Introducción: por qué en la impresión 3D metálica no basta con “poder imprimir”
En la impresión 3D metálica SLM, la potencia láser suele situarse entre 200 y 400 W, con un diámetro de punto de aproximadamente 80–120 μm. La temperatura del baño de fusión puede superar los 1600 °C, mientras que el lecho de polvo circundante permanece alrededor de 80–120 °C. Este gradiente térmico local extremadamente elevado, que puede alcanzar 10⁵–10⁶ K/m, hace que cada cordón pase por fusión, solidificación y enfriamiento en milisegundos, con expansión y contracción de volumen. Como resultado, aparecen tensiones internas alternas de tracción y compresión entre capas y cordones. Cuando la tensión residual acumulada supera el límite elástico del material o la resistencia de unión entre capas, se producen alabeo de la placa base, grietas, levantamiento de bordes y desviaciones dimensionales. Muchas empresas consiguen fabricar la pieza, pero encuentran dificultades para lograr precisión, repetibilidad y entrega industrial; con frecuencia, la causa principal es un control insuficiente de las tensiones residuales.
1. Tres fuentes principales de tensión residual y cómo identificarlas
Las tensiones residuales en SLM proceden principalmente de tres mecanismos: tensiones por gradiente térmico, debidas a la contracción restringida durante el enfriamiento rápido del baño de fusión; tensiones por transformación de fase, como la transformación martensítica acompañada de cambios volumétricos; y fuerzas de reacción de los soportes, generadas por la restricción que imponen los soportes y la placa base a la contracción libre. En Ti6Al4V, por ejemplo, los valores máximos de tensión residual en estado as-built suelen situarse entre 300 y 600 MPa. En aleaciones base níquel como Inconel 718 o aceros martensíticos envejecibles como 17-4PH, la contribución de las transformaciones de fase hace que la distribución de tensiones sea más heterogénea. En ingeniería se emplean habitualmente difracción de rayos X, XRD, o difracción de neutrones para mapear tensiones superficiales o internas. También se usan cortes de muestra y escaneado de contorno para inferir deformaciones. Establecer en prototipos la relación entre tensión y deformación es el punto de partida para controlar el proceso.
2. Cuatro métodos de proceso para controlar la tensión
1. Precalentamiento de la placa base. Elevar la placa desde temperatura ambiente hasta 150–200 °C, alrededor de 200 °C en aleaciones de titanio y con condiciones especiales de atmósfera inerte y mayor precalentamiento en aleaciones de aluminio, reduce notablemente el gradiente térmico global y puede disminuir la tensión residual entre un 20 % y un 40 %. La temperatura de precalentamiento está limitada por la oxidación del material; titanio y aluminio requieren un control estricto del oxígeno, con contenidos inferiores al 0,1 %.
2. Optimización de la estrategia de escaneado. El uso de escaneado por islas o tipo tablero de ajedrez en lugar de trayectorias largas unidireccionales ayuda a interrumpir cadenas continuas de tensión. Combinado con rotación entre capas de 67°–90° y escaneado bidireccional alternado, permite equilibrar las tensiones en distintas direcciones. La velocidad de escaneado suele recomendarse entre 700 y 1400 mm/s, según el material y el espesor de capa. Una velocidad excesiva puede provocar falta de fusión, mientras que una velocidad demasiado baja aumenta el aporte térmico y puede incrementar la tensión.
3. Correspondencia entre parámetros y espesor de capa. Los espesores de capa habituales están entre 20 y 60 μm. Las capas finas, por ejemplo 30 μm, generan una zona afectada térmicamente menor pero reducen la productividad; las capas gruesas, por ejemplo 60 μm, aumentan la eficiencia pero también la tensión. La densidad de potencia láser, el diámetro de punto y el espesor de capa deben coordinarse para que la densidad de energía volumétrica, VED, quede dentro de la ventana adecuada del material, por ejemplo 40–80 J/mm³ para Ti6Al4V, evitando tanto la sobre-fusión como la falta de fusión.
4. Diseño de soportes y geometría. En voladizos y paredes delgadas, los soportes no solo permiten la fabricación, sino que actúan como canales de liberación de tensiones. El uso de soportes macizos o de transición cónica, el control de ángulos de voladizo de al menos 35°–45° y la orientación de grandes superficies lo más paralelas posible a la placa base para acortar distancias de puenteo reducen significativamente el levantamiento de bordes. En piezas anulares de pared delgada, añadir nervios tecnológicos temporales y retirarlos durante el posprocesado es una medida eficaz para evitar la ovalización.
3. Posprocesado: ventanas de recocido, HIP y envejecimiento
El recocido de alivio de tensiones es una operación estándar antes de la entrega en la mayoría de piezas metálicas. Para Ti6Al4V se emplean comúnmente tratamientos de 530–650 °C durante 1–4 h, en régimen cercano a beta o alfa+beta, liberando entre un 40 % y un 70 % de la tensión residual sin engrosar significativamente la microestructura. Para 17-4PH se utilizan habitualmente temperaturas de alivio alrededor de 480–620 °C. Debe considerarse que el recocido puede reducir parte de la alta resistencia del estado impreso, por lo que conviene prever margen de resistencia desde la fase de diseño.
El prensado isostático en caliente, HIP, realizado a 920–1120 °C y 100–200 MPa en gas inerte durante 1–4 h, cierra poros internos, eleva la densidad por encima del 99,5 % y elimina gran parte de las tensiones residuales. Es un proceso clave para componentes estructurales aeroespaciales, aunque puede producir cambios dimensionales del 2 %–5 %, por lo que se debe reservar sobrematerial para mecanizado.
El tratamiento de envejecimiento se aplica a aleaciones endurecibles por precipitación. En Inconel 718, un envejecimiento de aproximadamente 620–720 °C promueve la precipitación de la fase γ'' y mejora la resistencia; en aleaciones aluminio-silicio como AlSi10Mg, el tratamiento T6 optimiza la dureza. El orden de la cadena de proceso es crítico: normalmente se realiza primero HIP o recocido de alivio de tensiones, y después envejecimiento de endurecimiento, para evitar el crecimiento excesivo de las fases reforzantes durante etapas de alta temperatura.
4. Verificación de estabilidad dimensional y cierre de calidad
En aplicaciones industriales se recomienda establecer una cadena de medición dimensional en cuatro estados: pieza impresa, pieza recocida, pieza mecanizada y pieza en condición de uso. Una máquina de medición por coordenadas, CMM, permite comparar la pieza con el CAD y registrar la deformación de características críticas. En componentes estructurales conviene añadir una remedición tras relajación de tensiones, por ejemplo después de 72 h a temperatura ambiente, para confirmar que no existe deriva secundaria por fluencia o relajación. Antes de la entrega, el muestreo mediante XRD puede verificar que la tensión residual está por debajo del umbral objetivo, por ejemplo <150 MPa. La curva de recocido, los parámetros de HIP y los informes de inspección deben archivarse conjuntamente para formar un ciclo de calidad trazable.
Conclusión
En la impresión 3D metálica SLM, las tensiones residuales no se “eliminan” por completo; se comprenden, se controlan y se liberan de forma planificada. Mediante precalentamiento de la placa, estrategia de escaneado, ajuste de parámetros y diseño de soportes se limita su generación. Después, mediante recocido, HIP y envejecimiento adaptados a cada sistema de material, se libera la tensión y se recuperan o mejoran las propiedades. Finalmente, la verificación de la cadena dimensional y el muestreo de tensiones aseguran la estabilidad. Solo así una empresa puede pasar de piezas simplemente formadas a componentes listos para entrega industrial. lantu3D cuenta con ventanas de proceso maduras para impresión con control de tensiones y posprocesado de piezas de titanio, superaleaciones y aceros inoxidables, ayudando a los clientes a evitar grietas y desviaciones dimensionales desde la primera pieza.
Envíe un modelo, plano, imagen o notas por escrito. Los ingenieros revisarán el material, el proceso, el acabado y la entrega según el uso real.