¿Por qué se deforman las piezas impresas en metal y qué es el alivio de tensiones?

Una pieza LPBF se deforma porque cada capa se contrae al enfriarse y la de debajo no la deja. El material recién fundido intenta encoger, el que ya está sólido se lo impide, y la diferencia se queda dentro en forma de tensión residual. Mientras la pieza está sujeta a la plataforma no se nota. En cuanto la separas, se libera y la pieza se mueve.

Es el problema número uno de esta tecnología y no tiene una única solución: se reparte entre el diseño, los parámetros y el horno.

De dónde salen las tensiones

El haz funde un volumen minúsculo de material en microsegundos y lo lleva por encima de los mil grados. A su alrededor hay metal a temperatura mucho menor, que actúa como un disipador enorme. El resultado es un enfriamiento de miles de grados por segundo.

Ese material, al solidificar, quiere contraerse. La capa anterior, ya rígida, se lo impide. La capa nueva queda traccionada y la que tiene debajo, comprimida. Repite la operación unas cuantas miles de veces y tienes una pieza que por fuera parece correcta y por dentro está cargada.

Dos consecuencias visibles:

Alabeo al cortar de la plataforma. Es el caso clásico: la pieza se curva en cuanto pierde la sujeción.
Despegue durante la construcción. Si la tensión supera a la sujeción antes de terminar, una esquina se levanta. El recubridor la golpea en la pasada siguiente y la construcción se pierde.

Qué reduce las tensiones, en orden de importancia

1. Orientar bien la pieza. Es lo más barato y lo que más efecto tiene. Colocar la pieza para reducir el área de sección por capa y evitar superficies grandes y planas paralelas a la plataforma cambia el resultado más que cualquier parámetro.

2. Estrategia de relleno. Rellenar la capa en bandas cortas y alternando la dirección entre capas reparte el gradiente térmico en lugar de acumularlo en un eje. Los patrones en ajedrez dividen la sección en cuadros pequeños que se funden en orden disperso.

3. Soportes bien puestos. No sirven solo para sostener voladizos: anclan la pieza contra la deformación y evacuan calor. Un soporte mal dimensionado es tan malo como no ponerlo, porque se rompe o deja una marca imposible de retirar.

4. Precalentar la plataforma. Reduce el gradiente entre lo fundido y lo frío. Ayuda, con el límite de que no todo el material lo agradece.

5. Parámetros. Menos energía por unidad de longitud, capas más finas y pasadas de recontorno alivian, pero pagando en tiempo de construcción.

Ninguna de las cinco elimina las tensiones. Las reducen a un nivel manejable.

Y luego, el horno

El alivio de tensiones es un tratamiento térmico que se hace con la pieza todavía sujeta a la plataforma, y ese detalle es lo importante: si la cortas antes, se deforma antes de tener oportunidad de relajarse.

Consiste en subir la temperatura lo suficiente para que el material fluya microscópicamente y las tensiones internas se redistribuyan, mantener y enfriar despacio. La temperatura y el tiempo dependen de la aleación, y en materiales sensibles se hace en atmósfera controlada o en vacío para no oxidar la superficie.

No hay que confundirlo con otras dos cosas que a veces se llaman igual:

Tratamiento	Para qué	Cuándo
Alivio de tensiones	Relajar la tensión residual y que la pieza no se mueva al cortarla	Con la pieza aún en la plataforma
Tratamiento térmico de propiedades	Conseguir la dureza o la microestructura que pide el plano	Después de separar
Prensado isostático en caliente	Cerrar la porosidad interna	Solo si la aplicación lo exige

El tercero es caro y no siempre hace falta. Los dos primeros, en piezas con requisitos, casi siempre.

El orden correcto

Construir.
Aliviar tensiones, con la pieza en la plataforma.
Separar de la plataforma.
Retirar soportes.
Tratamiento térmico de propiedades, si el material lo requiere.
Mecanizar las superficies con tolerancia.
Acabado superficial.

Saltarse el paso 2, o hacerlo después del 3, es el error que más piezas cuesta. Y es tentador, porque cortar primero parece más rápido.

Lo que hay que asumir

Una pieza LPBF no sale con tolerancia de mecanizado. Sale con una precisión razonable y una deformación residual pequeña pero real. Las superficies que tengan que casar con algo se dejan con sobreespesor y se mecanizan después. Diseñar como si la pieza fuera a salir del horno lista para montar es la forma más habitual de llevarse un disgusto.

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Si te interesa lo que ocurre dentro de la máquina antes de todo esto, lo contamos en qué es una impresora 3D de metal. Por qué esas mismas tensiones y defectos hacen que la pieza no responda igual en todas las direcciones, en anisotropía y orientación. Y si quieres saber qué costaría tu pieza con todo el post-proceso incluido, para eso está el cotizador.