Reimaginar la impresión 3D con una estrategia de exposición innovadora

28 de junio de 2022 | Tiempo de lectura: 7 min

En EOS, siempre estamos explorando nuevas tecnologías y métodos para mejorar el proceso de impresión 3D. Nuestro equipo ha desarrollado una nueva e interesante estrategia de exposición láser que da como resultado una producción de mejor calidad y una reducción del gasto energético.

Una nueva estrategia para la exposición al láser

En EOS, siempre estamos explorando nuevas tecnologías y métodos para mejorar el proceso de impresión 3D. Nuestro equipo ha desarrollado una nueva e interesante estrategia de exposición láser que da como resultado una producción de mejor calidad y una reducción del gasto energético.

¿Por qué es tan importante garantizar la calidad?

Una de las principales ventajas de la impresión 3D frente a los métodos de fabricación tradicionales es su eficiencia. Pero, como ocurre con cualquier tecnología relativamente nueva, todavía hay muchas posibilidades de avance. En EOS siempre estamos trabajando para perfeccionar y mejorar el proceso de fabricación aditiva (AM). En nuestros continuos esfuerzos por hacer avanzar la tecnología y las técnicas de impresión 3D, hemos desarrollado un nuevo método de estrategia de exposición que arroja excelentes resultados frente a lo que hasta ahora se consideraba la mejor práctica.

En este artículo, le llevaremos a través del proceso comúnmente utilizado de impresión láser 3D, los desafíos que presenta, y los resultados de nuestra investigación para hacer frente a esos problemas, culminando en la nueva metodología: Estrategia de exposición en función del centro láser (LCDS). Siga leyendo para ver cómo un ajuste aparentemente incremental puede dar lugar a cambios significativos para la fabricación aditiva.

Cómo funciona la impresión 3D LPBF

El principio de la fabricación aditiva se caracteriza por su estructura por capas. La construcción comienza con un modelo generado en 3D (CAD), que se corta en muchas capas finas y se envía a la máquina de AM (la impresora 3D). En la impresora, se aplica una fina capa de material en polvo a la plataforma de construcción y un potente rayo láser funde el polvo en lugares específicos dictados por los datos de diseño generados por ordenador (el modelo CAD). A continuación, se baja la plataforma de construcción a una altura específica para el trabajo y se aplica otra capa de polvo a la plataforma de construcción. La nueva capa de material se funde de nuevo, conectándola con la capa inferior. Estos pasos se repiten hasta que se realiza la pieza final.

Los láseres de alta precisión utilizados en la impresora se desplazan por el lecho de polvo siguiendo un patrón prescrito, disparando sólo en los momentos necesarios para formar el objeto diseñado digitalmente. A medida que se añade cada fina capa de polvo perfectamente uniforme, los láseres repiten el mismo patrón de desplazamiento sobre el lecho.

Un equipo de ingenieros de procesos de metal de EOS ha llevado a cabo una serie de experimentos para establecer una forma alternativa de programar la asignación y el movimiento del láser, lo que aumenta la precisión y la calidad de construcción. Sin embargo, antes de explorar este nuevo método, es importante entender cómo funcionan actualmente los láseres de fabricación aditiva.

La estrategia actual: DMLS

La tecnología DLMS -también conocida como fusión selectiva por láser (SLM), fusión por lecho de polvo láser (LPBF) o fusión por láser de metales (LMF)- utiliza un patrón de desplazamiento coherente para los láseres de impresión 3D. Este patrón se conoce como estrategia de exposición. Se desplaza de un extremo a otro del lecho de polvo (conocido como la dirección de la banda), serpenteando a izquierda y derecha en una sucesión alterna de pasadas sobre la plataforma de construcción (estos son los vectores de exploración). Los láseres se disparan en cada pasada, independientemente de la dirección, con el objetivo de lograr puntualidad y eficacia.

Al igual que en una impresora de papel convencional, los láseres no necesitan volver a un lado de la plataforma de construcción -el "margen", como se consideraría en papel- antes de completar otro vector de escaneado. Esto ahorra tiempo en el proceso de impresión, pero también presenta algunos problemas potenciales.

Formación de salpicaduras

Cuando los láseres golpean el lecho de polvo, sinterizan el material para formar un objeto sólido. Sin embargo, debido al elevado aporte de energía y al movimiento de los láseres, algunas partículas de polvo se desvían del punto de impacto. Estas partículas también se conocen como salpicaduras. Al igual que los granos de arena se alejan del lugar donde cae una pelota, estas partículas se desplazan en la dirección dictada por el ángulo de impacto.

Durante el proceso de exposición, los láseres se mueven en varias direcciones y ángulos en relación con el lecho de polvo. Dependiendo de la dirección del movimiento del láser, se expulsa o desvía una cantidad diferente de salpicaduras de la ubicación del proceso. El resultado es que las partículas de polvo se desvían en distintas direcciones, lo que provoca una acumulación irregular de polvo en lugares aleatorios.

Defectos en las capas

El uso de vectores de escaneado alternos significa que las salpicaduras pueden caer en cualquier parte de la plataforma de construcción, incluidas las zonas que aún no se han sinterizado. Esto significa que la superficie perfectamente uniforme del lecho de polvo se ha visto comprometida y que las zonas que posteriormente serán alcanzadas por los láseres serán potencialmente desiguales. La cantidad de formación de salpicaduras también es importante, ya que una mayor cantidad de salpicaduras significa que queda menos material para formar la superficie sólida resultante prevista.

El resultado serán pequeñas imperfecciones en cada capa, cuando haya demasiado o demasiado poco polvo en determinados puntos de la sinterización. Esto hace que la siguiente capa de polvo sea irregular, ya que tiene que "rellenar los huecos" donde la capa anterior no se ha formado de manera uniforme, dando lugar a puntos donde una capa no está bien conectada con la anterior. Esto crea defectos y debilidades en el producto final.

La solución: Estrategia de exposición en función del centro láser (LCDS)

A través de una amplia experimentación, nuestro equipo ha establecido que el uso de vectores de barrido y franjas alternas no es la estrategia más eficaz para el sinterizado láser. El equipo aisló pequeñas áreas transversales de la plataforma de construcción y probó diferentes combinaciones de direcciones de rayas y vectores de exploración unidireccionales para cada centro láser (la posición del láser sobre la plataforma). Determinadas combinaciones dieron resultados de mayor calidad que otras, pero permitieron al equipo identificar cuáles son las óptimas para el centro láser correspondiente.

El equipo llegó a la conclusión de que el uso de patrones de exposición en los que las franjas y los vectores de escaneado unidireccionales se alinean de una forma específica con el centro láser adecuado conduce a una reducción de las imperfecciones y a un aumento de la homogeneidad de las piezas en toda la plataforma de construcción. La posición del centro del láser se propone como criterio rector, razón por la cual la estrategia se denomina "Estrategia de exposición en función del centro del láser" (LCDS).

Esto es especialmente importante cuando se trata de crear piezas de precisión, como las necesarias para la ingeniería aeronáutica, donde la más pequeña de las imperfecciones puede tener graves consecuencias. Resulta emocionante que hayamos empezado a incorporar aspectos de nuestros descubrimientos sobre LCDS a nuestro software de impresión 3D para empezar a ofrecer estas ventajas de calidad a los usuarios. Con el tiempo, pretendemos implantar más de este nuevo método en nuestros productos.