tamaño más ajustado y gran pureza aumentan aún más los costes
- El polvo reciclado es más barato suponiendo una buena fluidez
Postprocesado de piezas de titanio impresas en 3D
Tras la impresión, los componentes de titanio se someten a:
Retirada del soporte - Separación cuidadosa de los soportes mediante corte por electroerosión cuando sea accesible, arranque de los elementos más pequeños
Aliviar el estrés - Tratamiento térmico suave de toda la placa de impresión a 650°C durante 2 horas en argón para reducir las tensiones residuales.
Prensado isostático en caliente - Proceso HIP a 920°C y 100 MPa durante 3 horas para cerrar los huecos internos >99% densidad
Solución Tratamiento - Remojo a 705°C durante 1 hora y enfriamiento rápido aire/agua para desarrollar la microestructura deseada.
Mecanizado - Fresado CNC de superficies de contacto críticas para satisfacer las necesidades de tolerancia dimensional
Chorro + Grabado ácido - Granallado con alúmina seguido de grabado ácido para limpiar las superficies.
Pruebas de calidad - Confirmar que la química, la microestructura, la calidad capa por capa y las propiedades mecánicas cumplen las especificaciones.
Normas para la impresión 3D en titanio
| Estándar | Título | Organización |
|---|---|---|
| ASTM F2924 | Especificación normalizada para la fabricación aditiva de titanio-6 aluminio-4 vanadio con fusión en lecho de polvo | ASTM |
| ASTM F3001 | Especificación normalizada para la fabricación aditiva de titanio-6 aluminio-4 vanadio ELI (Extra Low Interstitial) con fusión en lecho de polvo | ASTM |
| AMS 2801 | Tratamiento térmico de piezas de aleación de titanio | SAE Internacional |
| AMS 2879 | Proceso de atomización con gas Polvo de Ti | SAE |
| AMS 700 | Procedimientos analíticos y métodos de ensayo para polvos y productos pulvimetalúrgicos | SAE |
Perspectivas de futuro de la impresión en lecho de polvo con titanio
Mientras que el sector aeroespacial impulsa 70% la demanda actual gracias a la consolidación de piezas y al ahorro de peso, la adopción de la AM de titanio se acelerará en la automoción, los artículos deportivos y otros sectores de consumo a medida que disminuyan los costes. Otras aplicaciones de impresión de titanio
Aeroespacial - Estructuras primarias de mayor tamaño y totalmente impresas, como álabes de turbina y futuras secciones de cabina de pasajeros, aprovechando los puntos fuertes en complejidad de diseño, consolidación de ensamblaje de piezas y resistencia a la corrosión.
Biomédica- Aumento de las prótesis e implantes adaptados al paciente, como las jaulas espinales personalizadas según la anatomía con interiores de celosía que favorecen el crecimiento tisular, gracias a la biocompatibilidad del titanio y su capacidad de fijación ósea.
Automoción - Componentes aligerados de la suspensión, el chasis y la cadena cinemática, como bielas y cigüeñales, y válvulas y pistones de alto rendimiento que se benefician de la resistencia a la fatiga y a temperaturas elevadas.
Petróleo y gas - Cuerpos de válvulas de boca de pozo y herramientas de perforación que aprovechan la resistencia a la corrosión en entornos ácidos calientes que contienen sulfuro de hidrógeno y cloruros. Arquitectura adaptada para maximizar el flujo.
Productos de consumo - Equipamiento deportivo personalizado, como cuadros de bicicleta y cabezas de palos de golf, con perfiles adaptados a cada persona. Aprovecha la gran relación resistencia-peso y la flexibilidad de formas; adopción más completa a la espera de reducciones de costes.
Guía del comprador de impresoras 3D con lecho de polvo de titanio
Entre las principales consideraciones que debe tener en cuenta el impresor figuran las siguientes:
Precisión - Control y calibración estrictos del baño de fusión para garantizar la uniformidad de las propiedades mecánicas en grandes series.
Atmósfera inerte - argón crítico de alta pureza con material de titanio reactivo para evitar la contaminación por oxígeno, nitrógeno
Automatización - sistemas de manipulación del polvo para minimizar la exposición y facilitar la producción continua
Software inteligente - estrategias especiales de exploración adaptadas al historial térmico
Entre los principales modelos figuran:
- 3D Systems DMP Factory 500
- GE Additive Concept Láser Xline 2000R
- Sistema EOS M 400-4 de 4 láseres
- Máquina láser Renishaw RenAM 500 Quad
Comparación de costes: Fabricación aditiva de titanio frente a mecanizado
| Costes | Fabricación de aditivos | Mecanizado CNC |
|---|---|---|
| Costo material | $200-$500 por kg | $100-$150 por kg |
| Trabajo | ~2-3 veces el tiempo de producción | Proceso más rápido |
| Utilización del equipo | ~$50 por hora de impresora | $70-$200 por hora de máquina CNC |
| Ratio de compra por vuelo | Uso eficiente 1:1 | Hasta 20:1 de material desperdiciado |
| Coste total hoy | $150-$1000 por kg | $50-$200 por kg |
| Previsión de producción futura | $50-$150 por kg | No se esperan trastornos |
Hoy en día, la fabricación aditiva cuesta entre 2 y 10 veces más que el mecanizado convencional del titanio, en función de las cantidades compradas y de las expectativas de calidad, pero ofrece una mayor libertad de diseño.
A medida que aumenta la productividad de la AM y se aprueban más componentes de uso final en todos los sectores, los costes previstos pasan a ser competitivos con el mecanizado al incorporar un aligeramiento y una consolidación de piezas significativos: se ha demostrado una reducción de peso de hasta 65%.
Impacto medioambiental: La impresión 3D en metal comparada con el mecanizado
| Métrica de sostenibilidad | Fabricación aditiva de metales | Mecanizado CNC de metales |
|---|---|---|
| Uso de la energía | ALTO - Alimentación selectiva de rayos punto por punto | Menor intensidad energética |
| Eficiencia de los materiales | Forma casi neta, muy poco desperdicio | Hasta 90% de material desperdiciado por restar barras de stock |
| Reutilizabilidad | 90%+ recuperación de polvo, reciclado | Las virutas metálicas no tienen vías de reutilización |
| Emisiones de CO2 | Menos energía por pieza acabada | Se emite comparativamente más carbono por el mismo componente |
A pesar del elevado consumo de energía localizado, la AM permite un importante ahorro de materiales gracias a diseños ligeros optimizados y a la reutilización del polvo para minimizar la huella medioambiental a nivel de sistema.
Preguntas frecuentes sobre la impresión 3D en lecho de polvo metálico
P: ¿Qué distribución granulométrica se recomienda para los polvos de titanio utilizados en AM?
R: La mayoría de los polvos de titanio para impresión 3D tienen tamaños de partícula que oscilan entre 15 micras y 45 micras. Algunas distribuciones llegan hasta 105 micras. La clave es una alta capacidad de flujo del polvo y densidad de empaquetamiento.
P: ¿Qué método de posprocesamiento se utiliza para mejorar la densidad de las piezas de titanio impresas hasta cerca de 100%?
R: El prensado isostático en caliente de toda la placa de impresión 3D a temperaturas en torno a los 920 °C y a una presión de 100 MPa durante más de 3 horas es necesario para cerrar completamente los huecos internos y la microporosidad de las piezas de titanio impresas una vez retirados los soportes.
P: ¿Tiene la aleación de titanio Ti-6Al-4V buena soldabilidad para el postprocesado de piezas metálicas impresas en 3D?
R: Sí, el titanio de grado 5 Ti 6-4 ofrece una excelente compatibilidad de soldadura mediante técnicas TIG y láser para unir conjuntos impresos complejos o proporcionar juntas estancas gracias al bajo contenido de oxígeno, mucho mejor que el acero inoxidable. Sigue siendo necesario un blindaje adecuado.
P: ¿Qué industria impulsa la mayor demanda de fabricación aditiva de metales con aleaciones de titanio?
R: El sector aeroespacial consume actualmente más de 50% de capacidad de fabricación aditiva de titanio gracias a las aplicaciones estructurales de alto valor que se benefician enormemente de la reducción de peso mediante diseños de topología optimizada y la consolidación de componentes ensamblados convencionalmente.
P: ¿Es necesario algún tratamiento térmico posterior para las piezas de titanio fabricadas mediante métodos de fusión en lecho fluidizado?
R: Sí, el alivio de tensiones, el prensado isostático en caliente, el tratamiento por disolución y el envejecimiento son tratamientos térmicos necesarios para que los componentes de titanio impresos en 3D consigan estabilidad dimensional, transformación microestructural y propiedades mecánicas óptimas como dureza, resistencia a la tracción y límite elástico.
P: ¿Qué composición de aleación de titanio es preferible para aplicaciones de implantes médicos: Ti64 o Ti6242?
R: Aunque tanto el Ti6Al4V como el Ti6242 hacen implantes impresos biocompatibles para adaptarse a la anatomía del paciente, los cirujanos ortopédicos prefieren la aleación con menos vanadio debido a problemas de osteointegración que impiden el crecimiento óseo, por lo que el Ti6242 se utiliza más.
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