Be Green: 'Volver' a la chatarra

Jul 09, 2023

¿Qué piensas cuando alguien dice "desechar" o "revertir"? Dirígete a un diccionario y verás sinónimos como "inútil", "sin valor" o "ineficaz". Estas asociaciones son profundas y cambiar esas percepciones es un desafío. Pero, si la industria de fabricación aditiva (AM) quiere mejorar su sostenibilidad comercial y ambiental, cambiar la forma en que pensamos sobre la chatarra, de hecho, refutar todo el concepto, es algo que debemos adoptar.

La calificación independiente es clave para disipar las preocupaciones de los fabricantes acerca de los materiales reciclados, reprocesados ​​o rejuvenecidos. Mediante pruebas rigurosas de los estándares de producción del mundo real, las viejas asociaciones pueden ser desafiadas y AM puede adoptar con confianza un camino más sostenible hacia adelante.

La fabricación es inherentemente impactante para el medio ambiente. Tomar una parte del mundo natural, ya sea piedra, madera, minerales o metales, y convertirla en algo útil significa extraer recursos básicos y gastar energía y otros recursos en convertirlos.

Simplemente obtener los materiales en la forma correcta para trabajarlos es donde se originan algunos de los mayores impactos ecológicos y económicos. La extracción, el procesamiento, la refinación, el transporte y los flujos de desechos posteriores impactan en la sustentabilidad mucho más que la energía utilizada en el proceso de fabricación física.

Los metales y las aleaciones plantean desafíos específicos en la extracción y el procesamiento, que requieren enormes cantidades de energía y recursos en múltiples pasos de procesamiento. Se estima que solo la industria del acero representa alrededor del 7% de las emisiones de carbono a nivel mundial. Por un lado, esto quizás no sea sorprendente, dado que en 2021 se produjeron casi 2 mil millones de toneladas métricas de acero crudo en todo el mundo. Pero también es indicativo de los impactos descomunales que podría tener la reducción de las emisiones de carbono de las cadenas de valor de metales y aleaciones en la carrera hacia el cero neto.

Los procesos de lecho de polvo son, con mucho, las tecnologías de fabricación aditiva de metal más comúnmente utilizadas, ya sea con fuentes de energía láser o de haz de electrones. Si bien la fabricación aditiva constituye un porcentaje muy pequeño de los materiales utilizados y las piezas creadas en el contexto de la industria manufacturera mundial, el proceso está creciendo rápidamente.

La brecha entre las capacidades de AM y los requisitos de fabricación se reduce a medida que maduran las tecnologías, creando más puntos de contacto para el desarrollo de aplicaciones.

Se está poniendo más énfasis en la repetibilidad, la calidad, la calificación y la certificación de los procesos de AM. Una visión cada vez más holística del ecosistema AM también está impulsando la tecnología hacia una verdadera industrialización.

Además, los requisitos en la fabricación están cambiando de una manera que los acerca a las capacidades de AM. Las tiradas más cortas, la fabricación justo a tiempo y los repuestos a pedido hacen que la fabricación aditiva entre en escena y permiten que las piezas fabricadas aditivamente reemplacen la fabricación tradicional. Por lo tanto, es esencial que AM preste atención a su sostenibilidad ahora, para que el impacto se agrave a través de una mayor adopción en los años venideros.

La elección de materiales es un componente clave para alcanzar los objetivos de sostenibilidad en la fabricación; en ninguna parte es esto más evidente que en los polvos metálicos. Las tecnologías heredadas de producción de polvo, como la atomización por gas (GA) y la atomización por plasma (PA), son significativamente ineficientes y dañinas para el medio ambiente.

GA, la técnica más común para crear polvos de metal-AM, produce partículas de polvo que normalmente varían de uno a 250 micrones de tamaño. Pero las máquinas de fusión de lecho de polvo por láser (LPBF) solo pueden procesar tamaños de partículas de polvo dentro de una ventana de 15 a 63 micrones (los sistemas o aplicaciones individuales a menudo hacen que esta ventana sea mucho más estrecha).

PA comparte los mismos bajos rendimientos que GA y, como tal, todo el polvo producido atomizado es en gran medida inadecuado para AM. Esto significa que la porción útil soporta el peso ambiental y económico del polvo fuera de tamaño creado. El material de tamaño incorrecto a menudo se vuelve a colocar en el proceso de fabricación de reversión, utilizando más energía y aumentando la huella de carbono sin agregar ningún valor. El titanio se incinera específicamente o va a parar a un vertedero, lo que tiene sus propios desafíos ambientales.

Un desafío adicional para el polvo producido atomizado es su requerimiento de materia prima de lingotes para GA o alambre para PA. Estos procesos pueden utilizar materiales vírgenes, que tienen un impacto ambiental inherente asociado con la extracción, o depender de lingotes o alambres producidos a partir de material no virgen que ha generado más carbono y consumido grandes cantidades de energía incluso antes de que comience el proceso de atomización. Para PA, en particular, esto no solo genera un impacto ambiental adicional, sino que también limita significativamente los polvos metálicos trabajables que se pueden crear.

El sistema UniMelt de 6K es un proceso de plasma de microondas a escala de producción que produce materiales avanzados que se utilizan en AM, fabricación de materiales para baterías de iones de litio y otros mercados industriales. Los rendimientos extremadamente altos, producidos con menos entrada de energía, ayudan al sistema UniMelt a abordar algunas de las deficiencias de las tecnologías heredadas. Además, el sistema puede procesar una variedad casi infinita de metales y aleaciones, incluidos refractarios difíciles de procesar, con químicas y características físicas altamente controladas. Este es un círculo virtuoso que permite a la fabricación aditiva abordar más desafíos que enfrentan los fabricantes y acelerar aún más la adopción.

Quizás el mayor impacto comercial y ambiental del sistema es su capacidad para utilizar "chatarra" como materia prima. Los polvos usados, las estructuras de soporte usadas, las impresiones fallidas, los desechos de mecanizado, las piezas al final de su vida útil y más se pueden usar como materia prima para polvos metálicos de primera calidad. Pero, ¿puede una economía circular para los polvos metálicos competir con la calidad del material virgen?

La mejor manera de cambiar una opinión o asociación arraigada es con evidencia comprobada de forma independiente. Entonces, ¿cómo se compara el polvo de metal sostenible con el material de los métodos de producción heredados en un entorno de producción del mundo real?

Morf3D es un líder en ingeniería, fabricación avanzada y metal-FA con sede en El Segundo, California, centrado en el sector aeroespacial. Como parte de su impulso hacia la sostenibilidad, la empresa calificó el polvo de Ni 718 producido de forma sostenible a partir de 6K Additive en un entorno de producción en su Centro de Excelencia en Metalurgia y actualmente está trabajando en Ni 625.

Morf3D comparó el polvo producido de forma sostenible de 6K Additive con datos de sus materiales heredados producidos por GA. Las piezas de prueba mostraron que el Ni 718 producido de forma sostenible por 6K Additive cumplió o superó a los construidos con polvo tradicional producido por GA. La tomografía computarizada para examinar las características físicas reveló que el polvo de 6K Additive demostró una alta consistencia a nivel de partículas, con una esferoidicidad excelente y hasta dos veces menos porosidad que el polvo producido por GA. Los polvos consistentes hacen piezas consistentes, con menos desperdicio como resultado.

Para las pruebas de propiedades mecánicas, se produjeron cupones de prueba en una EOS 400-4, con un espesor de capa de 40 µm y los parámetros de producción de Morf3D. Se produjeron muestras impresas, mecanizadas, sin tratamiento térmico y tratadas térmicamente para evaluar las piezas directamente de la máquina, así como aquellas más representativas de las piezas de producción. Los cupones tratados térmicamente y mecanizados se sometieron a pruebas de tracción, produciendo un conjunto de datos consistente sin resultados atípicos.

Los cupones de prueba superaron los requisitos mínimos de Morf3D y excedieron los datos de materiales heredados. Las pruebas de fatiga vieron que el Ni718 sostenible superó los estándares esperados de la industria y una vez más superó a los datos heredados. Las piezas fabricadas con polvo de aditivo 6K mostraron un acabado superficial consistentemente mejor que las piezas fabricadas con polvo heredado.

Si bien la sostenibilidad ocupa un lugar destacado en la conciencia de todos los consumidores, en la agenda de todas las juntas directivas y en todos los ciclos de noticias, es esencial que AM aborde el tema. Cada vez más, los imperativos ambientales y comerciales se entrelazan hasta el punto de que la única ruta viable ahora es la sostenible. Sumado a eso, las economías circulares brindan la oportunidad de reducir la contribución de costos de los metales a través de esquemas de reciclaje que facilitan el próximo lote de material.

También dejaremos para otro día el valor añadido de utilizar la chatarra para la seguridad de la cadena de suministro ante el panorama geopolítico. Entonces, reconsideremos qué es la chatarra, qué podría ser y qué necesitamos que sea en el futuro: no el final de la línea, sino solo otro paso en una economía circular perpetua.

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