Los polvos de tungsteno y aleaciones de tungsteno permiten imprimir componentes de alta densidad con excelentes propiedades mecánicas y térmicas mediante fusión por lecho de polvo láser (LPBF) y fusión por haz de electrones (EBM). Esta guía ofrece una visión general de la impresión 3D de metal de tungsteno.
Introducción a la Impresión 3D en tungsteno
El tungsteno es un material único para la fabricación aditiva debido a su:
- Densidad excepcionalmente alta: 19 g/cm3
- Gran dureza y resistencia
- Excelente conductividad térmica
- Alto punto de fusión de 3422°C
- Procesabilidad y mecanizabilidad exigentes
Aplicaciones clave de las piezas de tungsteno impresas:
- Blindaje contra las radiaciones
- Componentes aeroespaciales y para deportes de motor
- Aparatos de radioterapia y colimadores
- Implantes médicos como postes dentales
- Contrapesos y componentes de equilibrado
- Contactos eléctricos y elementos calefactores
Aleaciones comunes de wolframio para AM:
- Aleaciones pesadas de wolframio con Ni, Fe, Cu, Co
- Carburos de wolframio
- Óxidos de wolframio dopados con potasio
Polvo de wolframio puro
El polvo de tungsteno puro proporciona las densidades más altas:
Propiedades:
- Densidad de 19,3 g/cm3
- Excelente bloqueo y blindaje contra las radiaciones
- Dureza elevada hasta 400 Hv
- Resistencia hasta 1200 MPa
- Punto de fusión de 3422°C
- Buena conductividad eléctrica y térmica
Aplicaciones:
- Blindaje contra radiaciones médicas
- Colimadores de rayos X y aperturas
- Contrapesos de aviación
- Amortiguación de vibraciones en el automovilismo
- Contactos eléctricos y calentadores
Proveedores: TRU Group, Tungsteno Buffalo, Tungsteno Midwest
Aleaciones pesadas de wolframio
Las aleaciones pesadas de wolframio con níquel, hierro y cobre proporcionan un equilibrio ideal de densidad, resistencia y ductilidad:
Grados comunes:
- WNiFe (90W-7Ni-3Fe)
- WNiCu (90W-6Ni-4Cu)
- WNi (90W-10Ni)
Propiedades:
- Densidad de 17-18 g/cm3
- Resistencia hasta 1 GPa
- Buena resistencia a la corrosión y al desgaste
- Resistencia a altas temperaturas
Aplicaciones:
- Componentes de automoción y deportes de motor
- Sistemas aeroespaciales y de defensa
- Contrapesos amortiguadores de vibraciones
- Blindaje contra las radiaciones
- Implantes médicos como postes dentales
Proveedores: Sandvik, Grupo TRU, Nanosteel
Carburos de wolframio
Los polvos de carburo de tungsteno imprimen piezas extremadamente resistentes al desgaste:
Tipos
- Metales duros WC-Co con cobalto 6-15%
- Carburos cementados WC-Ni
- WC-CoCr cermets
Propiedades
- Dureza hasta 1500 HV
- Resistencia a la compresión superior a 5 GPa
- Módulo de Young elevado
- Excelente resistencia a la abrasión y la erosión
Aplicaciones
- Herramientas de corte y brocas
- Piezas de desgaste y juntas
- Componentes de blindaje balístico
- Herramientas de conformado y estampado de metales
Proveedores: Sandvik, Nanosteel, Búfalo Tungsteno
Óxidos de wolframio dopados
Los óxidos de wolframio dopados con potasio, como el K2W4O13, ofrecen propiedades eléctricas únicas:
Características
- Comportamiento semiconductor
- Conductividad eléctrica sintonizable con los niveles de dopaje
- Alta densidad de hasta 9 g/cm3
- Alta estabilidad a la radiación
Aplicaciones
- Electrónica y componentes eléctricos
- Electrodos, contactos y resistencias
- Generadores termoeléctricos
- Detectores de radiación
Proveedores: Inframat Materiales Avanzados
Comparación de las propiedades de los materiales
| Material | Densidad (g/cm3) | Resistencia (MPa) | Dureza (HV) | Resistividad eléctrica (μΩ-cm) |
|---|---|---|---|---|
| Tungsteno puro | 19.3 | 850 | 260 | 5.5 |
| WNiFe | 18 | 1000 | 380 | 8.1 |
| WC-12Co | 15.5 | 2000 | 1300 | 60 |
| WO3 dopado con K | 9 | – | – | 1-100 |
Métodos de producción de polvo de wolframio
1. Reducción de hidrógeno
- Proceso más común y económico
- Óxido de wolframio reducido por hidrógeno
- Morfología irregular del polvo
2. Esferoidización del plasma
- Mejora la forma y la fluidez del polvo
- Hecho después de la reducción de hidrógeno
- Proporciona una gran pureza
3. Atomización por plasma
- Esfericidad y fluidez superiores del polvo
- Control de la distribución del tamaño de las partículas
- Menor captación de oxígeno que la atomización con gas
4. Síntesis química de vapores
- Polvos ultrafinos de tungsteno a escala nanométrica
- Alta pureza con partículas de pequeño tamaño
- Se utiliza para polvos de óxido de tungsteno
Tecnología de impresión para tungsteno
Fusión láser en lecho de polvo (LPBF)
- Láseres de fibra de alta potencia > 400 W
- Atmósfera inerte de argón
- Control preciso del baño de fusión
Fusión por haz de electrones (EBM)
- Potente haz de electrones > 3 kW
- Entorno de alto vacío
- Más adecuado para materiales muy densos
Chorro aglomerante
- Aglutinante adhesivo utilizado para unir selectivamente polvo
- Es necesario el postprocesado para obtener toda la densidad
- Menor resistencia de la pieza en comparación con LPBF y EBM
LPBF y EBM permiten imprimir componentes de tungsteno de alta densidad.
Especificaciones técnicas
Especificaciones típicas del polvo de wolframio para AM:
| Parámetro | Especificación | Método de ensayo |
|---|---|---|
| Tamaño de las partículas | 15 - 45 micras | Difracción láser |
| Densidad aparente | 9 - 11 g/cc | Caudalímetro Hall |
| Densidad del grifo | 11 - 13 g/cc | ASTM B527 |
| Caudal | 25 - 35 s/50g | ASTM B213 |
| Contenido de oxígeno | < 100 ppm | Fusión de gases inertes |
| Contenido en carbono | < 50 ppm | Análisis de combustión |
| Esfericidad | 0.9 – 1 | Análisis de imágenes |
Controlar las características del polvo, como la distribución del tamaño de las partículas y la morfología, es fundamental para obtener impresiones de alta densidad.
Desarrollo del proceso de impresión
Optimización de los parámetros del proceso LPBF para el wolframio:
- Precalentamiento para controlar el agrietamiento - típ. 100-150°C
- Alta potencia láser > 400 W con control preciso
- Espesor de capa pequeño en torno a 20-30μm
- Estrategias de exploración para minimizar las tensiones
- Enfriamiento controlado tras la impresión
Para EBM:
- Calentamiento a >600°C para sinterizar el polvo
- Alta corriente de haz con tamaño de punto pequeño
- Velocidades de exploración más lentas para una fusión completa
- Minimizar los gradientes térmicos
Se requieren impresiones de prueba para caracterizar las propiedades.
Proveedores y precios
| Proveedor | Grados | Precios |
|---|---|---|
| Grupo TRU | W puro, WNiFe | $350 - $850/kg |
| Nanoacero | WC-Co, WNiFe | $450 - $1000/kg |
| Tungsteno Buffalo | W puro, W-Cr | $250 - $750/kg |
| Inframat | WO3 dopado | $500 - $1500/kg |
| Sandvik | WC-Co, W-Ni-Cu | $300 - $800/kg |
- El tungsteno puro cuesta entre $350 y $850 por kg.
- Las aleaciones pesadas cuestan entre $450 y $1000 por kg.
- Óxidos dopados hasta $1500 por kg
El precio depende de la pureza, la morfología, la calidad del polvo y el volumen del pedido.
Tratamiento posterior
Pasos típicos del postprocesado de piezas AM de tungsteno:
- Eliminación de soportes mediante electroerosión o chorro de agua
- Prensado isostático en caliente para eliminar huecos
- Infiltración con aleaciones de baja fusión
- Mecanizado para mejorar el acabado superficial
- Unión a otros componentes si es necesario
Un postprocesado adecuado es vital para conseguir la calidad final de la pieza.
Aplicaciones de los componentes impresos de tungsteno
Aeroespacial: Álabes de turbina, componentes de satélite, contrapesos
Automoción: Contrapesos, piezas antivibratorias
Médico: Blindaje contra la radiación, colimadores, implantes dentales
Electrónica: Disipadores térmicos, contactos eléctricos, resistencias
Defensa: Blindaje contra las radiaciones, protección balística
Los componentes de tungsteno impresos permiten mejorar el rendimiento en aplicaciones exigentes de todos los sectores.
Ventajas e inconvenientes del tungsteno AM
Ventajas
- Alta densidad para el blindaje contra las radiaciones
- Excelente resistencia y dureza
- Buenas propiedades térmicas y eléctricas
- Geometrías personalizadas
- Consolida varias piezas
Desventajas
- Tramitación difícil y costosa
- Material frágil que requiere soportes
- Baja ductilidad y tenacidad a la fractura
- Requiere equipo especializado
Solución de problemas de impresión
| Edición | Posibles causas | Medidas correctoras |
|---|---|---|
| Porosidad | Baja densidad del polvo | Utilizar polvos de alta densidad cercana a la densidad teórica |
| Parámetros de impresión imprecisos | Ajuste la potencia del láser, la velocidad y la separación entre trampillas mediante impresiones de prueba | |
| Cracking | Grandes gradientes térmicos | Optimizar el precalentamiento y la estrategia de escaneado |
| Tensiones residuales elevadas | Utilizar prensado isostático en caliente post-impresión | |
| Contaminación | Garantizar una atmósfera de procesamiento de alta pureza | |
| Deformación | Calefacción o refrigeración desigual | Optimización de los patrones de escaneado, anclaje firme de la pieza a la placa de construcción |
Preguntas frecuentes
P: ¿Cuál es la granulometría típica del polvo de impresión de wolframio?
R: Lo habitual son 15-45 micras, con un control estricto de la distribución granulométrica en torno a 20-35 micras.
P: ¿Qué nivel de porosidad cabe esperar en las piezas de tungsteno impresas?
R: Normalmente se consigue una porosidad inferior a 1% mediante la optimización del proceso y el prensado isostático en caliente.
P: ¿Qué aleaciones ofrecen un buen equilibrio entre densidad y propiedades mecánicas?
R: Las aleaciones pesadas de wolframio con Ni, Fe y Cu 6-10% proporcionan alta densidad con buena ductilidad y tenacidad a la fractura.
P: ¿Qué tratamiento posterior requieren las piezas de tungsteno impresas?
R: La eliminación del soporte, el prensado isostático en caliente, la infiltración y el mecanizado son procesos postimpresión que se utilizan habitualmente.
P: ¿Qué temperaturas de precalentamiento se utilizan?
R: En el caso de LPBF, el precalentamiento hasta 150°C es habitual para reducir las tensiones residuales y el agrietamiento.
P: ¿Qué precauciones de seguridad son necesarias al manipular polvo de wolframio?
R: Utilice el EPI adecuado, evite la inhalación y siga los procedimientos de manipulación segura del polvo recomendados por el proveedor.
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P: ¿Qué normas se utilizan para calificar el polvo de impresión de wolframio?
R: ASTM B809, ASTM F3049 y la norma MPIF 46 cubren el análisis químico, el muestreo y los ensayos.
Conclusión
El tungsteno y sus aleaciones permiten la fabricación aditiva de componentes de alta densidad con una rigidez, resistencia, dureza y propiedades térmicas inigualables mediante procesos avanzados de impresión 3D como LPBF y EBM. Gracias a su punto de fusión ultraalto, su densidad y su capacidad para bloquear la radiación, los componentes de tungsteno impresos se utilizan en aplicaciones aeroespaciales, automovilísticas, médicas, de defensa y electrónicas. Sin embargo, los exigentes requisitos de imprimibilidad y posprocesamiento requieren un control riguroso del proceso y la optimización de los parámetros para lograr la densificación completa y las propiedades ideales del material. A medida que se desarrollan los conocimientos y la experiencia en la impresión de tungsteno, pueden aprovecharse sus ventajas únicas para fabricar componentes de alto rendimiento con capacidades que superan las limitaciones de la fabricación tradicional.
