Introducción

El sinterizado selectivo por láser (SLS) es una técnica de fabricación aditiva que suele utilizarse para la creación rápida de prototipos y la producción de componentes funcionales en pequeñas cantidades. El proceso emplea un rayo láser para sinterizar material en polvo, uniéndolo para crear una estructura sólida. El láser fusiona selectivamente zonas predefinidas de un lecho de polvo escaneando secciones transversales generadas a partir de una descripción digital en 3D de la pieza requerida. Después de escanear cada sección transversal, se aplica una nueva capa de material encima, y el proceso se repite hasta completar la pieza.

Generar las capas de polvo es un proceso de precisión y requiere una materia prima que pueda ser distribuida de forma fiable por el sistema de suministro y que se deposite en el lecho de fabricación de forma consistente, sin aglomerados ni huecos. Un flujo intermitente o la presencia de aglomerados en la masa provocan una deposición no uniforme, lo que afecta negativamente a la eficacia del proceso y a las propiedades del producto final. Determinar qué propiedades del polvo favorecen la formación de capas uniformes y repetibles permite optimizar las nuevas fórmulas e identificar las materias primas adecuadas, sin incurrir en los considerables gastos financieros y de tiempo que conlleva someter los materiales a un proceso para evaluar su compatibilidad. Este enfoque también ayuda a reducir la aparición de productos finales fuera de especificación.

El efecto de los distintos aditivos

Se utilizaron tres muestras de polioximetileno (POM), dos de las cuales contenían diferentes aditivos (un pigmento y un lubricante) en una máquina SLS. Se observó que las tres formulaciones fluían de forma diferente desde la tolva de almacenamiento a la máquina, lo que provocaba variaciones en las propiedades y la calidad del producto final. Se habían empleado diversas técnicas tradicionales de caracterización, pero no permitieron diferenciar las muestras. Por ello, las tres formulaciones se analizaron con un reómetro de polvos FT4 Powder Rheometer®, que reveló diferencias claras y repetibles entre ellas que racionalizaron el rendimiento durante el proceso.

Resultados de las pruebas

Pruebas dinámicas: Energía de fluidez básica

La muestra que contenía aditivo de flujo generó una Energía Básica de Fluidez (BFE) superior a la de las otras dos muestras, necesitando más energía para mover la hoja FT4 a través del lecho de polvo. En este caso, una BFE elevada es un indicador de un empaquetamiento más eficiente dentro del granel, y sugiere que la adición del aditivo de flujo ha dado lugar a un material más fluido.

Pruebas a granel: Permeabilidad

La muestra que contiene aditivo de flujo generó la mayor caída de presión a través del lecho de polvo a una tensión de consolidación baja, lo que indica una permeabilidad reducida y refleja el estado de empaquetamiento más denso de este material de flujo más libre. Si bien la caída de presión para las tres muestras aumentó con una mayor consolidación, el POM puro y la muestra que contenía pigmento mostraron un cambio mucho mayor que la muestra que contenía aditivo de flujo.

La baja sensibilidad a un cambio en la consolidación es otro indicador de que la masa se ha empaquetado de forma más eficiente, es decir, que hay menos huecos de aire a los que puedan desplazarse las partículas cuando se someten a una fuerza externa. La permeabilidad de la muestra que contenía pigmento fue la que más cambió, lo que sugiere un mayor volumen de aire arrastrado dentro de la masa, indicativo de una mayor cohesividad.

Pruebas de células de cizallamiento

Se observó una diferenciación limitada entre las muestras en cuanto a los valores medidos de esfuerzo cortante. Esto sugiere que el ensayo Shear Cell puede no ser la técnica más relevante para caracterizar las propiedades de flujo en los procesos dinámicos de baja tensión que prevalecen en las aplicaciones SLS.

Conclusión

El FT4 ha cuantificado diferencias claras y repetibles entre tres muestras que se sabe que se comportan de forma diferente en el proceso. Los resultados también demuestran que una sola técnica (como la prueba de la célula de cizallamiento) puede no ser suficiente para describir completamente el comportamiento del polvo a través de una gama de regímenes de tensión y flujo.

La fluidez del polvo no es una propiedad inherente al material, sino que se refiere más bien a la capacidad del polvo para fluir de la forma deseada en un equipo específico. El éxito del proceso exige que el polvo y el proceso estén bien adaptados y no es raro que el mismo polvo funcione bien en un proceso pero mal en otro. Esto significa que se necesitan varias metodologías de caracterización, cuyos resultados pueden correlacionarse con la clasificación del proceso para producir un espacio de diseño de parámetros que correspondan a un comportamiento aceptable del proceso. En lugar de basarse en la caracterización de un único número para describir el comportamiento en todos los procesos, el enfoque multivariante del FT4 simula una serie de operaciones unitarias, lo que permite la investigación directa de la respuesta de un polvo a diversas condiciones ambientales y de proceso.