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IMPRESIÓN 3D DE TITANIO: MÉTODOS, IMPRESORAS Y APLICACIONES

El titanio, fuerte como el acero pero la mitad de pesado, es un metal complejo de trabajar, pero prácticamente ha nacido para la impresión 3D.

Cuando el Mars Perseverance Rover de la NASA aterrizó en la superficie del planeta rojo a principios de este año, no sólo supuso un gran salto para la exploración espacial, sino también una importante validación de las piezas de titanio impresas en 3D en el sector aeroespacial. Los componentes de titanio impresos en 3D del Rover debían ser extremadamente ligeros pero resistentes y, por supuesto, fiables.

Veamos por qué el titanio es tan adecuado para la fabricación aditiva y qué futuro le espera a las piezas de titanio impresas en 3D.

 

Asas de titanio impresas en 3D por Atherton cycles (Fuente: Atherton).

Por qué el titanio es el rey de la impresión 3D en metal.

El titanio se ha convertido en el metal más utilizado en la fabricación aditiva, ampliamente empleado en el sector aeroespacial, las prótesis articulares y las herramientas quirúrgicas, los coches de carreras y los cuadros de bicicleta, la electrónica y otros productos de alto rendimiento.

El titanio y las aleaciones a base de titanio ofrecen una gran resistencia mecánica, una elevada relación resistencia-peso y una mejor resistencia a la corrosión que los aceros inoxidables. Hace que los cohetes y los aviones sean más ligeros, lo que ahorra combustible y aumenta la capacidad de carga útil. En la industria aeroespacial, varias piezas de fabricación aditiva a base de titanio aprobadas por la FAA de EE.UU. se utilizan actualmente con fines comerciales y militares, y otros muchos prototipos están en vías de certificación. El titanio impreso en 3D es apreciado por su baja relación “buy-to-fly”, un término aeroespacial que se refiere a la correlación entre el peso del material inicial y el peso de la pieza impresa.

En el sector médico, los implantes de titanio impresos en 3D han tenido éxito en aplicaciones de columna, cadera, rodilla y extremidades debido a la biocompatibilidad inherente del metal y a sus buenas propiedades mecánicas, combinadas con la capacidad de la impresión 3D de adaptar estructuras porosas que permiten la integración ósea y la personalización de la masa para obtener mejores resultados en los pacientes. Los implantes de titanio impresos en 3D están ganando en aprobación normativa y en demanda. Dado que la mayoría de los implantes médicos se fabrican para cubrir grandes grupos de personas con la misma enfermedad, no son ideales para todo el mundo. Las personas que padecen enfermedades raras suelen quedar fuera. Ahora, con la impresión 3D, es posible producir implantes diseñados exclusivamente para pacientes individuales.

El implante de titanio impreso en 3D Construx Mimi Ti Spacer System de la empresa estadounidense Orthofix Medical obtuvo la aprobación de la FDA en marzo de 2021 (Fuente: Orthofix).

Ventajas.

Pinza de freno de titanio impresa en 3D de Bugatti (Fuente: Bugatti).

La fundición y el mecanizado del titanio implican más costes de producción en lo que respecta a un mayor desperdicio de material, adquisiciones de moldes y herramientas, y un mayor consumo de energía. Además, estos dos procesos de fabricación convencionales limitan el diseño del producto y dan poca versatilidad. La impresión 3D permite una fabricación más eficiente de este costoso metal con un menor consumo de materia prima y menos residuos. Como tecnología aditiva, la impresión 3D de metales suele utilizar sólo la cantidad necesaria de material para construir una pieza, además de una cantidad relativamente baja para las estructuras de soporte.

La impresión 3D también permite realizar diseños complejos, como canales internos y rellenos de celosía para reducir el peso, que no son posibles con ningún otro método de fabricación.

Algunas características geométricas, como los agujeros o las superficies salientes, requieren un soporte estructural para evitar distorsiones geométricas, pero el uso global de materia prima sigue siendo bajo. Estas estructuras de soporte deben ser eliminadas después del proceso de impresión mediante el post-procesamiento.

Conoce el titanio.

Polvo de titanio (Fuente: PyroGenesis Additive).

El titanio puro no suele utilizarse en aplicaciones de ingeniería, mientras que es habitual en el mercado biomédico para piezas como los implantes de rodilla y cadera. Las aleaciones a base de titanio (mezclas controladas de componentes metálicos que proporcionan propiedades mecánicas específicas) se utilizan en una amplia gama de industrias que necesitan lograr propiedades muy específicas de las piezas. Los proveedores de materiales metálicos, que desde hace tiempo suministran a los fabricantes titanio para la fundición, ofrecen ahora polvos de titanio formulados específicamente para la fabricación aditiva.

El filamento de titanio para el modelado por deposición fundida (FDM) basado en el extrusor está disponible en algunas empresas, como Virtual Foundry. Este material contiene polvo de metal incrustado en PLA y puede imprimirse en impresoras FDM con temperaturas de extrusión superiores a 205 °C. Una vez procesados y sinterizados, estos filamentos pueden producir piezas metálicas con más de un 90% de metal, lo que los hace adecuados para prototipos. Si busca un filamento metálico, preste atención a los denominados de titanio en referencia únicamente a su color gris.

Titanios para la fabricación aditiva.

  • El titanio 6Al-4V, grado 5, es la aleación de titanio más utilizada en la fabricación aditiva y es ideal para prototipos y piezas funcionales en los ámbitos aeroespacial y de la automoción y para aplicaciones militares. También es un material excelente para la fabricación de piezas con geometría compleja, precisiones o utillaje de producción.
  • El titanio 6Al-4V, grado 23, es una aleación biocompatible que se utiliza habitualmente para implantes y prótesis médicas.
  • El titanio Beta 21S presenta una mayor resistencia que las aleaciones de titanio convencionales, como el Ti-6Al-4V, y tiene una mayor resistencia a la oxidación y a la fluencia en comparación con las aleaciones de titanio convencionales, como el Ti-15V-3Cr. El titanio de grado 21 tiene uno de los niveles de eficiencia de absorción de hidrógeno más bajos de cualquier aleación de titanio. Es un candidato ideal para implantes ortopédicos y aplicaciones de motores aeroespaciales. El titanio Beta se utiliza ampliamente en la ortodoncia.
  • El Cp-Ti (titanio puro), de grado 1, 2 se utiliza ampliamente en el campo médico para una amplia gama de aplicaciones, debido a la biocompatibilidad del titanio con el cuerpo humano.
  • El TA15 es una aleación de titanio casi alfa con aditivos de aluminio y circonio. La elevada resistencia específica de los componentes fabricados con TA15, combinada con su gran capacidad de carga y su resistencia a la temperatura, permite utilizarlos para componentes de alta resistencia en la construcción de aviones y motores.

Proveedores de titanio.

Hay una amplia gama de titanio y aleaciones de titanio especialmente formuladas para la impresión 3D en una gama de tamaños de partículas y purezas de los fabricantes de materiales, incluyendo:

  • Carpenter Technology: TI 6AL-4V ELI.
  • Heraeus: Ti6Al4V Gr.5 & Gr.23.
  • Sandvik: Osprey TI-6AL-4V Gr.5 & Gr.23
  • GKN: CPTi – Gr.1 & Gr.2, Ti64 – Gr. 5 & Gr. 23, Ti6242, Ti5553, Beta 21S.
  • AP&C: CPTi – Gr.1 & Gr.2, Ti-6AI-4V Gr.5 & Gr.23, Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr.
  • AstroAlloys: TruForm Ti-6Al-4V Gr.5 & Gr.23, Ti-48Al-2Nb-2Cr, Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo.

Cómo imprimir titanio en 3D.

Existen varias tecnologías de impresión 3D de metales para procesar aleaciones con base de titanio, pero los procesos de fusión de lecho de polvo -fusión de lecho de polvo por láser, fusión de lecho de polvo por haz de electrones- que utilizan titanio en polvo son los más utilizados.

“La mayoría de las piezas de titanio en AM se construyen con tecnologías de lecho de polvo”, según un informe de la consultora AMPower. “Mientras que la fusión de lecho de polvo se utiliza para producir componentes ligeros para la aviación y las carreras, así como implantes médicos, la inyección de aglutinante se suele utilizar para producir instrumentos médicos más pequeños a partir de titanio”.

Fusión por láser en lecho de polvo (Fuente: GE).

La fusión de polvo por láser (LPBF) es una tecnología de fabricación basada en la deposición de material a partir de la fusión localizada de un material mediante un láser de alta potencia. La LPBF produce una pieza añadiendo una capa de material sobre otra anterior. Es un proceso en el que el material y la pieza se crean simultáneamente. En función de las propiedades de la aleación de titanio que se va a procesar, los parámetros de procesamiento de LPBF deben optimizarse y ajustarse para controlar la porosidad, la microestructura y las propiedades finales del material. La fusión del lecho de polvo con haz de electrones es un proceso similar pero que utiliza un haz de electrones en lugar de un láser. La alta temperatura de proceso del haz de electrones da lugar a un enfriamiento más lento de las capas individuales y, por tanto, a una microestructura más gruesa en comparación con la LPBF, según AMPower.

En los procesos de fusión de lechos de polvo, las impresoras 3D de metal comienzan a trabajar a partir de un lecho de polvo metálico, que es escaneado selectivamente. Toda la información geométrica se proporciona al sistema de impresión a partir de un modelo CAD previamente definido en un software de modelado 3D. El material en polvo se caracteriza principalmente por rasgos como la morfología de las partículas (irregular o esférica) y la distribución del tamaño de las mismas. La morfología esférica se desea para permitir una buena fluidez del polvo una vez que el proceso de impresión está en marcha. El proceso de creación del polvo determina sus características finales. Los polvos metálicos pueden fabricarse mediante atomización con gas, atomización rotativa, proceso de electrodos rotativos de plasma y atomización con agua. La conclusión es que un polvo de calidad producirá piezas de calidad.

Otros métodos de fabricación aditiva adecuados para el titanio son la deposición directa de energía (DED), la deposición rápida por plasma (RPD) y el chorro de aglutinante.

Impresoras 3D de titanio.

La Arcam EBM Spectra L y la Renishaw RenAM 500Q imprimen ambas en titanio.

El mercado actual de sistemas de impresión 3D ofrece una amplia variedad de impresoras 3D de metal para procesar diferentes aleaciones basadas en el titanio.

  • Digital Metal ofrece una aleación de titanio en su impresora 3D de inyección de aglutinante.
  • 3D Systems ofrece un material de titanio compatible con dos de sus impresoras 3D SLS.
  • EOS ofrece cinco opciones de material de titanio que funcionan en sus cuatro impresoras 3D SLS de metal.
  • ExOne tiene varias impresoras de metal que son compatibles con el titanio de terceros proveedores.
  • GE Additive ofrece titanio y aleaciones de titanio para su línea de impresoras 3D SLM Concept Laser.
  • SLM Solutions ofrece tres aleaciones de titanio para su gama de impresoras 3D de fusión selectiva por láser.
  • VELO3D tiene una solución de titanio para sus impresoras 3D SLM/DMLS.
  • La impresora 3D de fusión de metales por láser de Trumpf está diseñada para la producción de piezas de titanio.
  • Las impresoras 3D de metal Renishaw son populares para producir piezas de titanio en los campos médico y dental.

Propiedades del titanio impreso en 3D.

Una preocupación esencial en ambos procesos de lecho de polvo es cómo evoluciona la microestructura del material durante la impresión, y cómo tanto la densidad de energía como el calor transferido interactúan con las redes cristalinas del material. Esta interacción se refleja en los perfiles de temperatura dependientes del tiempo que el rayo láser o el rayo electrónico transfieren a la materia prima.

La impresión en 3D somete al titanio a ciclos de procesamiento térmico multifacéticos y complejos que afectan a las propiedades mecánicas del material. Establecer tendencias y relaciones entre ellas es difícil porque cada impresora es diferente, los materiales varían y hay una serie de perímetros que ajustar. Últimamente se han realizado muchas investigaciones en este campo y la mayoría apuntan a una integridad estructural excepcional de las piezas de titanio impresas en 3D.

En marzo, el fabricante de impresoras 3D de metal MELD Manufacturing publicó datos que confirman que su proceso produce titanio que cumple los requisitos de las normas ASTM y AMS para el material forjado, tal como se imprime.

Componentes de titanio personalizados de Zenith Tecnica, un fabricante por contrato especializado en la impresión 3D de titanio (Fuente: Zenith Tecnica).

Manufacturing Sciences (NCMS), Army Research Laboratory (ARL), y el programa Advanced Manufacturing, Materials, and Processes (AMMP) utilizando para las pruebas el material Ti-6Al-4V (Ti64), también conocido como grado 5 de la ASTM.

Los datos ponen de manifiesto que el material impreso supera los requisitos mínimos de límite elástico, resistencia a la tracción y alargamiento especificados en las normas ASTM en todos los ejes, incluso en la dirección z a través de las capas de impresión.

El número de implantes quirúrgicos de titanio impresos en 3D aprobados por la FDA de EE.UU. sigue creciendo a medida que los fabricantes médicos adoptan cada vez más la fabricación aditiva en sus capacidades de producción.

Pedir piezas de titanio.

Implantes médicos personalizados de Zenith Tecnica, un fabricante por contrato especializado en la impresión 3D de titanio (Fuente: Zenith Tecnica).

Si no es posible adquirir su propia impresora de metal para las piezas de titanio, hay una amplia gama de servicios de impresión 3D de terceros que ofrecen el material y algunos que también ofrecen servicios de diseño. Asegúrese de preguntar qué aleación ofrecen, ya que el titanio puro puede necesitar un pedido especial.

En el mercado de impresión 3D en línea, Craftcloud, puede cargar su archivo digital, seleccionar el titanio y recibir presupuestos de servicios de impresión 3D de terceros. Varios fabricantes de impresoras, como Stratasys, 3D Systems y EOS, y fabricantes de materiales, como Sandvik, ofrecen servicios de impresión de titanio bajo demanda.

Implantes de titanio y guías quirúrgicas a medida.

A medida que el titanio impreso en 3D obtiene rápidamente la aprobación reglamentaria como implantes personalizados, los fabricantes de dispositivos médicos tradicionales y las empresas emergentes especializadas en impresión 3D, como Zenith Tecnica, 4Web Medical, Camber Spine y Nexxt Spine, ofrecen cada vez más este servicio.

Recientemente, el ProMade PoC Center for Complex Orthopedic Solutions ha sido noticia por ser el primer centro de atención para casos complejos operado por una empresa de dispositivos médicos en un hospital. LimaCorporate, una empresa italiana especializada en el diseño y la impresión en 3D de soluciones ortopédicas complejas, se asoció con el Hospital for Special Surgery (HSS) de Nueva York para reunir en un mismo lugar la atención clínica y la experiencia en ingeniería biomecánica.

Artículo original disponible en: ALL3DP

 

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