Fabricación aditiva
La fusión de lecho de polvo láser acaba de volverse más atractiva con este último avance
¿Qué tecnología dominará la impresión 3D?
A medida que la impresión 3D, también llamada fabricación aditiva, se está convirtiendo cada vez más en un componente clave de la fabricación avanzada, es importante optimizar aún más el proceso. Esto se debe a que las piezas y componentes impresos en 3D suelen utilizarse en aplicaciones muy exigentes, como motores automotrices, cohetes, equipos militares, etc. Por lo tanto, en estas circunstancias, cualquier falla de un componente puede desencadenar un efecto dominó catastrófico.
Esto será crucial para permitir que la industria pase de la consolidación actual a convertirse en el proceso de fabricación dominante sobre los métodos más antiguos que funden metal en moldes y mecanizan.
Una técnica de impresión 3D en particular se utiliza para la fabricación de precisión: fusión de lecho de polvo láser.
Investigadores de la Universidad de Wisconsin-Madison y del Laboratorio Nacional Argonne han analizado recientemente el proceso con imágenes avanzadas de rayos X y creen que pueden reducir drásticamente los defectos que ocurren durante la fabricación. Publicaron sus hallazgos en el International Journal of Machine Tools and Manufacture, bajo el título “Revelando los mecanismos de mitigación de defectos de proceso en la fusión de lecho de polvo láser mediante haces conformados usando imágenes de rayos X de alta velocidad1”.
Fusión de lecho de polvo láser
El funcionamiento de la impresión 3D de lecho de polvo consiste en que se deposita una capa de polvo que contiene el material utilizado para la fabricación aditiva en un contenedor. Luego, un láser funde/funde el polvo en la zona que formará el objeto impreso en 3D.
A continuación, se deposita una nueva capa de polvo encima, y las partes que deben fundirse y añadirse al objeto son nuevamente apuntadas por el láser. Realizado durante el tiempo suficiente, se pueden producir formas muy complejas, así como objetos relativamente grandes.
Fuente: ResearchGate
Puedes ver la fusión de lecho de polvo láser en acción en este video, así como algunos ejemplos de lo que se puede fabricar con esta técnica.
La fusión de lecho de polvo láser puede usarse para producir artículos en plásticos, pero más importante aún, en metales, incluyendo titanio, acero, cobalto-cromo, aluminio, etc.
La ventaja de este método es que crea geometrías muy precisas, con tolerancias de +/- 0.2 mm, similar al moldeo por inyección de metal. Además, desperdicia muy poco material, ya que el polvo no utilizado puede recogerse y reutilizarse.
Piezas más grandes pueden imprimirse rápidamente utilizando varios láseres simultáneamente, generalmente en diseños de impresoras 3D más avanzados.
Cabe señalar que la fusión de lecho de polvo láser es un término general que abarca varias sub-técnicas:
- Selective Laser Melting (SLM) y Direct Metal Laser Sintering (DMLS), ambos procesos con marca registrada que utilizan un sistema láser para fundir completamente el polvo metálico.
- Electron Beam Melting (EBM), similar a SLM pero usando un haz de electrones en una atmósfera inerte o cámara de vacío.
- Selective Laser Sintering (SLS), que utiliza materiales poliméricos en polvo, ya que el láser solo sinteriza las partículas entre sí y no funde completamente el material.
Prevención de fallas en la impresión 3D
En teoría, la fabricación aditiva de piezas metálicas es equivalente a las piezas fundidas tradicionales. En la práctica, pueden ocurrir problemas, como poros o “vacíos”, superficies rugosas y grandes salpicaduras.
Estos problemas estructurales pueden provocar la rotura de las piezas, algo inaceptable en aplicaciones críticas.
“Porque comprendimos los mecanismos subyacentes, pudimos identificar más rápidamente las condiciones de proceso adecuadas para producir piezas de alta calidad usando el haz de forma anular.” Lianyi Chen – Profesor asociado de ingeniería mecánica en UW-Madison
Haz láser de forma anular
El primer cambio que los investigadores hicieron en su diseño de impresión 3D fue reemplazar el haz láser habitual por un haz láser de forma anular, provisto por una empresa láser llamada nLight, creando láseres semiconductores.
Esta forma diferente crea una mejor circulación del metal fundido en la piscina de fusión en general y ondas más pequeñas en la superficie del objeto recién creado. Las salpicaduras también son menos grandes y viajan menos distancia.
Coincidencia entre modelo y observaciones
Los investigadores confirmaron estas observaciones utilizando la instalación de rayos X sincrotrón de alta energía del Laboratorio Nacional Argonne. La usaron para crear instantáneas de alta velocidad del proceso de impresión 3D, lo que permitió a los investigadores verificar si su modelo matemático simulaba la realidad correctamente.
Impresión 3D más rápida
Los investigadores también lograron que el haz de forma anular perforara más profundamente en el polvo sin crear mayor inestabilidad. Esto resultó en capas más gruesas sin debilitar el producto final.
Como la producción finalmente requiere menos capas, esto acelera la fabricación y aumenta la productividad general de la máquina.
Ejemplo de fusión de lecho de polvo
Este tipo de trabajo está lejos de ser solo una demostración académica. Podría mejorar la maquinaria de fusión de lecho de polvo ya utilizada en la industria. Un buen ejemplo sería en la aeronáutica, con la tobera de combustible del motor GE9X de General Electric, que se usa en los aviones Boeing 777.
El GE9X es el motor turbo‑fan más grande producido, y la tobera fabricada aditivamente es cinco veces más duradera que las versiones anteriores.
Cabe señalar que dichos desarrollos siguen siendo muy recientes, con el diseño GE9X aprobado por la FAA solo en 2020.
Incluso un proceso de fusión de lecho de polvo de mayor calidad, así como uno más rápido, podría mejorar aún más el diseño al mismo tiempo que reduce sus costos.
¿El futuro de la impresión 3D?
Hacia la dominación de la fabricación avanzada
Hemos discutido previamente cómo la impresión 3D se está consolidando en el futuro de la fabricación.
Esto es cierto en la fabricación avanzada, como implantes biomédicos o la aeronáutica. A medida que la calidad de las piezas fabricadas aditivamente sigue mejorando, probablemente se convertirá en el método de fabricación dominante en esas industrias exigentes.
Esto probablemente también se aplique a la robótica, la fabricación en órbita, o incluso la impresión 3D holográfica directamente dentro de nuestros cuerpos.
Hacia más aplicaciones
Otro cambio ocurrirá cuando la impresión 3D sea más barata.
Esto se debe en parte a una mayor utilización, ya que la producción de más impresoras 3D generará economías de escala y reducirá los costos de la máquina y de sus materias primas.
Otro factor serán las mejoras de la tecnología. Puede optimizar la utilización de la materia prima (reduciendo los costos operativos) o producir piezas más rápido (reduciendo los costos de CAPEX).
Esto podría incluir capas más gruesas con láseres de forma anular como en este estudio. O quizá usar 2 láseres a la vez. E incluso electrónica impresa en 3D para añadir a los materiales y piezas impresas en 3D.
Invertir en la impresión 3D
La impresión 3D está alcanzando ahora la madurez tecnológica, así como la consolidación del mercado. Esto brinda a los inversores un poco más de visibilidad que en el pasado y confirma que esta tecnología está lejos de ser una moda y está aquí para quedarse.
Puedes invertir en empresas relacionadas con la impresión 3D a través de muchos corredores, y puedes encontrar en este sitio nuestras recomendaciones de los mejores corredores en EE. UU., Canadá, Australia, Reino Unido, así como muchos otros países.
Si no te interesa seleccionar empresas específicas de impresión 3D, también puedes considerar ETFs como ARK Invest 3D Printing ETF (PRNT) para capitalizar el crecimiento del sector de la fabricación aditiva en su conjunto.
O consulta nuestros artículos “Top 10 de acciones de fabricación aditiva y impresión 3D para observar“, y “Top 10 de acciones de nanotecnología“.
Empresa de láser de forma anular
nLight Inc
(LASR )
Hasta ahora, los ganadores en la tecnología de impresión 3D han sido principalmente los fabricantes de impresoras 3D y los usuarios finales. Los fabricantes de piezas individuales de las impresoras 3D son más difíciles de invertir, ya que la mayoría dependen de componentes relativamente comoditizados como los láseres estandarizados.
Este no es el caso con la innovación discutida aquí, con los láseres de forma anular, un desarrollo nuevo que podría haber encontrado una aplicación revolucionaria.
Los investigadores usaron un láser producido por nLight, más precisamente el láser de fibra de onda continua (CW) AFX1000.
La versátil paleta de configuraciones de haz permite el procesamiento de todos los metales sin compromisos. En el corte, estos láseres de fibra proporcionan una calidad de borde similar al CO2 para metales gruesos y las ventajas de velocidad de los láseres de fibra para metales finos, todo con la fiabilidad y bajo costo de propiedad de los láseres de fibra.
Este láser puede modificar la forma del anillo para realizar impresiones 3D más o menos finas y geometrías complejas.
Fuente: Trokut Solutions
La empresa había visto sus ingresos crecer de manera constante de 2016 a 2021, para luego sufrir una caída impulsada en gran parte por la disminución de ventas en China. Esto probablemente estuvo relacionado con las crecientes tensiones comerciales entre China y Occidente, y la competencia de productores de láseres domésticos chinos.
Con actualmente el 95 % de los clientes fuera de China, es poco probable que esto siga afectando a la empresa en el futuro.
Fuente: nLight
Los resultados mixtos son un reflejo de este cambio, con las ventas industriales disminuyendo drásticamente en 2024, mientras que los segmentos de microfabricación y aeroespacial prosperaron.
Fuente: Trokut Solutions
La reciente caída en las ventas ha provocado que el flujo de caja de operaciones vuelva a territorio negativo en 2024. Sin embargo, si la tendencia de crecimiento de los sectores aeroespacial y de microfabricación/impresión 3D persiste, impulsada por el crecimiento general de estos sectores y la ventaja tecnológica única de nLight, nLight debería volver a la rentabilidad.
Referencia del estudio:
1. Yuan, J., Guo, Q., Clark, S. J., Escano, L. I., Nabaa, A., Qu, M., Huang, J., Li, Q., Román, A. J., Osswald, T. A., Fezzaa, K., & Chen, L. (2025). Revelando los mecanismos de mitigación de defectos de proceso en la fusión de lecho de polvo láser mediante haces conformados usando imágenes de rayos X de alta velocidad. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 204, 104232. https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2024.104232
