Barrionuevo, G. O.; La Fé-Perdomo, I. ; Cáceres-Brito, E.; Navas-Pinto, W. “Respuesta a la tensión/compresión del acero inoxidable 316L fabricado por manufactura aditiva,” Ingenius, Revista de Ciencia y Tecnología, N.◦ 31, pp. 9-18, 2024. doi: https://doi.org/10.17163/ings.n31.2024.01.

La tecnología de fabricación aditiva (FA) surgió como una técnica de prototipado rápido. Aunque inicialmente se centró en el procesamiento de polímeros con técnicas como la estereolitografía (SLA) y la modelación por deposición fundida (MDF) en la década de 1980, posteriormente se extendió al procesamiento de metales, cerámicas y compuestos [1, 2].

La FA surgió de la mente de dos ingenieros químicos que desarrollaron un juguete para su hija, el cual depositaba una capa de polímero capa por capa [3]. Ellos patentaron su invención en 1986 y, unos años después, fundaron una de las compañías de fabricación aditiva más exitosas hasta la fecha, Stratasys. Para la década de 1990, surgieron desarrollos fundamentales en el procesamiento de metales, introduciendo tecnologías como la fusión selectiva por láser (SLM, por sus siglas en inglés) y la sinterización selectiva por láser (SLS, por sus siglas en inglés) [4, 5]. Cabe destacar que todos estos avances se llevaron a cabo de la mano con universidades y centros de investigación, acelerando significativamente el desarrollo tecnológico.

Los últimos años han experimentado avances significativos en el procesamiento de diversos tipos de materiales [6]. Los fabricantes han ampliado sus carteras de productos para incluir equipos, materias primas y consumibles. Además, se ha llevado a cabo una extensa investigación para indagar en los posibles beneficios de la FA en diferentes campos. Por ejemplo, se han identificado varias oportunidades, como posibles reducciones en costos y plazos de entrega, la posibilidad de soluciones de diseño únicas y la consolidación de múltiples componentes [7].

Sin embargo, la fabricación aditiva no es aún una tecnología de plug-and-play. Se requiere un conocimiento exhaustivo del material a procesar, parámetros de procesamiento adecuados y condiciones ambientales, entre otros factores [5]. Además, la FA también demanda trabajo e investigaciones sustanciales para obtener diversas certificaciones y estándares necesarios en diferentes campos para demostrar su eficiencia en la fabricación de piezas complejas y asegurar su repetibilidad y calidad [7].

La tecnología MDF es una de las tecnologías más ampliamente utilizadas, principalmente debido a su facilidad de instalación y operación [8–11]. En contraste, la fabricación de metal requiere equipos más costosos y complejos. La fabricación aditiva de metal se clasifica en deposición de energía dirigida (DED) [12–14] y fusión de lecho de polvo (PBF, por sus siglas en inglés) [15, 16]. Dentro de la DED, la fabricación aditiva con arco de alambre (WAAM) [17–20] se destaca por su versatilidad y capacidades de procesamiento. Por otro lado, en la PBF, la fusión de lecho de polvo basada en láser (LPBF, por sus siglas en inglés) se considera la mejor opción para la fabricación de piezas con una complejidad geométrica significativa y un tamaño reducido [21]. LPBF utiliza un láser de potencia media (100-400 W) para fundir polvos metálicos, los cuales experimentan cambios de fase en microsegundos, generando ciclos repetitivos de fusión y solidificación que producen microestructuras sin precedentes [22, 23].

Una de las características destacadas es la formación de granos más pequeños en comparación con el mismo material procesado de manera convencional. Además, se crean micropiletas fundidas dentro de las cuales se forman subgranos celulares. Estas peculiares microestructuras dan lugar a diferentes propiedades mecánicas [24, 25], que requieren múltiples pruebas mecánicas para evaluar su idoneidad para su aplicación como elementos estructurales de carga o en entornos dinámicos sujetos a cargas variables.

En cuanto a las propiedades mecánicas, se ha observado una mejoría significativa en diversas propiedades mecánicas de las muestras fabricadas mediante LPBF. Por ejemplo, Röttger et al. [26] compararon las propiedades mecánicas de muestras fabricadas con acero austenítico 316L procesado mediante la tecnología SLM y las de muestras fabricadas mediante un proceso de fundición regular. Las pruebas de tracción revelaron un aumento aproximado del 20 % en la resistencia a la tracción en las muestras producidas mediante FA. Además, Kurzynoswki et al. [27] realizaron pruebas de tracción en muestras de acero inoxidable 316L fabricadas mediante SLM con diferentes parámetros de proceso y compararon los resultados con las propiedades mecánicas de muestras elaboradas a partir de planchas laminadas AISI SS316L. Se observó una mejora en la resistencia a la fluencia y el módulo de Young después de las pruebas. Asimismo, Liverani et al. [28] estudiaron el efecto de diferentes parámetros de proceso en la microestructura y propiedades mecánicas de muestras producidas mediante SLM. Después de realizar pruebas de tracción y fatiga, los resultados experimentales sugirieron la posibilidad de una mejora en la resistencia última a la tracción y el porcentaje de elongación de las muestras en comparación con las muestras AISI316L fabricadas convencionalmente.

En otro estudio, Liverani et al. [29] reportaron una resistencia a la fluencia (σY ) de alrededor de 400 MPa y una resistencia última a la tracción (σUTS) entre 500 y 600 MPa. Larimian et al. [30] obtuvieron resultados similares, resaltando el efecto de los parámetros de procesamiento y la estrategia de escaneo en la resistencia resultante. Los valores más bajos y altos de σY fueron 148 y 462 MPa, respectivamente, mientras que los valores de σUTS rondaban entre 178 y 584 MPa.

Cabe destacar que la obtención de muestras con la máxima densidad relativa es esencial para lograr una respuesta mecánica adecuada. En cuanto a la respuesta a la compresión, Güden et al. [31] examinaron el impacto de la tasa de deformación durante las pruebas de compresión en acero inoxidable 316L fabricado mediante fusión selectiva por láser. Ellos reportaron tensiones verdaderas de compresión últimas en el rango de 1400 a 1600 MPa, con velocidades de deformación que oscilaban entre 2800 a 3250 s−1, respectivamente. Li et al. [32] desarrollaron un modelo constitutivo para predecir la relación de compresión esfuerzo-deformación del acero inoxidable 316L procesado por LPBF y compararon los resultados con muestras fabricadas utilizando equipos SLM a diferentes velocidades de escaneo. Se obtuvo un esfuerzo de compresión promedio de 1400 MPa y una deformación del 23 %.

Por lo tanto, este estudio se enfoca en evaluar la respuesta a la tracción y compresión del acero inoxidable 316L fabricado utilizando la tecnología de fusión de lecho de polvo con láser en condiciones específicas. Dado el papel fundamental que desempeña la microestructura en la comprensión de las propiedades mecánicas resultantes, se lleva a cabo un análisis exhaustivo tanto de las características microestructurales como de la densidad relativa.

El material utilizado para fabricar las muestras fue acero inoxidable 316L, cuya composición química nominal se detalla en la Tabla 1.

Composición química nominal de los polvos de acero inoxidable AISI 316L

La Figura 2 muestra los especímenes de prueba fabricados. Es importante destacar que tanto el polvo como la placa de soporte deben ser fabricados con el mismo material para garantizar una adhesión óptima entre ambos componentes y evitar errores o desplazamientos durante el proceso de fabricación aditiva.

Muestras fabricadas de forma aditiva para la evaluación de la microestructura y las propiedades mecánicas. Dimensiones de la placa base: 100 × 100 × 16 mm

En este estudio se ha evaluado la respuesta a la tracción y compresión del acero inoxidable 316L procesado con láser. Las principales conclusiones extraídas se detallan a continuación:

La selección adecuada de parámetros de procesamiento es esencial para obtener piezas con porosidad mínima. A una mayor densidad relativa le corresponden propiedades mecánicas mejoradas, debido a que los poros actúan como concentradores de tensiones, reduciendo así la resistencia mecánica. En este estudio se logró una densidad relativa del 99.7 %.

La fabricación aditiva ofrece la oportunidad de controlar la microestructura, permitiendo la personalización de propiedades mecánicas específicas, como las dimensiones de la pileta fundida o la densidad relativa. Es válido destacar que la estrategia de escaneo y la geometría de la muestra afectan el gradiente térmico, influyendo así en la microestructura resultante. Se requiere llevar a cabo investigaciones adicionales sobre estos parámetros y su impacto en las propiedades mecánicas.

Las pruebas de tracción y compresión revelaron el comportamiento dúctil del material obtenido de forma aditiva. En el caso de la prueba de tracción, se registraron los siguientes resultados: una resistencia a la fluencia de 512.32 ± 7.84 MPa, una resistencia última a la tracción de 635 MPa y un módulo elástico de 229.12 ± 2.14 GPa. Además, la curva de esfuerzo-deformación ilustra la respuesta dúctil del material, atribuida a una alta densidad relativa y a una baja porosidad.

Se observó una resistencia a la compresión de aproximadamente 1511.88 ± 9.22 MPa en las pruebas correspondientes. La diferencia significativa entre la respuesta a tracción y compresión se podría atribuir a la presencia de tensiones residuales producidas durante el proceso de fabricación y a un mecanismo de endurecimiento por deformación causado por la deformación de la muestra, confirmado por la distorsión observada en las piletas fundidas después de realizar la prueba de compresión.

La prueba de microdureza corroboró un incremento de alrededor del 23 % en los resultados obtenidos después de someter una muestra a una prueba de compresión, en contraste con los resultados de las muestras en su estado original de fabricación.