Una herramienta poderosa

El tratamiento térmico es una etapa de posprocesamiento fundamental en la fabricación aditiva para adaptar el material de la pieza fabricada a necesidades y requisitos específicos. El camino hacia el éxito es encontrar la combinación adecuada de material y tratamiento térmico.

Markus Schneider, manager modeling, simulation and fatigue at GKN Sinter Metals in Germany.La fabricación aditiva (AM)nos permite fabricar diseños metálicos complejos que no son posibles con métodos tradicionales. Pero sin posprocesamiento, las piezas fabricadas no serían más que un diseño elegante, demasiado frágil o poroso como para ser utilizado en aplicaciones reales.

Mientras que el posprocesamiento implica todo, desde la retirada de piezas para el tratamiento superficial, uno de los pasos de posprocesamiento más importantes es el tratamiento térmico.

"El acero, el hierro y muchos otros elementos son materiales polimorfos, lo que significa que presentan diferentes fases cristalográficas en diferentes dominios de temperatura y presión", dice Markus Schneider, gerente de modelación, simulación y fatiga en GKN Sinter Metals en Alemania. "En consecuencia, sus propiedades materiales (químicas, térmicas, eléctricas, magnéticas o mecánicas) son diferentes porque resultan de la microestructura correspondiente. El tratamiento térmico es una forma fundamental de adaptar esas propiedades del material".

Una hhermosa y sostenible idea

De hecho, dice, el tratamiento térmico es una herramienta tan poderosa que casi podría ser posible utilizar una sola aleación y adaptarla a todas las necesidades y requisitos especiales.

"Esa es una idea hermosa y también más sostenible, ya que el proceso de reciclaje sería mucho más fácil", dice Schneider. "Sin embargo, los tratamientos térmicos por sí solos no pueden cubrir todo el espectro de propiedades del material. Sin duda, siguen siendo necesarios elementos y métodos especiales de macro y microaleaciones. La combinación correcta de materiales y tratamientos térmicos es fundamental".

Otro argumento de peso a favor del tratamiento térmico es el principio de ingeniería de la calidad local. "Las consideraciones económicas y medioambientales nos impulsan a un diseño de piezas más inteligente" dice. "En muchos casos, las propiedades internas del material no tienen la misma importancia que las propiedades del material de la superficie, ya que la superficie protege a la estructura contra ataques químicos, térmicos o mecánicos. Esta visión admite una variedad de postratamientos como revestimiento, pulverización catódica, recubrimiento y tratamiento térmico".

El alivio de tensión

Una razón común para aplicar un tratamiento térmico posterior al proceso en AM es el alivio de tensiones residuales. La tensión residual se debe al calentamiento y enfriamiento del metal a medida que la pieza se va formando capa a capa. Estas tensiones internas se deben aliviar antes de retirar la pieza de la placa de fabricación, de lo contrario, la pieza puede deformarse o incluso agrietarse. "Este método cambia las reglas del juego si se deben imprimir estructuras planas y delgadas." dice Schneider.

Otros procesos de tratamiento térmico tienen como objetivo dar a la pieza específica sus propiedades finales. La gama de opciones de tratamiento térmico es similar a la de otras tecnologías alternativas como mecanizado, fundición, estampado o forja, aunque un poco más reducida ya que el número de materiales de AM disponibles es bajo en comparación con otros procesos.

"Pero, en general, no veo ninguna razón para no aplicar todo el espectro de tratamientos térmicos", dice Schneider. "Algunos métodos no alcanzarán la misma importancia que en otras industrias. Por ejemplo, el endurecimiento por inducción es ideal para piezas de forma regular y simétrica como anillos, tubos y engranajes. El factor limitante es la forma del inductor, que debe adaptarse a la forma de la pieza y la cinemática. Las piezas de AM de formas complejas serán un desafío. También existe una fuerte desventaja económica: el endurecimiento por inducción es ideal para lotes grandes, ya que el esfuerzo de automatización es significativo".

¿De qué manera está vinculado el método de AM a la elección del tratamiento térmico?

"La mayoría de los tratamientos térmicos están relacionados con la composición química y no con la tecnología de impresión ", dice Schneider. "Sin embargo, para los métodos de AM de un solo paso, como lafusión de lechode polvo y la deposición directa de energía, se puede agrupar en términos del calor introducido y de la distribución del calor. Es posible que se requieran tratamientos de recocido suave y alivio de tensiones resiudales si hay una distribución de calor elevada y no uniforme (gradientes de temperatura, calentamiento o enfriamiento rápido). En métodos de AM de dos pasos como la inyección de aglutinante, la sinterización forma parte del proceso de fabricación para consolidar la pieza en verde después de la impresión".

Elección del proceso

Dado que la elección de los procesos de tratamiento térmico suele estar vinculada a la composición química del material, se pueden adoptar muchos conocimientos de los procedimientos de tratamiento térmico para estructuras soldadas, dice Schneider.

Sin embargo, algunas piezas requieren un tipo especial de tratamiento térmico en función de las cargas previstas, los requisitos y las aplicaciones. Por ejemplo, los engranajes de acero se endurecerán y las piezas del chasis de aluminio se envejecerán.

"La manera más bonita es probarlo", dice Schneider. "Prepare probetas de prueba de fatiga (o cualquier otro tipo de probeta de prueba) y haga una línea S-N con y sin tratamiento térmico. Pruebe la resistencia a la corrosión (aceros inoxidables), la conductividad térmica (cobre), la resistencia (aluminio), la velocidad de fluencia (materiales a base de níquel y titanio) etcétera, con y sin tratamiento térmico. Compare los valores medios y las desviaciones estándar correspondientes".

Más que dureza a tener en cuenta

Schneider dice que un error común es la creencia de que el endurecimiento es el factor más importante para el tratamiento térmico posterior al proceso de AM.

"Desafortunadamente, todavía es muy común relacionar todo con la dureza", dice. "Se debe aplicar un tratamiento térmico para que el producto sea más fiable, predecible y valioso. Para conseguir un producto fiable es necesario conocer las sensibilidades del material con respecto a muescas, tensiones estáticas y cíclicas, sus tensiones residuales, endurecimiento por trabajo, defectos internos y rugosidad, su respuesta al tratamiento térmico y dependencia de la densidad, el material y la dispersión de fabricación, así como el efecto de su composición química".

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