Impresión 3D de acero inoxidable con filamento metálico: qué tan viable es
La deposición de metal aglutinado permite fabricar piezas metálicas con una impresora de filamento: se imprime un polímero cargado con polvo de metal, se elimina el polímero y se sinteriza lo que queda. El equipo necesario cuesta una fracción de lo que cuesta un sistema de fusión en lecho de polvo. Esta tesis implementó la cadena completa para acero inoxidable 316L y evaluó hasta dónde llega. El resultado principal es que la porosidad de la pieza final queda definida en la impresión, y el sinterizado no la corrige.
Contexto
En Colombia, un repuesto metálico de geometría compleja suele importarse, con semanas de espera. Las tecnologías de manufactura aditiva de metales por fusión resuelven el problema técnico, pero exigen una inversión y una infraestructura que pocas empresas del país pueden asumir. La tesis incluyó una consulta a empresas del sector y tomó como caso de estudio el impulsor de una bomba centrífuga.
El proceso tiene tres etapas. La pieza impresa, o pieza «en verde», contiene metal y aglutinante. En el desaglutinado se retira el polímero. En el sinterizado, a temperatura cercana a la de fusión, las partículas de metal se unen y la pieza se contrae.
Metodología
Impresión. Se configuró una impresora de filamento para trabajar con filamento de 316L y se fabricaron probetas cilíndricas y el impulsor.
Modelo de la probeta y trayectorias de deposición
Los parámetros de impresión se estudiaron con un diseño Taguchi de seis factores: velocidad de extrusión, temperatura, altura de capa, ancho de línea, factor de extrusión y solapamiento entre relleno y perímetro. La calidad superficial se cuantificó con un algoritmo de visión que detecta el contorno y los defectos en imágenes escaneadas de cada probeta.
Procesamiento de imagen para cuantificar defectos superficiales
Efectos principales de los seis factores sobre el índice de defectos superficiales
Sinterizado. Se compararon dos rutas: horno resistivo convencional y calentamiento por inducción. En ambas la pieza se entierra en un balasto de alúmina y grafito dentro de un crisol, cubierto con carbón activado.
Montaje en crisol de alúmina para el sinterizado por inducción
Probetas tras sinterizado por inducción a distintas temperaturas objetivo
Caracterización. Metalografía, porosidad medida por análisis de imagen, dureza y composición química.
Resultados
La porosidad nace en la impresión. Los vacíos entre cordones que no quedan suficientemente próximos se conservan en toda la cadena. El sinterizado consolida la estructura que recibe y no cierra esos defectos. La optimización Taguchi mejoró la superficie de las piezas en verde sin mejorar en la misma medida la densidad interna. Una buena calidad superficial no garantiza integridad en el interior.
La inducción densifica la superficie y no el núcleo. Con inducción, el calentamiento se concentra en la periferia de la pieza.
Metalografías del perímetro (a) y del núcleo (b) de una probeta sinterizada por inducción a 1250 °C
Porosidad promedio en perímetro y núcleo según la temperatura de proceso
Al subir la temperatura de 1100 a 1250 °C, la porosidad del perímetro bajó de 8,4 % a 0,8 %, mientras que la del núcleo se mantuvo entre 18 % y 25 %. El resultado es una pieza con una corteza densa y un interior poroso, y con un gradiente de dureza acorde. El horno convencional dio una consolidación más uniforme.
La química cambia. El análisis de composición mostró un aumento del carbono y una reducción del cromo en solución, con precipitación de carburos en los límites de grano. La causa es la transferencia de carbono desde el medio de soporte durante la permanencia a alta temperatura. En un acero inoxidable esto compromete la resistencia a la corrosión.
Lo que falta
La hipótesis inicial era alcanzar densidades relativas superiores al 95 % y no se cumplió en el volumen de las piezas. La caracterización mecánica se basó en la dureza, de modo que el desempeño bajo carga se infiere de ella y de la porosidad. Queda por explorar un diseño de trayectorias orientado a la densidad interna y un medio de soporte que no aporte carbono.
La conclusión de la tesis es acotada: la tecnología es viable para prototipos, piezas auxiliares y componentes con cargas moderadas, siempre que el diseño tenga en cuenta la porosidad. No sustituye a los procesos de fusión en aplicaciones estructurales exigentes.
Relación con Robiolab
Este trabajo no es de robótica. Pertenece a la línea de manufactura digital en la que el grupo ha trabajado desde sus inicios, con la impresora de estereolitografía y la impresora para electrohilado. Su pertinencia para el laboratorio es práctica: la capacidad de fabricar localmente piezas metálicas pequeñas y complejas, como engranajes, acoples o estructuras de mecanismos, es una limitación recurrente al construir prototipos de robots y de dispositivos vestibles. La estructura de corteza densa y núcleo poroso que produce la inducción es un defecto para un repuesto, pero es también un gradiente de propiedades que se podría diseñar a propósito.