Rendimiento a fatiga en la fabricación aditiva: retos para el diseño, los ensayos y la cualificación
Los defectos, las tensiones residuales y la anisotropía pueden reducir la resistencia a la fatiga en piezas impresas en 3D, lo que hace que unos ensayos de cualificación robustos sean esenciales para su adopción.
A medida que la fabricación aditiva (AM) pasa del prototipado a la producción de componentes estructurales y críticos para la seguridad sometidos a cargas repetidas, el rendimiento a fatiga se convierte en una preocupación central. Aunque los principios fundamentales de la fatiga no cambian, la naturaleza de la fabricación aditiva introduce complejidades adicionales que deben tenerse en cuenta durante los ensayos.
Por qué la fatiga es importante en la fabricación aditiva
Los ensayos de fatiga se han realizado de forma rutinaria en componentes fabricados de manera convencional para caracterizar el comportamiento a largo plazo, demostrar el cumplimiento de normas internacionales o proporcionar datos de entrada de material para el análisis por elementos finitos (FEA) y los modelos de predicción de vida útil. Estas mismas motivaciones se aplican ahora a las piezas fabricadas mediante fabricación aditiva.
Sin embargo, como se comenta en el primer artículo del blog de esta serie, las piezas fabricadas mediante fabricación aditiva difieren fundamentalmente de sus homólogas fabricadas de forma tradicional en cuanto a microestructura, defectos y variabilidad. Por ello, es importante realizar ensayos por separado y garantizar que no se trasladen suposiciones sobre el rendimiento a partir de conjuntos de datos históricos de piezas tradicionales.
Comportamiento a fatiga de las piezas fabricadas mediante fabricación aditiva
La evidencia experimental indica de forma consistente que la resistencia a la fatiga de las piezas fabricadas mediante fabricación aditiva suele ser inferior a la de piezas equivalentes fabricadas de manera convencional. Esta reducción se atribuye principalmente a características inherentes al proceso de fabricación aditiva.
Los defectos internos, como la porosidad y la falta de fusión, son habituales en las piezas fabricadas mediante fabricación aditiva y actúan como concentradores de tensiones que favorecen el inicio temprano de grietas. Además, estas piezas suelen presentar una elevada rugosidad superficial en condición “as-built”, lo que puede reducir significativamente la vida a fatiga al proporcionar puntos de inicio de grietas en la superficie. Las tensiones residuales introducidas durante el rápido ciclado térmico agravan aún más el rendimiento a fatiga, especialmente en condiciones de carga de alto número de ciclos.
Otra característica definitoria de los datos de fatiga de fabricación aditiva es una mayor dispersión. En comparación con los materiales tradicionales, los resultados de vida a fatiga suelen mostrar una mayor variabilidad, lo que refleja la variabilidad inherente en el tamaño, la distribución y la orientación de los defectos. Esta dispersión puede verse incrementada por la anisotropía del material, en la que el rendimiento a fatiga depende en gran medida de la orientación de fabricación y de la dirección de carga.
Consideraciones sobre el diseño de probetas y el posprocesado
El posprocesado desempeña un papel fundamental en la mejora del rendimiento a fatiga de las piezas fabricadas mediante fabricación aditiva. El mecanizado superficial o el ataque químico se emplean habitualmente para eliminar la rugosidad superficial, mientras que los tratamientos térmicos pueden utilizarse para reducir las tensiones residuales y para cerrar o embotar defectos internos. Estas etapas de posprocesado pueden mejorar significativamente la vida a fatiga, por lo que es esencial que las condiciones de posprocesado se documenten y se definan al caracterizar las piezas.
Los ensayos de fatiga de probetas fabricadas mediante fabricación aditiva suelen requerir desviaciones respecto al diseño convencional de probetas. Las probetas de fatiga son con frecuencia de tamaño reducido, no solo por el coste y el tiempo de fabricación asociados a la fabricación aditiva, sino también por la creciente reducción de la escala de las piezas finales en uso. Aunque este enfoque permite generar datos de forma eficiente, introduce retos clave de ensayo relacionados con el agarre, la alineación y la representatividad.
Por último, muchos programas de ensayos de fatiga incorporan componentes a escala real o representativos en lugar de probetas estándar tipo “dog bone”. Este enfoque reconoce que las propiedades dependen en gran medida de la trayectoria de impresión, la geometría y el historial térmico local, y que las probetas pequeñas pueden no captar plenamente el comportamiento a nivel de componente.
Implicaciones para el diseño y la cualificación
La combinación de una menor resistencia a la fatiga, una mayor dispersión de los datos y requisitos de probetas no convencionales supone un reto significativo para la cualificación de piezas fabricadas mediante fabricación aditiva. Los ensayos de fatiga robustos siguen siendo esenciales, no solo para orientar el diseño, sino también para comprender la influencia de los parámetros de proceso, la orientación de fabricación y las rutas de posprocesado.
A medida que la fabricación aditiva continúa madurando, el rendimiento a fatiga seguirá siendo un factor clave que condiciona su adopción en aplicaciones críticas. El avance en la normalización de los ensayos, junto con un mejor control del proceso y estrategias de mitigación de defectos, será esencial para permitir el uso fiable y repetible de piezas fabricadas mediante fabricación aditiva bajo cargas cíclicas.
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Sobre el autor
Rebecca Reiff-Musgrove
Rebecca Reiff-Musgrove es Business Development Manager de ElectroPuls® en Instron®. Su trayectoria incluye un MSci por la Universidad de Cambridge, centrado en las propiedades superficiales de piezas fabricadas mediante fabricación aditiva, así como puestos anteriores en ensayos de materiales para la industria de la fabricación aditiva. En Instron, ha desempeñado diversos puestos técnicos y comerciales, lo que le proporciona una comprensión sólida tanto de la tecnología como de los retos de los clientes a los que da respuesta.