Fabricación y caracterización de Componentes de Inconel 718 producidos mediante manufactura aditiva basada en la extrusión usando pellets de moldeo por inyección metálica

La manufactura aditiva (AM) se define como el proceso de unión de materiales capa a capa para fabricar objetos tridimensionales. Recientemente ha aparecido una tecnología AM conocida como MEAM-HP (Material Extrusion Additive Manufacturing of Highly-Filled Polymers) la cual permite fabricar piezas metálicas de una forma mucho más sencilla y barata si se compara con las técnicas tradicionales de AM como por ejemplo la powder bed fusión. La MEAM-HP es un híbrido entre la manufactura aditiva basada en la extrusión (MEAM) y el moldeo por inyección metálica (MIM). En esta técnica un polímero termoplástico (aglutinante) cargado con polvo metálico se introduce en un cabezal extrusor en donde se funde y se empuja haciéndolo pasar por una boquilla de la cual sale en forma de filamento; los movimientos relativos entre el cabezal de extrusión (ejes X y Z) y la plataforma de impresión (eje Y) permiten depositar el material en capas para conformar un objeto tridimensional. Seguidamente la pieza se somete a un proceso de debinding en donde se elimina la mayor parte del aglutinante, dejando solo el suficiente para que la pieza pueda ser manipulada e introducida en un horno de sinterización. Durante el sinterizado la pieza se calientan lentamente en una atmósfera protectora para eliminar el aglutinante restante. Una vez evaporado el polímero, la parte metálica se calienta a elevada temperatura, donde el espacio vacío entre las partículas se elimina a medida que las partículas se fusionan entre ellas provocando la densificación y contracción de la pieza. En este trabajo se ha estudiado la viabilidad de fabricar piezas de Inconel 718 mediante la MEAM-HP usando pellets diseñados para MIM (suministrados por la empresa PolyMIM). Se cree que la composición de los pellets suministrados es del 60 % en volumen de polvo de Inconel 718 y del 40 % en volumen de aglutinante; siendo el PEG el principal componente del aglutinante y el cual se puede eliminar mediante su solubilización en agua (el resto de polímeros que conforman el aglutinante son insolubles en agua y se han de eliminar térmicamente). Para fabricar las piezas se ha utilizado una impresora 3D de fabricación con filamento fundido Prusa i3 MK3 a la cual se le ha instalado el cabezal extrusor Direct3D (con una boquilla de 0.5 mm de diámetro) el cual permite que se pueda usar materia prima en forma de pellets. Para el diseño 3D de las piezas se ha usado el software SolidWorks y para asignar los parámetros de impresión y dar órdenes a la impresora 3D se ha usado el software PrusaSlicer y Pronterface. En este estudio se han impreso piezas hexagonales (de 12 x 10.4 x 2.5 mm) variando los parámetros de impresión con el objetivo de estudiarlos y optimizarlos para obtener piezas con los mejores resultados posibles. Tras encontrar lo que se cree que son los parámetros de impresión más idóneos, se han impreso 40 de estos hexágonos. A estas muestras se les ha realizado un debinding en agua a diferentes temperaturas (40, 50 y 60 °C) durante un tiempo de entre 3 a 27 horas con el objetivo de estudiar el efecto que tienen el tiempo y la temperatura en la eliminación del aglutinante soluble (PEG). Tras el debinding en agua, las muestras se han sometido a un debinding térmico a 600 °C durante 1 hora (para eliminar el aglutinante insoluble) y seguidamente, se han sinterizado, durante 2,5 horas a diferentes temperaturas (1310, 1260 y 1210 °C, con una rampa de calentamiento y enfriamiento de 5 °C/min) con el objetivo de estudiar el efecto que la temperatura de sinterización tiene sobre la apariencia, peso, dimensiones, microestructura y propiedades mecánicas de las muestras una vez sinterizadas. Lamentablemente, debido a la situación por la que está pasando el país, no fue posible realizar un estudio de la microestructura ni de las propiedades mecánicas de las muestras. También se tuvo que dejar a medias la fabricación de una probeta de tracción fabricada usando los parámetros de impresión, debinding y sinterizado que dieron mejores resultados. Los parámetros de impresión que han dado los mejores resultados para una boquilla de 0,5 mm de diámetro han sido: posición inicial de la boquilla a una altura de 0,5 mm respecto de la plataforma de impresión, tolva cargada con 100 g de pellets, temperatura en la boquilla de 180 °C y de 105 °C en la plataforma de impresión, patrón 0°/90°, superposición del 50 % y anchura de capa de 0,5 mm. Para la primera capa : altura de capa de 0,2 mm, velocidad del cabezal de 5 mm/s y un flujo de 0,46. Para el resto de capas: altura de capa de 0,5 mm, velocidad del cabezal de 7,5 mm/s y un flujo de 0,54. El tiempo de impresión de una muestra con estos parámetros es de 3 min 46 s. Los tratamientos posteriores que han dado mejores resultados han sido el debinding realizado a 60 °C durante 15 horas y la sinterización realizada a 1260 °C durante 2,5 horas siendo posible obtener muestras con densidades relativas de hasta el 93,25 % con una contracción volumétrica media del 20,1 %. Tras estudiar la literatura se cree que es posible obtener mayores densidades a las obtenidas en este estudio si se reduce la altura de capa y se realiza sinterizado a 1275 °C por unas 2-8 horas con una rampa de calentamiento y enfriamiento de 15°C /min