Como conseguir piezas totalmente metálicas con impresión 3D FDM

Imagen 1: Maqueta fabricada con Filamet™ de acero alto carbono y sinterizado. Fuente: The Virtual Foundry

The Virtual Foundry es una empresa americana, con sede central en Wisconsin, formada por grandes expertos en el sector del metal fundido, que trabajan constantemente desde 2014 para mejorar y hacer crecer su gama de filamentos y accesorios para la impresión 3D FDM de metal. En sus inicios consiguieron fabricar filamentos con altos porcentajes de latón, cobre o bronce pero su estructura después de ser sinterizados no contenía las propiedades de los metales. Mediante una campaña de Kickstarter, The Virtual Foundry consiguió el apoyo suficiente para evolucionar sus filamentos hasta conseguir las mismas propiedades que el metal puro y amplió su gama de materiales (acero inoxidable 316L, acero alto carbono, aluminio 6061 y tungsteno). Todos los tipos de Filamet™ están formados por un metal base y un polímero biodegradable y ecológico (PLA). Este material está exento de partículas metálicas expuestas y de disolventes volátiles que pueden liberarse durante la impresión. Estos materiales son sumamente sencillos de imprimir, ya que sus propiedades de impresión son similares a las del PLA, lo que permite a cualquier usuario de una impresora 3D FDM crear piezas con estos filamentos, sin la necesidad de adquirir carísimas impresoras 3D FDM industriales de metal. Una de las principales ventajas de los materiales Filamet™ es que consiguen propiedades similares a las posibles con la tecnología DMLS pero con ciertas limitaciones. Debido a la necesidad de sinterizar las piezas impresas con este filamento, donde se elimina el PLA, las piezas presentan porosidad, pérdida de volumen y no isotropía. Las impresoras 3D DMLS consiguen imprimir piezas totalmente macizas (similar a la fundición), con gran detalle, alturas de capa de 0.02 mm y sin la necesidad de post-procesado, siendo la única desventaja frente a la impresión 3D FDM de Filamet™ el coste de: material, fabricación y las propias impresoras.

Imagen 2: Conos fabricados con Filamet™ de bronce sin sinterizar y sinterizado. Fuente: The Virtual Foundry

Para conseguir que la pieza impresa sea totalmente metálica debe ser sinterizada en un horno. El sinterizado es un proceso de fabricación de piezas sólidas partiendo de un objeto formado por polvo metálico compactado, al que se le aplica un tratamiento térmico a temperatura inferior a la de fusión, pero si lo suficientemente elevada para enlazar las partículas metálicas de forma resistente, dando como resultado un bloque totalmente sólido. Después de una impresión con Filamet™ se necesita sinterizar las piezas para eliminar el PLA que forma parte del filamento. El sinterizado puede ser realizado en un horno de entorno abierto o de entorno al vacío o inerte.

Sinterizado en entorno abierto

Para el sinterizado en un entorno abierto se necesita carbón de cáscara de coco para sinterizado, un recipiente refractario (crisol) y polvo refractario Al₂O₃. El proceso comienza lijando los bordes ásperos de la pieza para obtener mejores resultados.

Para empezar, se debe llenar el crisol con polvo refractario, dejando un espacio libre en la superficie del crisol. A continuación, se debe sumergir la pieza en el polvo refractario, asegurándose de dejar una separación de al menos 15 mm entre la superficie de la pieza y las paredes y partes superior e inferior del crisol. No se debe compactar el polvo refractario.

En ese momento, dependiendo del material a sinterizar, se debe llenar el espacio libre en la superficie del crisol con carbón sinterizado o bien introducir el crisol en el horno.

Imagen 3: Proceso de sinterizado. Fuente: The Virtual Foundry

Sinterizado en entorno al vacío o inerte

Para el sinterizado en un entorno al vacío o inerte se necesita un crisol (recipiente de cocción) y polvo refractario. Se prepara la pieza para el sinterizado colocándola en el interior del crisol y cubriéndola de polvo refractario, teniendo en cuenta que entre las superficies de la pieza y del crisol debe haber por lo menos 10 mm de polvo. A continuación se coloca el crisol en el horno.

The Virtual Foundry aporta la siguiente tabla de temperaturas recomendadas, ya sea para sinterizado en entorno abierto o en entorno al vacío o inerte:

Tabla 1: Materiales y temperaturas máximas de sinterizado.

El usuario debe tener en cuenta que estos tiempos y temperaturas son orientativos y que pueden variar en función de muchos aspectos, como el modelo de horno que utilicen, por ejemplo. Los filamentos de la gama Filamet no incluídos en la tabla, se consideran de carácter experimental, por lo que el fabricante no dispone de datos para el sinterizado.

En caso de no disponer de un horno que cumpla con los requisitos para sinterizar las piezas impresas en 3D con filamentos Filamet™, pueden contactar con nosotros y le informaremos de la viabilidad y condiciones del sinterizado en nuestras instalaciones.

Después de sinterizar (en un entorno abierto o en un entorno al vacío o inerte) cualquier filamento de la gama Filamet™ se obtienen piezas totalmente metálicas, con las propiedades reales del metal como conductividad eléctrica, post-procesado por lijado y pulido o incluso unión por soldadura; pero con cierta porosidad y con una reducción del volumen debido a la pérdida del PLA. El usuario también debe tener en cuenta que las propiedades mecánicas del producto final están directamente relacionadas con el tiempo que la pieza impresa se mantiene a la temperatura de sinterización. Si el producto final es pulverulento y quebradizo, el tiempo de sinterizado no ha sido el suficiente. Si la impresión muestra una superficie similar a piel arrugada, está sobre sinterizada.

Post-procesado: Lijado y pulido

Una vez sinterizada la pieza se puede lijar y pulir de la misma forma que un metal pero siguiendo una serie de indicaciones. Con lija de agua se consigue eliminar las líneas de impresión y otras pequeñas deformaciones debido a que las partículas sueltas durante el lijado se adhieren a los huecos por el calor de la fricción. En caso de utilizar papel de lija o disco radial de 3M se recomienda empezar el lijado con un grano de 120 (80 para disco radial 3M), teniendo cuidado de no deformar las zonas más delicadas, como las esquinas. Una vez lijada toda la superficie se debe utilizar una lija del siguiente grano y así sucesivamente hasta aumentar 6 o 7 (4 veces para el disco radial de 3M). Antes de pasar al pulido final se recomienda utilizar un papel de lija de grano 3000, con el cual se consigue cierto brillo. Por último y una vez limpiada la pieza con un trapo de franela, se puede pulir la pieza. TVF recomienda utilizar una herramienta giratoria con un disco de pulido y cera abrillantadora para que el pulido sea más rápido y eficaz. Simplemente se debe aplicar un poco de cera abrillantadora en el disco de pulido y pulir con unos movimientos constantes por toda la pieza para no generar exceso de calor, que puede deformar la pieza. Además de lijar y pulir las piezas fabricadas con Filamet™, se puede pueden tallar, fundir de nuevo, soldar y alisar con aplicación de calor.

Imagen 4: Cubo de cobre pulido. Fuente: The Virtual Foundry

Visto cómo conseguir piezas totalmente metálicas con impresión 3D FDM, podemos concluir diciendo que esta tecnología de impresión, con la ayuda de los filamentos metálicos The Virtual Foundry, ha conseguido llegar a los pocos sectores que le faltaba por conquistar, sobre todo a algunos de la rama industrial.