Preparación metalográfica de piezas de fabricación aditiva

¿Qué es la fabricación aditiva?

La fabricación aditiva, también conocida como AM (por sus siglas en inglés) o impresión 3D, se refiere a las tecnologías donde se logran objetos tridimensional mediante la superposición de capas sucesivas de material. Cada capa se une a la anterior de material fundido o parcialmente fundido para crear componentes, piezas e incluso productos completos.

Ventajas de la fabricación aditiva
La fabricación aditiva simplifica el diseño y la creación de componentes complejos como un solo objeto, reduciendo así el tiempo y los costes al construir modelos y prototipos. Es todo un éxito como un método de producción en serie, especialmente de piezas complejas, por múltiples razones:

• Mejoras de diseño: Integración de múltiples piezas en un objeto en la fase de diseño, lo que permite mejorar la resistencia, reducir el peso y aumentar la durabilidad.
• Ahorro de costes: Reducción del desperdicio de material, de los costes de herramientas y de los requisitos de mano de obra lo cual minimiza los costes de la fabricación aditiva.
• Reducción del tiempo de entrega: Las piezas fabricadas se pueden utilizar directamente de la máquina o con un post-procesamiento limitado.

Características de los materiales de fabricación aditiva
Inicialmente, los metales disponibles para la fabricación aditiva estaban relacionados con las industrias que impulsaron el desarrollo; el sector de automoción, aeroespacial y médico. Sin embargo, en el mercado siguen apareciendo múltiples aleaciones nuevas y rediseñadas. En general, las piezas de fabricación aditiva tienen propiedades mecánicas y densidades similares o mejores que las de fabricación tradicional. Los defectos y las desviaciones más comunes, relacionados con la fabricación aditiva, se describen y clasifican en tres grupos:

• Calidad de la superficie: Sin post-procesamiento, las piezas de fabricación aditiva tienen una gran rugosidad superficial.
• Geometría y desviación dimensional: La contracción térmica debida al calentamiento cíclico puede provocar desviaciones dimensionales.
• Defectos de microestructura: La porosidad puede suponer un problema, normalmente causado por gas o falta de fusión.

Fig.1: Herramientas y medios auxiliares de fabricación

Producción de piezas de fabricación aditiva

Existen siete tipos principales de procesos de fabricación aditiva definidos por la norma ISO/ASTM 52900:2017. Esta nota de aplicación se centra en las piezas fabricadas utilizando una técnica específica: Fusión láser del lecho en polvo (L-PBF, por sus siglas en inglés).

El proceso L-PBF
Un polvo metálico fino de partículas esféricas (de 15 a 60 μm de diámetro) se distribuye uniformemente en una plataforma base. El láser escanea la fina capa a través del polvo, calentándola y soldándola entre sí, y soldándola también a las capas situadas directamente debajo. El proceso se repite hasta que se termina el componente final.

Destensión
Una vez finalizado el proceso de construcción, las piezas a menudo se destensan durante varias horas en un entorno protegido por gas. De lo contrario, algunos materiales y geometrías se agrietarán o deformarán cuando se corten de la placa de construcción.

Tratamiento térmico
La pieza acabada tiene una microestructura muy fina que se ha enfriado rápidamente, lo que suele dar como resultado alta resistencia y baja ductilidad. El tratamiento térmico se puede utilizar para adaptar la pieza a propiedades mecánicas específicas o aumentar la resistencia a la corrosión.

Hay varios parámetros en el proceso de fabricación que afectan a la calidad y a las características del material.

Encontrará más información en la nota de aplicación completa.

Fig. 4: Boquilla de cohete para un proyecto estudiantil.

Materialografía de piezas de fabricación aditiva

Los componentes de fabricación aditiva se pueden encontrar en una amplia gama de aplicaciones. Esto incluye aplicaciones críticas, como muelles de torsión y pinzas de freno en automóviles, boquillas de combustible y álabes de turbina en motores de reacción, e implantes médicos.

Como resultado, el examen metalográfico de los componentes de fabricación aditiva es común para el control de calidad. Por lo general, se realiza en materias primas en polvo o muestras de prueba/objetivo.

• Materias primas en polvo: Se investiga la distribución del tamaño, la forma o la estructura de las partículas en polvo.
• Muestras representativas: Se trata de pequeñas varillas o cubos impresos junto con la pieza de fabricación aditiva que permiten realizar el análisis microestructural del material sin romper la pieza.

Dado que se utilizan múltiples metales y aleaciones diferentes en la fabricación aditiva, no existe una única metodología para la preparación metalográfica. En general, la preparación debería ser la misma o similar a los métodos de preparación estándar utilizados para otras piezas o componentes fabricados con el mismo material.

Descargue la nota de aplicación completa para obtener una descripción detallada de la materialografía de piezas de fabricación aditiva.

Corte y embutición de piezas de fabricación aditiva

Recomendaciones para la embutición de materias primas en polvo

• Para examinar la distribución del tamaño de las partículas, se recomienda realizar un corte longitudinal a través de la embutición curada y volver a montarla en un ángulo de 90°.
• La embutición en caliente de polvos es posible y requiere resina sin rellenos metálicos, a menos que un ataque químico adicional pueda ayudar a distinguir el polvo de la resina.
• Se recomienda la embutición en frío en epoxi. Si trabaja con polvo pequeño o ligero, puede ser útil calentar la resina para facilitar el hundimiento del polvo.

Recomendaciones para cortar y embutir muestras de prueba/objetivo.

• La dirección de acumulación/estratificación debe tenerse en cuenta al cortar, dependiendo del propósito del análisis.
• Dado que las muestras de ensayo de fabricación aditiva suelen ser pequeñas, se prefieren soluciones de corte de precisión con herramientas de sujeción fiables.
• Si las muestras son muy pequeñas o si tienen una geometría compleja, pueden embutirse en epoxi transparente (EpoFix o CaldoFix-2) antes de cortarlas para evitar daños.
• Es posible tanto la embutición en caliente como en frío. Se recomienda la embutición en frío si las muestras son frágiles, muy pequeñas o de forma compleja.

En la nota de aplicación completa encontrará una descripción más detallada de cómo cortar y embutir muestras de fabricación aditiva.


Obtenga más información

• Obtenga más conocimientos, experiencia e información en nuestras secciones de corte y embutición.
• Consulte nuestra gama de equipos de corte y consumibles.
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Figura 9. Polvo de acero metálico agitado en FixiForm con CaldoFix-2 (izquierda). Pulido y ataque químico con reactivo Klemm modificado (derecha). Campo claro.

Figura 10. Sección transversal a través de embutición con polvo AlSiMg10 en EpoFix, reembutida. La muestra pulida detalla la distribución microscópica, el tamaño y la forma del material en polvo (abajo).

Figura 11. Pastillas de polvo metálico enriquecido PolyFast, prensadas en CitoPress y encoladas temporalmente en una muestra de prueba MultiFast (izquierda). Pastilla encolada a un bloque de soporte metálico (centro), para su posterior investigación en un SEM. Imagen microscópica de partículas de polvo de acero en PolyFast (derecha). Campo claro.

Figura 13. Sección longitudinal (izquierda) y transversal (derecha) de aleación AlSi10Mg, grabada con reactivo Fuss. Campo claro.

Esmerilado, pulido y ataque químico de piezas de fabricación aditiva

Cuando se trabaja con muestras de fabricación aditiva, las etapas de esmerilado, pulido y ataque químico de la preparación varían mucho, dependiendo del material/aleación. Estas son algunas recomendaciones breves para cuatro materiales comunes utilizados en fabricación aditiva.

Titanio
En general, la preparación debe seguir los métodos estándar utilizados para otras muestras de titanio.

• Debido a su alta ductilidad, el titanio es propenso a la deformación mecánica y los arañazos. Se debe evitar el pulido con diamante, especialmente en titanio puro.
• Para aleaciones de titanio menos aleadas se recomienda el electropulido.
• Para revelar más información, a menudo se requiere el grabado después de la preparación mecánica o electrolítica. Dado que el titanio ofrece resistencia química, se recomienda utilizar reactivos que contengan ácido fluorhídrico.
• La luz polarizada es un excelente método de ataque químico óptico para el titanio.

Tabla 2. Método de preparación de esmerilado y pulido para muestras de titanio de 30 mm sin pulir.

Consulte la nota de aplicación completa para obtener descripciones detalladas y métodos probados para el pulido, electropulido y ataque químico de muestras de fabricación aditiva de titanio.

Figura 14. Muestra final de titanio pulido con poros. Pulida en MD-Chem con OP-S NonDry y aditivo, con microestructura visible en contraste de polarización.

Figura 15. Aleación de titanio. Preparación electrolítica con A3, sin embutir. Campo claro.

Figura 16. Aleación de titanio. Pulida electrolíticamente y sometida a ataque químico con reactivo Fuss. Campo claro.

Figura 17. Aleación de titanio tras ataque químico con reactivo Keller. Luz polarizada.

Aluminio
Aunque el aluminio es blando, los elementos de aleación pueden cambiar significativamente sus propiedades mecánicas. En general, la preparación de muestras de fabricación aditiva debe seguir los métodos utilizados para muestras de aluminio similares.

• Para evitar deformaciones, arañazos y redondeo de bordes, se recomienda utilizar una superficie de esmerilado plano rígida desarrollada específicamente para aleaciones de aluminio, llamada MD-Molto.
• Para el esmerilado fino, MD-Largo con suspensión de diamante (por ejemplo, DiaPro Allegro/Largo) es adecuado para muchos tipos de aluminio.
• Para garantizar un pulido exhaustivo, siga los pasos de esmerilado fino con pulido de diamante (MD-Mol) y pulido de óxido (sílice coloidal, OP-U).
• Para revelar más detalles o detalles específicos en las estructuras de aluminio, se pueden utilizar métodos químicos, electroquímicos y un ataque químico óptico, o una combinación de ambos.

Tabla 3. Método de esmerilado y pulido para muestras no embutidas de 30 mm de aluminio

Para obtener información y metodología más detalladas, consulte la nota de aplicación completa.

Figura 18. Distintas aleaciones de aluminio tras ataque químico Barker en campo claro (izquierda) y en contraste diferencial de interferencia, DIC, (derecha).

Figura 19. Superficie pulida fina de aleación de aluminio. Pulida con MD-Chem y OP-S. Contraste diferencial de interferencia, DIC, sin ataque químico.

Figura 21. Vista general de aleación de aluminio tras ataque químico con Barker (izquierda). Detalle de aleación de aluminio, con precipitación en gran aumento (derecha). Campo claro.

Figura 22. Aleación de aluminio tras ataque químico Barker (izquierda). Inconel sometido a ataque químico con Adler (derecha). Luz polarizada.

Acero inoxidable y aleaciones de níquel
Dado que estos materiales suelen ser blandos y dúctiles, se debe evitar el uso de superficies de esmerilado muy toscas y alta presión. En general, la preparación debe seguir los métodos estándar utilizados para otros aceros inoxidables y aleaciones a base de níquel.

• Utilice un disco de esmerilado plano específico, como MD-Alto.
• El esmerilado fino debe realizarse con suspensión de diamante en un disco rígido (MD-Largo) o con un paño MD-Plan.
• Siga el esmerilado fino con un pulido de diamante exhaustivo en un paño medio/duro (MD-Dac).
• Recomendamos un pulido final con sílice coloidal (OP-S) o alúmina (OP-A) para eliminar cualquier arañazo fino.
• El ataque electrolítico con ácido oxálico al 10 % en agua es común. Sin embargo, en aceros dúplex, el ataque electrolítico con NaOH (20 % en agua) ofrece mejores resultados.

Tabla 4. Método de esmerilado y pulido para muestras de 30 mm sin embutir de acero inoxidable

Para obtener información y metodología más detalladas, incluida la preparación de muestras para la evaluación de la porosidad, consulte la nota de aplicación completa.

Figura 24. Acero austenítico después del pulido con OP-S en MD-Chem. Estructura visible sin ataque químico. Contraste diferencial de interferencia, DIC.

Figura 25. Inconel 718, sometido a ataque químico con reactivo Adler. Campo claro.

Figura 26. Acero dúplex 1.4462 tras ataque electrolítico con ácido oxálico (10 %). Campo claro (izquierda). Acero dúplex 1.4462 con penetradores de microdureza, tras ataque electrolítico con 20 % de NaOH en agua. Contraste diferencial de interferencia, DIC (derecha).

Acero de herramientas
El acero de herramientas se compone de gran cantidad de elementos aleados como cromo, níquel, vanadio o molibdeno. La principal dificultad durante el esmerilado y pulido es garantizar la retención de carburos e inclusiones no metálicas. En general, la preparación debe seguir los métodos estándar utilizados en otros aceros para herramientas.

• Para el esmerilado plano, se recomienda utilizar discos de esmerilado plano con diamantes incrustados (MD-Piano).
• Para un esmerilado fino, utilice un disco de diamante con ligante metálico (MD-Allegro) con suspensión de diamante.
• Para aceros de alta aleación, se puede utilizar el reactivo Klemm.

Tabla 5. Método de esmerilado y pulido para muestras sin embutir de 30 mm de acero para herramientas

Consulte la nota de aplicación completa para obtener información y metodología más detalladas.

Figura 27. Acero para herramientas 1.2709 después del ataque químico con Klemm modificado (10/3) y adición de HCl.

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Preparación objetivo

Para las muestras de fabricación aditiva a menudo es importante investigar los atributos microscópicos de la microestructura. Estos objetivos pueden ser poros, grietas o inclusiones del proceso de sinterización láser, así como impurezas de diferentes materiales de materia prima.

Para visualizar la porosidad y las grietas abiertas en la superficie, los epoxis con polvos fluorescentes son una solución útil. Recomendamos:

• Calentamiento del epoxi a 50-60 °C para aumentar la viscosidad.
• Uso de enfriamiento activo durante el curado para mejorar la impregnación y reducir la contracción y la formación de huecos.

El uso de tintes fluorescentes con esta técnica requiere una característica especial en el microscopio.

Consulte la nota de aplicación completa para obtener información más detallada.

Figura 28. Relleno de grieta en aleación de aluminio con resina fluorescente (izquierda). Abra la porosidad en acero austenítico (derecha).

Figura 29. Contaminación de partículas de polvo de AlSi en muestra de CuCrZr1. Campo claro.

Figura 32. Imagen en microscopio óptico de poro grande en aleación de titanio. La muestra se ha sometido a ataque químico con 100 ml de agua, 10 g de NaOH y 10 ml de H2O2.

Materialografía de piezas de fabricación aditiva

La fabricación aditiva es una de las técnicas de fabricación de componentes más novedosa y en auge. Aunque se utiliza principalmente para la creación de prototipos y diseños únicos, se utiliza cada vez más en la fabricación general para producir piezas de un solo componente de alta resistencia y peso ligero con geometrías complejas.

Como técnica de producción relativamente nueva, la fabricación aditiva introduce algunos retos para el materialógrafo profesional. En general, la investigación materialográfica se realiza en polvos de materias primas o en muestras de prueba representativas como parte del control de calidad. Estas muestras suelen ser muy pequeñas, por lo que se recomienda utilizar equipos de corte y sujeción de alta precisión.

En la fabricación aditiva se pueden utilizar muchos metales y aleaciones diferentes. Como regla general, la preparación debe ser similar a los métodos de preparación estándar para ese material. Sin embargo, la metodología puede diferir, dependiendo de la muestra específica.

En la nota de aplicación completa, encontrará una descripción detallada de cómo preparar piezas de fabricación aditiva para el análisis materialográfico. Además de una descripción exhaustiva de los retos y soluciones generales, la nota de aplicación incluye métodos y técnicas probados para diferentes materiales y aleaciones fabricados con aditivos.

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Todas las imágenes son de Ólafur Ólafsson, especialista en aplicación, Dinamarca.

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