Anisotropía en piezas impresas en metal: por qué la orientación es parte del plano

Una pieza fabricada por fusión láser de lecho de polvo no tiene las mismas propiedades en todas las direcciones. Aguanta menos en la dirección en la que creció que en el plano de cada capa, y la diferencia no es un matiz de laboratorio: en alargamiento y en fatiga puede ser grande.

De ahí sale la consecuencia que más cuesta asimilar a quien viene del mecanizado: la orientación de fabricación es parte de la especificación de la pieza. Cambiarla es cambiar el producto, aunque el plano no se haya tocado.

De dónde sale la diferencia

Tres cosas ocurren a la vez y todas empujan en la misma dirección.

Los granos crecen hacia arriba. Al solidificar, el calor se evacua principalmente hacia la capa anterior, que es metal sólido y frío. El grano crece en sentido contrario al flujo de calor, así que se alarga en la dirección de construcción y a menudo atraviesa varias capas. Una microestructura con granos alargados en un eje responde distinto según por dónde se la cargue.

Los defectos son planos y están tumbados. La falta de fusión aparece entre cordones y entre capas, así que tiende a formar defectos alargados y perpendiculares a la dirección de crecimiento. Un defecto plano es mucho más dañino cuando la tracción tira perpendicular a él, que es justo lo que pasa al cargar en vertical.

La superficie es peor en las caras inclinadas. Las caras que miran hacia abajo salen más rugosas, y la rugosidad es el punto donde arranca una grieta de fatiga.

Cuánto pesa

Sin dar números que dependen de cada material y cada parametrización, el patrón es constante:

La lectura práctica: si tu pieza trabaja a carga estática y con margen, la anisotropía probablemente no te va a dar un disgusto. Si trabaja a fatiga, es lo primero que hay que mirar.

Qué la reduce

Tratamiento térmico. Es lo que más efecto tiene. Un alivio de tensiones ya ayuda; los tratamientos de recristalización pueden igualar bastante las direcciones, a costa de tiempo y de horno.

Prensado isostático en caliente. Cierra la porosidad interna, que es una de las tres causas. Caro, y solo cierra poros que no conecten con la superficie.

Estrategia de barrido. Girar la dirección de relleno entre capas —típicamente unos grados en cada una— evita que los defectos y los granos se alineen todos en el mismo eje.

Orientar la pieza para que la carga caiga bien. Gratis, y es la más eficaz de todas. Si sabes por dónde va a tirar el esfuerzo, coloca la pieza para que esa dirección coincida con el plano de capa y no con el eje de crecimiento.

Ninguna la elimina. La reducen a un nivel manejable, que es lo que se busca.

Lo que hay que escribir en la especificación

Aquí está el uso práctico de todo lo anterior. Una especificación de pieza LPBF completa dice, como mínimo:

• La aleación y su proveedor o criterio de compra.
• La orientación de fabricación, indicada sobre el modelo, no descrita con palabras.
• El tratamiento térmico completo, con su ciclo.
• En qué dirección se miden las propiedades que se exigen.
• Las probetas, fabricadas en la misma construcción y en la misma orientación que la pieza.

Ese último punto es el que más se salta y el que invalida más ensayos. Una probeta fabricada aparte, en otra construcción o en otra orientación, no representa a tu pieza: representa a otra pieza.

Los tres errores que más cuestan

Reorientar para ahorrar tiempo sin avisar. Tumbar una pieza baja el número de capas y abarata la construcción. También cambia sus propiedades. Si el cambio no vuelve a quien firmó el plano, se ha cambiado el producto sin que nadie lo sepa.

Mover la pieza de sitio en la bandeja. No cambia la orientación, pero sí el entorno térmico y el flujo de gas. En piezas exigentes, la posición también se congela.

Dar un único número de propiedades. Una ficha que dice «límite elástico X» sin decir la dirección está dando la mitad de la información, y normalmente la mitad favorable.

Cómo lo abordaríamos

Decide la orientación por la carga, no por el tiempo de construcción, y fíjala en el modelo desde el principio. Si después hay que cambiarla por producción, que sea una decisión consciente que vuelve al diseño, no un ajuste de taller.

Fabrica las probetas con la pieza, siempre, aunque nadie te las haya pedido todavía. Cuestan poco mientras la construcción está en marcha y son imposibles de conseguir después.

Y si la pieza trabaja a fatiga, asume que la conversación va a ser sobre el defecto más grande y dónde está, no sobre la densidad media. Es la regla que más disgustos evita.

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Cómo se demuestra todo esto y qué se congela en cada nivel, en cómo se cualifica una pieza LPBF. De dónde vienen los defectos que la orientación agrava, en porosidad y densidad. Y por qué el tratamiento térmico va con la pieza todavía en la plataforma, en deformación y alivio de tensiones.

Y si quieres ver qué sale de tu geometría concreta —volumen, altura de construcción y un orden de magnitud de coste— sin mandarnos el fichero, está el cotizador: el STL lo lee tu navegador y no sale de tu ordenador.