Hace no mucho tiempo, la impresión 3D aún tenía un cierto aire futurista. Hoy en día se ha vuelto una técnica estándar en algunas áreas y es posible aplicarla incluso con materiales metálicos.

Darmstadt vivió una primicia mundial hace unos años. Por primera vez en la historia se construyó un puente de acero al aire libre utilizando impresión 3D. Es cierto que el curso de agua que debía atravesar no era precisamente el Amazonas, sino una corriente artificial en el recinto de la Universidad Técnica. Y que, con una longitud de tres metros, era un puente de una escala muy manejable.

Pero, aparte de ser la primera construcción de este tipo, el puente también demostró el éxito de un nuevo proceso. Mientras que prácticamente todos los procesos 3D implican una operación vertical de abajo arriba, en este caso el material también se agregó horizontalmente, es decir, desde un lado. «Solo gracias a este hecho fuimos capaces de completar toda la construcción in situ», señaló Thilo Feucht, director del proyecto y asistente de investigación en el campo de la construcción en acero: «El nuevo método nos ofrece opciones de construcción adicionales, también para estructuras de mucho mayor tamaño».

Gotas metálicas como material básico

Los inicios de la impresión 3D –también denominada fabricación aditiva en la jerga técnica– se remontan a la década de 1980. Al principio, el proceso estaba limitado a plásticos y se utilizaba principalmente para fabricar prototipos y moldes. No obstante, desde el comienzo de este siglo, se ha utilizado cada vez en mayor medida en la producción en masa. En los últimos años, su uso se ha extendido también a los materiales metálicos. Entretanto se ha convertido en un proceso estándar en cada vez más sectores y campos de aplicación.

En la impresión 3D, los metales se procesan en forma de polvo o hilo. Mientras que el hilo es equivalente por lo general a las varillas de soldadura convencionales, la producción de polvo es más compleja y requiere el uso de métodos especiales. En la mayoría de los casos, implica inyectar el metal fundido a través de una boquilla y transformarlo en finas gotitas. «La forma esférica de las partículas garantiza un polvo que fluye libremente » explica el Dr. Dirk Kampffmeyer, especialista en soldadura y fabricación aditiva en Messer. «En muchos procesos, este es un prerrequisito clave para el procesamiento eficaz del polvo». A fin de evitar la oxidación del metal caliente, este se impulsa a través de la boquilla mediante un gas inerte –generalmente argón– a alta presión.

Lecho de polvo, pulverización y aporte de hilo

El polvo acabado entra en el lecho de polvo, un contenedor cuya parte inferior puede desplazarse verticalmente. El polvo se introduce en capas. Un haz láser o de electrones, controlado por ordenador, calienta el polvo en puntos específicos. Esto activa una especie de proceso de sinterización en el que el polvo pasa a forma sólida. Cuando se termina una capa, la parte inferior del contenedor desciende en la medida correspondiente al espesor de la capa. Entonces se aplica nuevo polvo, y la siguiente capa se sinteriza encima de la inferior. Así, las piezas de trabajo se producen capa por capa. Los procesos con lecho de polvo permiten alcanzar altos niveles de precisión, y a menudo no se requiere ninguna labor de rectificación. La principal limitación se encuentra en las dimensiones de los lechos de polvo; los de mayor tamaño miden 80 por 40 centímetros.

La pulverización no se ve afectada por esta limitación. Con esta técnica, el polvo metálico se rocía a través de una boquilla en un haz láser. De nuevo, el argón es el principal gas utilizado. Fundido por el láser, el polvo se deposita sobre una base como si fuera un «cordón». Esta técnica se emplea normalmente en combinación con una mesa que puede girar e inclinarse. El componente a construir se dota de su forma específica girando e inclinando la base bajo la boquilla fija.

En lugar de polvo, otra posibilidad es utilizar hilo como material fundible en el haz láser. Su producción es mucho más sencilla y más barata que la del polvo metálico. Los últimos avances presentan un mecanismo de aporte de hilo coaxial que facilita la independencia direccional, como en el rociado de polvo. En este caso se emplea un haz láser dividido que se junta de nuevo en la zona de fusión. El uso de hilo puede hacer que la fabricación aditiva resulte rentable incluso para componentes con precios muy por debajo del segmento de alta gama.

Calidad y experiencia en soldadura

Esto último se aplica especialmente a la tecnología WAAM(‘Wire Arc Additive Manufacturing’ o fabricación aditiva mediante soldadura por arco y aporte de hilo). En principio, este proceso es similar al conocido método de soldadura MIG/MAG. En lugar de crear una única soldadura, el robot de soldadura procede «cordón a cordón», «capa a capa», para fabricar un objeto tridimensional. Este fue el proceso utilizado por los constructores del puente en Darmstadt. De acuerdo con Thilo Feucht, su materia prima era «hilo de soldadura común», similar al acero estructural convencional. Por otra parte, el truco para agregar metal líquido desde un lado sin que gotee es programar las fases correctamente: «El material debe enfriarse antes de agregar más metal. Por lo tanto, construimos todo el puente a partir de puntos de soldadura individuales en intervalos de un segundo».

Prácticamente todos los procesos de soldadura y sinterización tienen una cosa en común: solo pueden alcanzar la calidad requerida en una atmósfera de gas inerte. «Aquí es donde entra en juego nuestro conocimiento específico», resalta el Dr. Bernd Hildebrandt, director del área de aplicaciones de soldadura y corte. «Comprendemos bien la interacción de los distintos metales y aleaciones, por una parte, y de los gases y mezclas de gases, por otra. El resultado deseado solo puede obtenerse si ambas partes se combinan de manera óptima. En este punto podemos ofrecer un asesoramiento exhaustivo a nuestros clientes».

Para garantizar que este asesoramiento se basa en la tecnología más puntera, Messer también es miembro del Centro de Manufacturación Aditiva en Aachen, junto con algunos de los principales fabricantes de vehículos y proveedores de componentes automovilísticos así como otros líderes tecnológicos en la impresión 3D de metal. Además, Messer participa cada año en la feria Formnext, que reúne a expertos en fabricación aditiva de todo el mundo. En palabras del Dr. Kampffmeyer: «La fabricación aditiva complementa los procesos convencionales del trabajo con metal y sustituye a algunos de ellos. Como expertos en gases, nos encontramos a la vanguardia de este desarrollo».