Cómo ha cambiado la fabricación aditiva de metal durante una década

Aquí, una impresora 3D de metal produce una pieza de acero. Los fabricantes de materiales están invirtiendo más en el desarrollo de nuevos materiales aditivos metálicos. (Imágenes falsas)

Ahora que la fabricación aditiva está ganando terreno, los fabricantes de materiales están invirtiendo más en el desarrollo de nuevos materiales aditivos metálicos. Ese es un gran cambio con respecto a hace 10 años o incluso hace solo cinco años, cuando el mercado no era lo suficientemente grande ni la tecnología lo suficientemente avanzada como para justificar tal empresa. ¿Hasta dónde ha llegado el aditivo de metal en la última década y qué hay en el horizonte para la tecnología de rápido crecimiento?

The Additive Report contactó a cuatro expertos en el espacio de aditivos metálicos para conocer su opinión:

Cheryl MacLeod, directora global de ciencia de fusión 3D, impresión 3D en HP Inc.: Cuando HP ingresó a AM en 2015, el gigante informático de Silicon Valley quería adoptar un nuevo enfoque para el desarrollo de materiales metálicos. HP notó en ese momento que faltaba el mercado de prototipos de dispositivos, por lo que inició un servicio de producción de Metal Jet en asociación con la empresa británica de componentes aeroespaciales y automotrices GKN. A partir de ahí, HP ahora produce polvos de acero inoxidable hechos a la medida para clientes del sector automotriz, industrial y médico, incluidos Volkswagen, GKN, Wilo y Parmatech. HP continúa desarrollando nuevos materiales a través de su plataforma abierta de materiales tanto para Metal Jet como para Multi Jet Fusion.

Keith Murray, gerente de desarrollo comercial de Sandvik Osprey Ltd.: Osprey CE ha estado desarrollando aleaciones de expansión controlada y polvos metálicos con Sandvik durante casi 20 años. El programa de materiales, ubicado a menos de 10 millas de Swansea en el sur de Gales, ofrece la gama completa de materiales: aleaciones con base de hierro (acero inoxidable y acero martensítico), aleaciones de níquel, aleaciones de cobre y aleaciones de cobalto, así como un desarrollo continuo en aluminio y titanio. Sandvik creó su propia tecnología de atomización por gas con capacidades que van desde el suministro de polvo metálico a pequeña escala para el desarrollo de prototipos hasta lotes de gran volumen para la producción a gran escala.

Jacob Nuechterlein, presidente y fundador de Elementum 3D: La compañía de desarrollo de investigación, parámetros y materiales AM está a la vanguardia de la producción de nuevas aleaciones y compuestos metálicos. Nuechterlein, con experiencia en metalurgia, inició la empresa con sede en Erie, Colorado, en 2014 para ampliar la cartera de aleaciones. Hace cuatro años, solo había en el mercado 12 aleaciones metálicas comerciales en comparación con más de 60 materiales de aluminio. Centrándose en el lecho de polvo láser, Elementum 3D ha desarrollado desde entonces numerosos "ultramateriales" en aleaciones de aluminio, materiales refractarios como tungsteno y tantalio, aleaciones a base de acero y níquel y cobre.

Andy Shives, gerente comercial de fabricación aditiva en Praxair Surface Technologies: El productor de gas industrial Praxair Inc. ha estado fabricando polvos metálicos durante más de 50 años a través de los mercados de recubrimientos por aspersión térmica. Por lo tanto, es natural que su división AM, Praxair Surface Technologies (PST), se haya convertido en uno de los mayores fabricantes mundiales de metales aditivos durante la última década. PST ahora opera un 300,000 pies cuadrados. planta en Indianápolis dedicada a la producción de polvos metálicos y cerámicos. PST atomiza aleaciones a base de níquel, cobalto, hierro, titanio y cobre para casi todos los mercados relevantes: aeroespacial, energético e industrial, así como un alcance en expansión en los sectores médico y automotriz.

El informe aditivo:¿Cómo se compara el ritmo de desarrollo de materiales AM con el de hace cinco o diez años?

escalofríos: Muchos de los grandes jugadores ahora ni siquiera estaban involucrados en aditivos, y mucho menos en aditivos metálicos, hace 10 años. Pero incluso hoy en día todavía es la etapa inicial. El número de aplicaciones o piezas que están en producción es todavía muy pequeño. Ahora, especialmente durante los últimos cinco años, el conocimiento ha aumentado dramáticamente sobre qué aleaciones se pueden imprimir y qué aleaciones necesita observar más para ciertos procesos. Por ejemplo, una aleación puede funcionar bien para el proceso de lecho de polvo láser, pero no funcionará bien para el proceso de haz de electrones. Y los clientes ahora realmente investigan qué aleación funciona mejor para una aplicación específica. Y hemos visto un aumento significativo en los últimos dos o tres años.

Murray: Si hubiéramos tenido esta conversación en 2007 y me hubieras preguntado hacia dónde veo que va la tecnología, creo que a cualquiera le resultaría difícil anticipar realmente hasta dónde ha llegado. Si nos remontamos a ese entonces, tal vez había 100 máquinas instaladas en todo el mundo. Era una aplicación y una tecnología muy específicas. Al principio era solo una interesante parte complementaria de nuestro negocio, pero obviamente eso ha cambiado mucho a lo largo de los años. La escala de la industria, el nivel de innovación, el nivel de interés y el nivel de demanda de materiales son irreconocibles desde donde estaban hace 10 años.

Nocturno: En particular, algo de esto tiene que ver con el poder de cómputo y las herramientas que tenemos disponibles para el desarrollo de materiales y para la impresión en general. La flexibilidad del equipo se ha abierto bastante para permitirnos sumergirnos en saber cómo funciona y cómo podemos mejorarlo. Las personas que están en el mundo de la atomización ahora entienden cómo atomizar material para AM y ven que hay un mercado para ello. En el pasado había mucha calidad variable. La gente ha aprendido diferentes trucos del oficio para que pueda obtener un producto más consistente. Hay más lugares de donde obtener diferentes materiales. Creo que la competencia genera un mejor producto.

El polvo de metal se vierte en una cámara de una máquina de sinterización láser de impresión 3D. (Imágenes falsas)

ARKANSAS:¿Están los fabricantes adoptando más abiertamente la impresión 3D como una opción de fabricación real?

MacLeod: Estamos viendo que los fabricantes adoptan la impresión 3D como una verdadera opción de producción y, en el futuro, creemos que habrá un crecimiento explosivo en el desarrollo de materiales. Más socios de materiales están interesados ​​en desarrollar su capacidad para crear polvos AM y, a medida que las tecnologías se vuelven más adecuadas para la producción, vemos empresas más dispuestas a invertir en una gama más amplia de materiales de alto rendimiento. Estamos justo en el punto de inflexión donde la tecnología finalmente está comenzando a alcanzar un nivel de madurez que realmente le permitirá ir más allá de la creación de prototipos y la producción de bajo volumen y avanzar en la curva hacia la producción a gran escala. La pregunta no es si la impresión 3D será la nueva plataforma para la producción en masa global, sino cuándo.

Nocturno: Solo las conversaciones que tengo hoy versus cuando comencé la empresa son completamente diferentes. Solía ​​​​ser que le estaba enseñando a la gente, incluso hace cuatro años, lo que era AM. Y ahora la conversación se trata más de enseñar a la gente a usar AM. Y esas son conversaciones muy diferentes.

escalofríos: Hace cinco años, muchas empresas todavía estaban explorando si deberían obtener una máquina o un par de máquinas, o podrían haber estado trabajando con contratistas externos que tenían máquinas. Ahora, muchas de estas empresas tienen al menos una impresora de metal interna que realiza sus propios estudios. Entonces, han hecho esa inversión inicial. Tiene eso lo suficientemente importante.

ARKANSAS:¿Qué está influyendo en el desarrollo de materiales aditivos en este momento?

Murray: Todavía es un espectro bastante diverso. Hay diferentes personas influyentes para las empresas que están bien en el viaje aditivo dentro de su propio proceso de fabricación. Se están acercando, si no ya, a usarlo como una herramienta de producción seria que impulsa el desarrollo para refinar los materiales y la consistencia no solo para una mejor reproducibilidad en términos del proceso, sino también de las características del material. Así que realmente se trata de comprender las minucias y refinar las especificaciones para brindarle un proceso que sea estable a nivel industrial.

MacLeod: Actualmente, la mayor influencia es el cambio que están haciendo los fabricantes de prototipos a producción. Esto tiene un gran impacto en los materiales: pasar de materiales que son buenos para la creación de prototipos a materiales que son más adecuados para la producción. Específicamente para los metales, se trata de producción. Reconocemos que un ecosistema abierto de líderes de la industria es fundamental para una mayor innovación, una economía revolucionaria y un desarrollo más rápido de materiales y aplicaciones de impresión 3D. Cuando observa los mercados verticales o cualquier lugar donde vea producción en serie, la mayoría tiene un conjunto específico de regulaciones, documentación y procesos que se han convertido en normas establecidas en esos mercados verticales.

escalofríos: Muchas de las aleaciones que muchos clientes comenzaron a usar procedían de especificaciones de diferentes mercados, por ejemplo, fundición y forja. No fueron escritos para el proceso aditivo. Y lo que estamos viendo ahora es que los clientes se están familiarizando mucho más con las máquinas aditivas, las diversas tecnologías y la creación de conjuntos de parámetros personalizados. Y ahora diseñando especificaciones para AM. Lo que ha resultado de eso son ajustes en la química de la aleación y la distribución del tamaño de las partículas. Ahí es donde ingresa a las aleaciones personalizadas, que podrían ser desviaciones de una aleación estándar conocida. O podría ser una aleación completamente nueva que realmente fue diseñada y construida para aditivos.

ARKANSAS:¿Cuáles siguen siendo algunos de los obstáculos para seguir impulsando el desarrollo de materiales?

MacLeod: Debido a que la impresión 3D existe desde hace más de 30 años, muchos ingenieros todavía piensan en la tecnología y los materiales en el silo de cómo se introdujeron por primera vez, a pesar de toda la innovación en el espacio. Por ejemplo, todavía estamos aprendiendo lo que requiere el proceso AM de lecho de polvo desde el punto de vista del material y descubriendo cómo hacer coincidir mejor los materiales centrales con los perfiles reales de cada proceso. El moldeo por inyección ha tenido un siglo para descubrirlo.

Los fabricantes de materiales están invirtiendo más en el desarrollo de nuevos materiales aditivos metálicos. (Imágenes falsas)

Nocturno: Específicamente, los obstáculos en el desarrollo de materiales son la competencia y los resultados. Desea poder decir que un lote será igual que el siguiente, y que si obtiene una gran propiedad, se sentirá cómodo colocando esa propiedad en el plato. Los clientes quieren muchos datos. Para cada material que lanzamos, debemos generar una gran cantidad de datos para que el cliente se sienta cómodo antes de que muevan grandes cantidades. Hay cierta flexibilidad y tolerancia al riesgo en una sola vez aquí y allá. Pero si está hablando de hacer una tirada de fabricación completa y va a comprar 20, 30 impresoras, querrá sentirse muy cómodo con el rendimiento del material en su pieza.

Murray: La estandarización es un tema muy importante. Tiene diferentes comisiones como el grupo F42 de la Sociedad Estadounidense para Pruebas y Materiales (ASTM) en los EE. UU. y el comité ISO/TC 261, que tiene una base más europea. Pero también está descubriendo la colaboración. Nuestra empresa de materiales tiene una herencia de más de 150 años en el procesamiento de materiales. Tenemos mucho conocimiento inherente del lado de los materiales, probablemente más que algunas de las empresas de tecnología que construyen las máquinas. Entonces, ha organizado colaboraciones, basándose en fortalezas relativas (materiales y el proceso) para ofrecer la solución completa. La proliferación de la tecnología está ocurriendo muy rápidamente. Tratar de mantenerse al día y cubrir todas sus bases puede ser todo un desafío.

ARKANSAS:¿Siguen desempeñando un papel vital las relaciones entre los desarrolladores de máquinas y los OEM para impulsar el desarrollo de materiales aditivos?

escalofríos: Hay algunos OEM de equipos que trabajan muy de cerca con ciertos clientes finales para validar. Estamos viendo que muchos de los OEM que hacen conjuntos de parámetros patentados realizarán una gran cantidad de validación por su cuenta. Es tan secreto y patentado que no quieren que la compañía de equipos u otros proveedores sepan exactamente en qué aplicación o diseño están trabajando.

MacLeod: Tenemos la visión de ampliar nuestra plataforma de materiales abiertos más profundamente en los metales para que todos puedan venir e innovar fácilmente en nuestra plataforma. El progreso proviene de la colaboración que tenemos con nuestros socios de materiales certificados. Puede haber un punto en aditivo cuando la ciencia se entiende tan bien que se ha reducido a un conjunto de herramientas de software y modelado predictivo que prácticamente cualquier persona puede usar. En ese momento, la relación profunda entre los OEM y las empresas de materiales será menos importante, pero esto aún no existe para los aditivos.

Nocturno: Se expandió incluso más allá de eso. Hay una serie de opciones diferentes ahora en cuanto a cómo va a hacer su parte y por qué va a hacer esa parte nuevamente. Ciertamente, los fabricantes de máquinas están impulsando la mayor parte de la industria, pero no toda. Ahora está comenzando a aparecer en aplicaciones individuales que necesitan resolverse. Y AM es perfecto para eso, especialmente para pequeñas empresas de fabricación. Diría que una cuarta parte de nuestro negocio es con pequeñas empresas que buscan descubrir cómo hacer piezas individuales con prototipos funcionales.

SOY:¿Cuál es una de las cosas más importantes que ve que afectan el desarrollo de materiales aditivos en el futuro cercano?

escalofríos: Un gran cambio podría ser el diseño de aditivos. La próxima generación de ingenieros en la industria está siendo capacitada de manera diferente para diseñar nuevas piezas. Ha habido mucho enfoque en eso en los últimos dos años. Estamos empezando a ver las primeras fases de eso saliendo de los OEM más grandes. Entonces, una vez que estos nuevos diseños para aplicaciones de aditivos se confirmen y validen en el mercado, comenzaremos a ver que la producción aumenta aún más.

Murray: No estoy seguro de que haya una próxima gran cosa, pero es una combinación de mejorar el rendimiento y la rentabilidad. ¿Puedes desarrollar un material con un costo de metal intrínseco más bajo para reemplazar algunos de los existentes? Pero se trata de ampliar los límites de los materiales. En materiales a base de hierro, se trata de mejorar la durabilidad y el rendimiento en cosas como aplicaciones de herramientas. Y en las superaleaciones a base de níquel de alta temperatura, está analizando la próxima generación de esos materiales y tratando de optimizarlos para el proceso.

Nocturno: Creo que veremos una gran afluencia de diferentes aceros y podremos imprimir aceros. El acero hoy en día es realmente difícil de imprimir. Hay varias razones por las cuales, pero es una cuestión de descubrir cómo soldar estos diferentes materiales correctamente. Y no solo soldarlos, sino soldarlos con velocidades de enfriamiento muy, muy altas para evitar grietas u otros problemas. Las industrias como la automotriz, la de herramientas y la del petróleo y el gas utilizan menos las superaleaciones a base de aluminio, titanio y níquel. Necesitan aceros de alto rendimiento. Muchas de estas impresoras están siendo utilizadas por ingenieros mecánicos o maquinistas que no necesariamente tienen un conocimiento profundo de cómo se forma el material. Realmente debe tener ese conocimiento relacionado con la metalurgia, el tratamiento térmico, la formación de productos y la formación de diferentes fases a medida que imprime.