Por qué es importante la distribución del tamaño de las partículas en la impresión 3D de metales

Y es que la distribución del tamaño de las partículas determina si el polvo para la impresión 3D metálica se puede esparcir uniformemente, cómo se funde con el láser y cuál será la densidad final de la pieza.

Para la impresión 3D, las partículas de polvo no deben ser ni demasiado pequeñas ni demasiado grandes. Y la distribución del tamaño de las partículas no puede ser, en ningún caso, demasiado amplia; de lo contrario, conseguir una impresión satisfactoria se convierte en una auténtica odisea.

El tamaño de las partículas afecta a la capacidad de extensión y a la imprimibilidad

Esta es la pieza más fundamental del rompecabezas. Durante la impresión, cada capa de polvo debe extenderse formando una capa plana y uniforme de tan solo unas pocas decenas de micras de grosor.

Si las partículas de polvo metálico son demasiado gruesas, el espesor de la capa aumenta inevitablemente, lo que perjudica directamente la resolución de la pieza impresa, y no se podrán producir paredes delgadas ni detalles finos. Además, las partículas gruesas dejan grandes huecos entre sí, lo que da lugar a una capa de polvo de baja densidad que compromete la fusión y la unión posteriores. Así que sí, un polvo demasiado grueso no sirve.

Pero las partículas tampoco pueden ser demasiado finas. El polvo fino es ligero y tiene una superficie específica enorme, lo que implica una aglomeración severa entre partículas y una fluidez drásticamente deficiente. Al intentar extenderlo, el polvo se apelmaza o se amontona delante de la cuchilla del recubridor, lo que hace imposible formar una capa uniforme, y la impresión falla.

El polvo no puede ser ni demasiado grueso ni demasiado fino, así que, ¿cuál es el punto óptimo?

En la práctica industrial, existe un claro consenso al respecto. El rango de tamaño de partícula más utilizado y de probada eficacia es el de 15–53 μm (micras). Tanto si nos fijamos en los sistemas convencionales de fusión por lecho de polvo con láser (LPBF) como en muchos procesos de impresión comerciales, este rango es el estándar de referencia. Dicho esto, no es la única respuesta: el tamaño adecuado depende realmente de la tecnología específica de tu proceso. Por ejemplo, la fusión por haz de electrones (EBM) o la deposición de energía dirigida por láser (LDED) pueden admitir un rango más amplio, normalmente de 53 a 105 μm o de 53 a 150 μm.

La distribución del tamaño de las partículas controla el proceso de fusión y la calidad microestructural

Durante el barrido con láser, el tamaño de las partículas determina cómo el polvo absorbe y transfiere la energía.

Si las partículas son demasiado gruesas, se necesita una mayor energía láser para fundirlas por completo. Con una energía insuficiente, es posible que solo se funda la superficie de una partícula gruesa, mientras que el núcleo permanece sólido, lo que da lugar a una mala unión con el material circundante y a defectos internos como la falta de fusión.

Por el contrario, si las partículas son demasiado finas, absorben la energía del láser rápidamente. Sin embargo, el proceso se vuelve violento, provocando salpicaduras y efectos irregulares de «formación de bolas» que también arruinan la uniformidad de la capa.

La distribución del tamaño de las partículas afecta a la densidad de empaquetamiento y a la densificación final

Una distribución ideal del tamaño de las partículas es, en la práctica, un atajo para lograr una mayor densificación en la pieza acabada.

Cuando se compactan uniformemente partículas gruesas, dejan grandes huecos entre ellas. Sin embargo, con una distribución granulométrica bien diseñada que contenga partículas de diferentes tamaños, las partículas más finas rellenan los huecos entre las más gruesas, creando un lecho de polvo mucho más denso. Cuando ese lecho se funde, se contrae menos y deja menos poros internos, por lo que la pieza final presenta una mejor densidad y mejores propiedades mecánicas.

Preguntas frecuentes sobre la distribución del tamaño de las partículas

P: ¿Por qué no puede todo el polvo estar compuesto por partículas finas? ¿No facilitaría eso la fusión?

R: El polvo fino puede ser más fácil de fundir, pero su fluidez es pésima. Las partículas finas tienen una fuerte tendencia a aglomerarse y, al intentar esparcirlas, se apelmazan y se amontonan delante de la cuchilla del recubridor. Como resultado, simplemente no se consigue una capa uniforme y la impresión falla. Además, el polvo fino tiene una superficie específica elevada, lo que lo hace propenso a adsorber oxígeno y humedad, lo que aumenta el riesgo de oxidación y salpicaduras durante la impresión.

P: ¿Por qué no utilizar solo polvo grueso? ¿No fluye mejor el polvo grueso?

R: El polvo grueso fluye mejor, pero se necesita más energía láser para fundirlo por completo. Si la energía no es lo suficientemente alta, el interior de una partícula gruesa no se fundirá por completo, dejando poros por falta de fusión que comprometen gravemente la densidad y las propiedades mecánicas de la pieza. Además, el polvo grueso se compacta dejando grandes huecos entre las partículas, lo que da lugar a un lecho de baja densidad, una mayor contracción y una mayor porosidad en la pieza final.

P: ¿De dónde proviene el rango de 15–53 μm?

R: Es la «zona ideal» que se ha validado mediante un uso extensivo en la práctica. Las partículas por debajo de 15 μm son demasiado finas, y su escasa fluidez y fuerte aglomeración hacen que deban descartarse. Las partículas de más de 53 μm son demasiado gruesas, difíciles de fundir por completo y propensas a presentar defectos, por lo que también se descartan. Este rango ofrece el equilibrio ideal entre capacidad de extensión, fluidez y fundibilidad, y es el estándar del sector para los equipos de LPBF más habituales.

P: ¿Cómo se mide y se controla la distribución del tamaño de las partículas?

R: El método de medición más habitual es la difracción láser, siendo el análisis por tamizado una alternativa clásica. El control se basa en el tamizado de precisión y la clasificación por aire tras la atomización por gas para separar y eliminar las fracciones finas y gruesas que se encuentran fuera del rango.

P: ¿Cambia la distribución del tamaño de las partículas después de que el polvo haya estado en uso durante un tiempo?

R: Sí. Durante la impresión, las partículas más finas tienden a ser arrastradas por el aire o a perderse en forma de salpicaduras, mientras que las partículas más gruesas pueden fundirse parcialmente y permanecer en el proceso. Tras múltiples ciclos de reutilización, el polvo en su conjunto se vuelve gradualmente más grueso y la fracción fina disminuye. Por eso es necesario tomar muestras y analizar la distribución del tamaño de las partículas con regularidad, y reponer con polvo nuevo para mantener una ventana de proceso estable.

P: ¿Tienen los distintos materiales los mismos requisitos en cuanto a la distribución del tamaño de las partículas?

R: No exactamente. Materiales como las aleaciones de titanio y las aleaciones de aluminio —que tienen puntos de fusión elevados y buena conductividad térmica— son menos tolerantes con las partículas gruesas, por lo que la distribución granulométrica suele tener que ser más ajustada y ligeramente más fina. Las aleaciones a base de níquel y los aceros inoxidables, que son relativamente más fáciles de fundir, pueden tolerar un rango algo más amplio. Dicho esto, el rango de 15–53 μm sigue siendo la referencia para la gran mayoría de los materiales.

Conclusión

Debido a todos estos factores complejos, en los que hay que encontrar un equilibrio, la impresión 3D industrial con metales adopta ampliamente el rango «justo en su punto» de 15–53 μm y exige una distribución del tamaño de las partículas bastante ajustada (uniforme), en lugar de optar por partículas lo más finas o lo más gruesas posible. Esta es también la razón por la que los polvos para la impresión 3D en metal tienen un precio más elevado. Se requiere un tamizado y un posprocesamiento minuciosos para lograr esa distribución ideal.

Stanford Advanced Materials (SAM) ofrece una variedad de polvos metálicos esféricos para la impresión 3D, que abarca polvos a base de tantalio, aluminio, níquel y cobalto, así como aleaciones de alta entropía y polvos para pulverización térmica. SAM ofrece el rango estándar de tamaño de partícula de 15 a 53 μm, así como opciones personalizadas de tamaño y pureza en función de los requisitos del cliente.