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Garantía de calidad de los componentes de fabricación aditiva

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Nueva tecnología de fabricación Micro Laser Sintering

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Los procesos de fabricación aditiva, también conocidos como impresión 3D, fabricación aditiva o fabricación generativa, ofrecen una impresionante libertad de diseño. En ellos, se superponen muchas capas de material fino sobre la base de datos tridimensionales.

La fabricación aditiva, que en un principio se utilizaba principalmente en el campo de los plásticos, está ganando cada vez más importancia en el sector del metal. Este proceso de fabricación puede utilizarse de forma rentable, especialmente para pequeñas cantidades, ya que, a diferencia de las piezas de fundición, por ejemplo, no hay costes de utillaje. Se eliminan en gran medida los procesos complejos como el mecanizado, por ejemplo, el fresado. Esto es de gran interés para la construcción de prototipos, también conocida como "prototipado rápido". En este caso, la creación de un prototipo suele durar sólo unas horas. Esto puede suponer una ventaja competitiva decisiva con unos plazos de entrega de proyectos cada vez más ajustados. Sin embargo, es aún más importante garantizar la calidad de las piezas fabricadas mediante los correspondientes ensayos de materiales.

Micro sinterización láser: una forma especial de fabricación aditiva

La empresa 3D MicroPrint GmbH fabrica pequeños componentes metálicos de alta calidad y realiza pruebas para examinar las características mecánicas, como la resistencia a la tracción, el límite elástico y el alargamiento a la rotura. 3D MicroPrint GmbH se ha especializado en la producción de microcomponentes y utiliza el llamado proceso de microsinterización por láser. En principio, este proceso de fabricación es interesante para todos los sectores, pero especialmente para la tecnología médica, la industria aeroespacial, la industria de los semiconductores, la tecnología de los sensores, la filtración y la tecnología de flujos. A diferencia de la fundición tradicional, por ejemplo, se trata de una tecnología de fabricación relativamente nueva que se utiliza en el entorno industrial desde hace 10 años. El objetivo es establecer esta tecnología junto a las tecnologías de fundición existentes en el mercado de serie y de masas.

El modelo, que se diseña en 3D en el ordenador, se fabrica mediante el proceso de lecho de polvo. En este proceso, el material en polvo de una pieza se aplica capa a capa y se solidifica. En el micro sinterizado láser, el material se funde por láser de forma estructurada y se une así capa a capa. Este proceso no requiere ninguna herramienta adicional y se lleva a cabo mediante el intercambio de datos digitales.

La característica principal del micro-sinterizado láser es, entre otras cosas, crear espesores de pared de menos de 100 µm con una densidad de material superior al 99%, manteniendo la precisión dimensional y las propiedades completas del material. Mediante una especificación de polvo propia y la correspondiente tecnología de micro sinterización láser, se pueden cumplir estos requisitos del mercado y, en algunos casos, incluso superarlos. Gracias a estas altas resoluciones de las geometrías de los componentes y al proceso de -(Metal Injection Moulding), se pueden alcanzar los mismos estándares de calidad o incluso mayores.

Especialmente en lo que respecta a la rugosidad de la superficie, se consiguen valores Rz inferiores a 10- 25 µm con altas densidades simultáneas superiores al 99,5%. De este modo, se pueden obtener cantidades de componentes de varios miles de piezas en unos pocos días o semanas, con total flexibilidad en el diseño de los componentes al mismo tiempo.

Para garantizar estas propiedades para sectores industriales como la tecnología médica, por un lado se comprueban los requisitos del cliente según la certificación interna de la norma ISO 9001:2015 y estos ya se procesan y documentan según los requisitos de la norma ISO 13489 (norma específica de seguridad).

Para el ensayo de tracción en materiales metálicos según la norma DIN EN ISO 6892, las formas de las probetas según la norma DIN 50125 resultan ser una buena base, pero requieren un examen minucioso. Especialmente los radios y las transiciones entre la cabeza de la probeta y la cintura de la probeta a menudo no se pueden utilizar de la forma habitual. Aunque se pueden fabricar sin problemas, las transiciones cortas y afiladas, como en las probetas de rosca o de hombro, provocan un exceso de tensión local y el correspondiente fallo en estos puntos: los ensayos de tracción con esta posición de fractura no serían válidos. Dependiendo del proceso de fabricación, la superficie debe ser repasada y no puede ensayarse "tal cual". Otras limitaciones en la elección de la forma de la probeta se dan sobre todo en los procesos de fabricación de alta precisión y costosos, ya que las probetas deben ser lo más cortas posible. Las mordazas clásicas, como las de cuña o las de tornillo, sólo pueden reducirse con gran esfuerzo. Mucho más sencillas son entonces las fijaciones con forma, pero sin rosca. Las probetas de tracción planas o redondas con un hombro como contrapunto son fáciles de fabricar y de ensayar.

A la hora de miniaturizar las probetas y, en consecuencia, el montaje de los ensayos, hay que tener en cuenta varios factores que influyen. Uno de ellos es la precisión y la axialidad de la sujeción de la probeta y la aplicación de la fuerza. Esto significa, por ejemplo, que el dispositivo de ajuste de forma debe fabricarse dentro de un estrecho margen de tolerancia y debe ofrecer la posibilidad de autoalineación.

Además, el eje de aplicación de la fuerza, que afecta tanto a la célula de carga como a la sujeción superior e inferior, debe estar alineado axialmente con precisión entre sí de forma unidireccional. Las desviaciones en el rango de µm ya pueden conducir a la introducción de fuerzas transversales y falsear el resultado. También es necesario que la ingeniería mecánica de la máquina de ensayo se optimice de tal manera que, al desplazar el travesaño móvil, esta axialidad no se vea perjudicada en toda la carrera de ensayo.

Un reto adicional de la reducción de la tarea de ensayo es la determinación de los parámetros de deformación.

En principio, el alargamiento se define como el aumento de la longitud inicial de la galga en un momento dado, expresado en porcentaje.

Este alargamiento puede determinarse de forma convencional mediante el sistema de medición del recorrido de la máquina de ensayos o mediante un dispositivo especial de medición del alargamiento, también llamado extensómetro.

La determinación del alargamiento basada en el canal de recorrido de la máquina de ensayo está siempre sujeta a diversas variables de influencia. Especialmente la rigidez del montaje de la prueba, a la que además del bastidor de carga también contribuyen la célula de carga, la adaptación de los componentes así como la sujeción de la probeta, es de importancia y puede conducir a un error de medición considerable.

Por lo tanto, se recomienda la determinación de la deformación de la probeta mediante un extensómetro. La norma ISO6892-1 habla explícitamente de la deformación por extensómetro. Esto se aplica especialmente cuando hay que determinar resultados para los que se requieren pequeñas deformaciones, como cuando se determina el módulo de elasticidad.

En los ensayos de tracción de componentes de fabricación aditiva, no son infrecuentes las longitudes de muestra inferiores a 10 mm debido a los costes de material y fabricación. Esto hace que el uso de sistemas de medición táctil sea casi imposible o extremadamente costoso.

En este campo de aplicación se pueden utilizar métodos de medición ópticos. Los extensómetros láser y los extensómetros de vídeo con lentes telecéntricas o semitecéntricas especiales permiten determinar el alargamiento de la muestra según la clase 1 de la norma ISO 9513 para las longitudes iniciales más pequeñas.

Además de las "máquinas de ensayo universales estándar", la empresa Hegewald & Peschke ha desarrollado micromáquinas de ensayo para la realización de ensayos de tracción estáticos sobre probetas en miniatura, así como para tareas de ensayo cíclico. La máquina de ensayos en miniatura inspekt micro S500, por ejemplo, está equipada con un sistema de medición de desplazamiento que tiene una resolución de 5nm y permite realizar ensayos de tracción, compresión, flexión y pelado en materiales y componentes sinterizados por láser hasta 500N.

Debido a estos elevados requisitos, el departamento de garantía de calidad de 3D Micro Print GmbH lleva tiempo trabajando con Hegewald & Peschke Meß- und Prüftechnik GmbH. Gracias a sus muchos años de experiencia en el campo de la tecnología de microensayos y medición, Hegewald & Peschke es un socio experimentado y fiable en el campo de la tecnología de ensayos para los procesos de fabricación aditiva.