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SmarTech Publishing lanzó recientemente su primer reporte sobre la fabricación aditiva con aleaciones de aluminio. Durante la fase de investigación, se entrevistaron a diversos conductores y accionistas que lideran el mercado de la fabricación aditiva (AM, por sus siglas en inglés) y del aluminio. Toda la información recolectada se utilizó, en combinación con la base de datos de hardware y materiales de SmarTech, para construir proyecciones y pronósticos a 10 años sobre la adopción del aluminio en la AM. La información cuantitativa recabada se usó en el reporte y parte de la información cualitativa adquirida durante las entrevistas se muestra a continuación, considerando que los principales operadores del mercado AM analizan las tendencias que harán que el aluminio se convierta en uno de los materiales más buscados del mismo.
Al, desde la creación de prototipos hasta la producción
Una razón por la cual el aluminio es tan interesante es que la impresión 3D está pasando del prototipado a una tecnología de producción por lotes más grandes. Los fabricantes están buscando materiales que sean más livianos y más rentables que las súper aleaciones de titanio y níquel como el Inconel. Mientras que el Aluminio AlSi10Mg es el material más comúnmente usado en la actualidad, los fabricantes están buscando nuevas aleaciones de aluminio específicas para la AM. “El Aluminio AlSi10Mg es el material más utilizado en Materialise“, confirma Ingo Uckelman, Director Técnico de Impresión 3D en dicha empresa. “La mayoría de las aplicaciones de aluminio en la AM hoy en día son en aplicaciones de prototipos”, coincide Peter Mercelis, ex Director de Tecnologías Aplicadas en 3D Systems, quien salió en febrero de 2018 para financiar una empresa que invierte en el futuro de los dispositivos médicos. “No he visto muchas aplicaciones en la fabricación en masa todavía” explicó, “pero es solo cuestión de tiempo antes de que esto suceda. En nuestro caso, hoy por hoy es probablemente el tercer o cuarto material, detrás de las aleaciones de acero y las aleaciones basadas en níquel. Estamos viendo una tendencia creciente para el aluminio”.
Additive Industries, otro sustancial fabricante de sistemas de metal PBF, confirmó a través de un portavoz que la compañía está viendo una creciente demanda en las aleaciones de aluminio debido al excelente equilibrio que este presenta en su peso, costo de materiales y sus propiedades. “El aluminio es nuestro principal material y vemos una tendencia creciente hacia una producción en masa mayor “, confirmó Martin Kappler, Gerente Global de Polvos Metálicos, Metales & Servicios 3D, en SLM Solutions. “Solo hay que pensar en la adopción por parte de la industria automotriz. Dado que la cantidad de piezas que requiere es mucho mayor, necesita sistemas más grandes y cámaras de construcción más espaciosas. Por esta razón, creo que el aluminio, combinado con materiales como acero y titanio, se convertirá en uno de los mayores materiales en la fabricación aditiva”.
Según Heraeus, uno de los principales fabricantes de polvos para la AM, la adopción del aluminio crecerá significativamente y los precios de los polvos atomizados de aluminio disminuirán significativamente en los próximos años. “Hay dos razones”, explicó el Dr. Reiner Meisel, Gerente de Producción AM: “La número uno vale para todo material, la tecnología AM se está volviendo cada vez más atractiva para la industria, por lo tanto, la caída de precios ya ha comenzado. Pero también, especialmente para el polvo de aluminio, existe una capacidad excesiva que es causada por la caída en la demanda de la industria solar fotovoltaica”. Aunque esto es cierto para las aleaciones de aluminio actualmente disponibles, los principales fabricantes de aluminio están buscando desarrollar nuevas aleaciones de aluminio específicas para la AM.
Descifrando el código con Scalmalloy
Aún es necesario superar varios desafíos antes de que el aluminio en la AM se convierta en una opción de producción verdaderamente viable. “El desafío para las tecnologías basadas en láser es exactamente expandir aún más la gama de aleaciones que se pueden procesar actualmente”, nos dijo un portavoz de Additive Industries. “Muchas aleaciones se han desarrollado para otros procesos, tales como la fundición de metales, y estas pueden sufrir efectos como el desgarro en caliente mientras se procesan por AM. Esta es la razón por la cual Additive Industries ofrece ahora Scalmalloy, una aleación de aluminio de alto rendimiento desarrollada especialmente para la AM”.
El CEO de Arcam, Magnus René, destaca la necesidad de aleaciones de aluminio específicas para la AM. El fabricante sueco de sistemas de hardware EBM (que también posee AP&C, fabricante líder de polvos para la AM) actualmente no ofrece soporte compatible con aluminio, pero eso podría cambiar si las nuevas aleaciones, como Scalmalloy, se vuelven más ampliamente disponibles. “Fundamentalmente todos los materiales que estamos usando hoy en la fabricación aditiva no fueron creados para la fabricación aditiva. Fueron inventados para fundición de metales o para otras aplicaciones,” explicó Martin Kappler de SLM Solution “La mayoría de las aleaciones de aluminio utilizadas en AM hoy en día fueron originalmente inventadas para fundición de metales”.
Andrea Pasquali, Gerente General de la oficina, líder en Italia, de servicios de impresión 3D de metales, Zare, ya ha realizado varios estudios de casos con Scalmalloy para AM. Zare es socio oficial de APWorks en el desarrollo escalonado de la aleación. “Este [Scalmalloy] es ideal para aplicaciones espaciales y de aviación, en este momento no veo que tenga más aplicaciones ‘cotidianas’” explicó, “es principalmente una cuestión de costo, tanto en términos de materias primas como en de procesos de producción. Es un proceso de producción bastante lento en comparación con el aluminio tradicional. Al mismo tiempo, registra rendimientos mecánicos que son dobles en comparación con las aleaciones de aluminio estándar como AlSi7 y AlSi10. Sufre un poco a altas temperaturas, pero es un gran retador para el titanio”.
“La demanda de aleaciones livianas de alta resistencia en el sector aeroespacial es significativa, pero aún enfrentamos algunos problemas técnicos con las actuales aleaciones de aluminio”, dijo Mercelis de 3D Systems. “Conseguimos grietas durante la impresión porque el aluminio es un conductor térmico muy alto. Esto es bueno para el intercambio de calor por una parte pero, por otra, eso también aporta problemas en términos de reflectividad del láser. Entonces, una cantidad muy pequeña del láser está siendo absorbida por el material mismo. Asimismo, la velocidad muy alta de enfriamiento durante la producción de estas aleaciones de aluminio causa agrietamiento. Estamos trabajando para mejorar la tecnología en sí misma, a fin de poder fabricar piezas totalmente libres de grietas y fisuras usando estas aleaciones de alta resistencia”.
“El aluminio reacciona fuertemente con el oxígeno”, agregó el Dr. Meisel. “Eso significa que se necesita un equipo especial para producirlo y manejarlo. Lo que realmente tenemos que hacer para abordar este y otros desafíos es cooperar y trabajar en la estandarización de la fabricación aditiva y los polvos metálicos AM. Hoy estamos diseñando todo acerca de los polvos: estamos diseñando desde cómo deben empacarse. Estamos tratando de establecer estándares para eso. Estamos tratando de establecer cómo se debe determinar un material. Actualmente tenemos limitaciones para diseñar cómo se manejan los polvos antes, durante y después del proceso. En el futuro, diseñaremos el polvo para aportar características específicas en productos y piezas”.
En el camino. Y hasta el cielo
Muchos creen que la posible adopción en el segmento automotriz para la producción de piezas hará que las aleaciones de aluminio se conviertan en los materiales más demandados en la AM. Sin embargo, eso llevará todavía un tiempo. “Definitivamente vemos una utilidad en la industria automotriz, pero todavía lo vemos principalmente para la creación de prototipos”, explicó Mercelis de 3D Systems. “Todavía es muy difícil ser económicamente viable para la fabricación aditiva. Hay algunas excepciones, pero la mayoría de los pedidos para automóviles sigue siendo para la creación de prototipos. Como la productividad aumentará en los próximos años, eso puede cambiar”, concluyó.
“Additive Industries ya ve a Scalmalloy como una opción viable para las piezas de producción,” afirma René. “Tanto en la industria aeroespacial como en la automotriz, la aplicación más relevante para la AM son los subconjuntos. Esas son las partes que tienen sentido para la impresión 3D actualmente. Eventualmente, cuando las máquinas lo permitan, es probable que las piezas más grandes sean 3D impresas en aluminio en lugar de en titanio. Puede haber algunas aplicaciones a largo plazo en la industria automotriz, pero para ser realmente competitivos en el sector automotriz, debemos ser muy eficientes. La ventaja del aluminio –concluye– es su bajo peso específico. Por lo tanto, las aleaciones de aluminio son muy interesantes donde el peso es crítico. Y esto es significativo para la industria aeroespacial. También es significativo para la automotriz en algunos casos especiales”.
Toyal se asoció recientemente con APWorks ( la compañía propiedad de Airbus que primero perfeccionó Scalmalloy para la AM) para convertirse también en productor de la aleación de aluminio de alto rendimiento. “Hemos identificado tres segmentos de mercado”, dijo Fabrice Morvan, Gerente de Desarrollo de Mercado de Toyal. “Uno es los fabricantes de máquinas, ya que mueven grandes cantidades de material. El otro con el que estamos hablando es los especialistas en fabricación aditiva y los proveedores de servicios. El tercero con el que hay que trabajar directamente es los proveedores específicos de primer nivel para la industria automotriz y aeroespacial. Estamos en contacto con compañías como GE, Saffron, y nos centramos principalmente en la industria aeroespacial. Además, hay que tener en cuenta que nuestra principal actividad comercial, que no está relacionada con la fabricación aditiva, es producir pigmentos metálicos esencialmente para la industria de la pintura automotriz. Esto significa que disfrutamos excelentes relaciones dentro del campo automotriz. Toyal Japón es un líder definitivo del mercado en el campo del aluminio, con lazos muy fuertes con Toyota y Honda. Esperamos que eso abra puertas en el futuro”.
Haciendo lo mejor de todo esto
¿Cuáles son los principales beneficios que impulsan la adopción del aluminio en la AM? A menudo no se trata solo de rentabilidad y peso ligero. “El ahorro de peso es un aspecto importante pero también lo es con el titanio. En muchos casos se trata de conductividad térmica,” expresó Mercelis. “El motivo por el que lo ingresamos a la AM es por las propiedades mecánicas generales del Scalmalloy,” agregó Morvan. “Esta es una de las primeras aleaciones específicamente diseñada para la fabricación aditiva y también es una de las primeras aleaciones de aluminio para la AM que ofrece propiedades mecánicas altamente deseables”.
Los beneficios del aluminio en la AM pueden ser numerosos y dependen de la aplicación. Los adoptantes aeroespaciales, por ejemplo, usan las propiedades del material del aluminio, con la libertad del diseño AM, para producir componentes que son considerablemente más ligeros que su equivalente mecanizado convencionalmente. “Las industrias de la aviación y el espacio han hecho esta transición”, dice Mercelis, “Ahora están pensando en términos de cómo diseñar para un funcionamiento óptimo y luego presentar aplicaciones válidas. En la industria automotriz, por otro lado, realmente no se ve esa transición todavía. Se trata más de reemplazar rentablemente las piezas actuales con la AM y, en muchos casos, la respuesta es no. Y como la productividad aún no está allí, dudarán en cambiar su forma de pensar sobre cómo pueden diseñar para un funcionamiento óptimo en lugar de para una fabricación óptima”.
Una solución aglutinante
Una oportunidad muy interesante para el futuro a mediano y largo plazo está representada por la introducción de procesos de inyección de aglutinante en metal que podrían ser factibles para un lote más grande e incluso para producción en masa. HP, Desktop Metal, Stratasys y otras compañías se están moviendo en esta dirección. “Creo que ese será el futuro de la producción por AM”, dijo Andrea Pasquali de Zare. “En particular, admiramos la visión para el Sistema de Producción de Desktop Metal. Hoy en Zare usamos sistemas de fusión de lecho de polvo, sin embargo, estamos convencidos de que a largo plazo, la mayoría de la producción por AM se llevará a cabo con tecnologías de inyección de aglutinante. Ya hemos solicitado trabajar con Desktop Metal y HP en los próximos sistemas y ayudarlos con el desarrollo de materiales y procesos. Esto va a llevar un par de años y no creo que estos sistemas puedan suplir la fusión de lecho de polvo tanto como expandir las capacidades de la AM más allá de los límites actuales en términos de productividad”.
Todavía pueden pasar varios años antes de que la tecnología esté disponible para polvos de aluminio. “Creo que es interesante porque también es muy rápido”, dijo el Dr. Meisel, “pero entonces sí, debes manejarlo como lo harías en MIM, y para ser sincero, eso no va a ser muy fácil. Sinterizar aluminio en un horno no es fácil y puede haber problemas con el uso de aglutinantes que contengan oxígeno. Esta puede ser la razón por la cual el aluminio MIM no es tan popular. Estoy seguro de que esto es algo que debemos investigar porque las discusiones y el intercambio de información generan nuevas ideas”.
Muy buen articulo. Gracias por compartirlo.