Análisis DFM basado en reglas para la sinterización láser directa de metales

Análisis DFM basado en reglas para la sinterización láser directa de metales . La sinterización láser directa de metales (DMLS) es un tipo de proceso de fabricación aditiva que permite la impresión capa a capa de piezas metálicas con geometrías complejas directamente a partir de datos CAD 3D . Utiliza un láser de alta energía para sinterizar metal en polvo bajo control informático, uniendo el material para crear una estructura sólida. La DMLS es un proceso de forma final y permite la creación de piezas altamente complejas y personalizadas sin coste adicional derivado de su complejidad.

La DMLS se utiliza para fabricar piezas metálicas complejas que resultan difíciles de producir mediante procesos de fabricación tradicionales , lo que otorga una gran libertad al diseñador al diseñar el componente. Sin embargo, existen ciertas consideraciones de Diseño para la Fabricación (DFM) que deben tenerse en cuenta al diseñar las piezas que se imprimirán. El DFM proporciona orientación al equipo de diseño para que la estructura del producto se ajuste mejor al proceso de fabricación . Elimina la barrera entre las fases de diseño y fabricación del desarrollo del producto, lo que permite a los diseñadores aprovechar todos los costos inherentes y otros beneficios disponibles en el proceso de fabricación. La consideración temprana de los principios y directrices del DFM puede generar una reducción significativa de costos y tiempo en el desarrollo final del producto. Algunas de las directrices comunes para DMLS son:

El tamaño de la pieza que se puede imprimir depende de la impresora que se utilice. Con la tecnología actual,  se puede alcanzar un tamaño máximo de impresión de 228 x 228 x 304 mm. ^{[ 1 ]} Por lo tanto, el tamaño de la pieza a imprimir debe estar dentro de las dimensiones requeridas. DMLS tiene un ancho mínimo de sinterización (que depende del diámetro del láser) que varía de 0,6  mm a 0,9  mm. Esto define el tamaño mínimo de las características externas de la pieza y, por lo tanto, se debe evitar el diseño con características externas de dimensiones menores. ^{[ 2 ]}

La precisión y la rugosidad superficial de la pieza dependen del tamaño del grano del polvo, que oscila entre 50  μm y 100  μm. El espesor de la capa, que se encuentra entre 0,02  mm y 0,05  mm, determina la resolución en la dirección vertical. Por lo tanto, las regiones de las piezas que requieren alta precisión deben diseñarse con una tolerancia planificada de 0,1  mm a 0,5 mm, y posteriormente se deben utilizar operaciones  de acabado y/o mecanizado secundarias para lograr la precisión requerida. ^{[ 2 ]}

En DMLS , el lecho de polvo soporta las piezas y las mantiene en su lugar. Sin embargo, se requieren estructuras de soporte para la mayoría de las superficies orientadas hacia abajo que forman un ángulo menor de 45 grados con el lecho de polvo. Esto se debe a que el lecho de polvo por sí solo es insuficiente para contener la fase líquida del metal que se crea cuando el láser escanea el polvo. Las estructuras de soporte también son necesarias para restringir el rizado/deformación del polvo fundido debido a los altos gradientes de temperatura. Los voladizos con ángulos menores de 45 grados deben evitarse, en la medida de lo posible, en la etapa de diseño. La principal ventaja de esto es la reducción del consumo de material y la necesidad de posprocesamiento para eliminar las estructuras de soporte de los componentes diseñados. ^{[ 3 ]}

El número total de capas necesarias para construir la pieza completa es directamente proporcional a la altura de la pieza medida a lo largo de la dirección de construcción. Cada capa de la pieza a imprimir requiere la colocación compactada de una fina capa de material en polvo mediante un rodillo, el trazado láser según los datos 3D introducidos en la máquina en el plano horizontal y el descenso incremental del lecho de polvo para la siguiente capa. Estos procesos requieren una cantidad significativa de tiempo, por lo que rediseñar el producto para obtener alturas menores puede ahorrar mucho tiempo de fabricación. ^{[ 4 ]} La orientación de construcción debe ser tal que la altura de la pieza sea mínima a lo largo de la dirección de construcción.

La dirección principal del flujo de calor generado por el láser en la parte superior es paralela a la dirección de construcción, debido a que el lecho de polvo situado en la parte inferior actúa como principal disipador de calor. La adición de material en capas y el flujo de calor direccional en DMLS dan lugar al crecimiento de granos microestructurales a lo largo de la dirección de construcción, lo que genera propiedades anisotrópicas . ^{[ 5 ]} La estructura impresa mediante DMLS presenta propiedades más débiles a lo largo de la dirección de construcción. Esta anisotropía puede eliminarse mediante tratamientos térmicos, pero estos procesos son muy costosos y requieren mucha energía. Por lo tanto, es recomendable considerar la anisotropía desde el inicio del diseño de dichas piezas estructurales, y la dirección de mayor tensión en la estructura debe estar en el plano horizontal.

Al ser una técnica de fabricación aditiva , DMLS no genera costos adicionales por la complejidad de la pieza. El volumen de construcción, junto con el número de capas, determina el costo y el tiempo de producción. DMLS elimina la necesidad de fabricar herramientas; sin embargo, estas tecnologías no se benefician de las economías de escala . Por lo tanto, se recomienda diseñar piezas con volúmenes superfluos mínimos, construyendo solo las geometrías relevantes. ^{[ 6 ]} Además, las piezas deben diseñarse para evitar la necesidad de ensamblaje , ya que ahora es posible imprimir subconjuntos con geometrías complejas. ^{[ 7 ]}