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11/02/2011
28BIEMH
WAAM:UNA OPORTUNIDAD PARA
LOS FABRICANTES DE
MÁQUINA
Bilbao 03 de Junio de 2014
Dr. Iñigo Agote
…qué es la Fabricación Aditiva?
“The process of joining materials
to make objects from 3D model
data, usually layer upon layer, as
opposed to subtractive
manufacturing technologies.”
Definición según la ASTM F2792-10:
…qué es la Fabricación Aditiva?
ALM (Additive Layer Manufacturing) o la FA (Fabricación Aditiva) se puede definir
como el conjunto de tecnologías capaces de producir piezas / Componentes 3-D a
partir de la suma (apilamiento) de diferentes capas en 2-D.
Fichero CAD en
3 dimensiones
Deposición/aplicación
de capas en 2
dimensiones
Las capas se van
formando y quedan
adheridas a la capa
anterior
Construcción de la
pieza final a partir
del apilamiento de
las capas
bidimensionales.
Ventajas de la fabricación aditivaFlexibilidad de Fabricación:
sin la necesidad de moldes
específicos, las tecnologías de
FA
Reducción en los costes de
Fabricación: no son necesarios
utillajes ni operaciones de
mecanizado finales.
Libertad en el diseño: los
cambios de diseño se pueden
realizar fácilmente; sin ninguna
restricción en el proceso de
fabricación. Posibilidad de
nuevos diseños
Minimiza la subcontratación:
tanto el diseño como la
producción se pueden realizar
en la misma empresa.Atzeni, E.,Salmi,A.,2012.Economicsofadditivemanufacturingforend-usable
metal parts.TheInternationalJournalofAdvancedManufacturingTechnology
62 (9),1147–1155.
…pero es un proceso lento
que hoy en día no es
competitivo con otros
procesos cuando se
requieren series largas.
Clasificación de las Tecnologías de Fabricación Aditiva
Tecnologías de FA
Plásticos
Moldeo por Deposición Fundida (FDM)
Sinterizado por Láser Selectivo (SLS)
Esterolitografía (SLA)
Laminated ObjectManufacturing (LOM)
Laser Engineered Net Shaping(LENS)
Solid Ground Curing (SGC)
Metales
Laser Cusing
Metal Pulverizado (DLF)
Direct Metal Laser Sintering (DMLS)
Electron BeamMelting (EBM)
Cold Spray
Soldadura porPlasma WAAM
Cerámicas
Sinterizado por Láser Selectivo (SLS)
Impresión 3D (3DP)
Moldeo por Deposición Fundida (FDM)
Estereolitografia (SLA)
Soldadura porPlasma WAAM
FABRICANTES DE
EQUIPAMIENTO
MATERIALES
Fabricantes de Equipos en la Fabricación Aditiva
IngenieríaAutomatización
Monitorización
ControlEtc.
PROCESO DE FA
FABRICACIÓN DE
COMPONENTES
Fabricación aditiva mediante soldadura plasma
• El arco eléctrico funde el material de aporte
• Se aporta hilo metálico que al fundirse se une con el material base
para formar un cordón.
• Se crean volúmenes superponiendo cordones.
• Se mecaniza la superficie para el acabado final
…pero qué es el WAAM?
¿Cuándo es rentable la fabricación aditiva mediante soldadura plasma?
• Piezas de materiales caros en los que le proceso de mecanizado requiere desbastar mucho
material: Inconel, Titanio, etc.
• Materiales de baja maquinabilidad.
• Series cortas, donde los procesos de fundición son poco rentables.
• Fabricación y recuperación de piezas alto valor añadido.
• Fabricación de partes de piezas con mejores características que el material base:
resistencia al desgaste, corrosión, dureza, etc.
• Piezas de complejidad geométrica media o baja.
• Piezas de tamaño medio que requieren tasas de deposición superiores a los que se
pueden conseguir mediante procesos basados en láser o haz de electrones.
WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing)
Características clave de los Hilos:
• Composición del hilo: Hilo típicos del proceso de soldadura
• Diámetro del hilo: típico de 1,2 mm de diámetro (0.8-3mm diámetro).
• Proceso menos dependiente de la materia prima.
Soldadura por Plasma WAAM (Wire + Arc Additive Manufacture)
EL PROCESO
WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing) EL PROCESO
VelocidadDeposición (Kg/h)
Tamaño Max. pieza (mm)
Precisión(µm)
Coste Equipo (€)
Coste MateriasPrimas (€/Kg)
Selective Laser Melting 0,2 350x350x350 25 600.000 600
Laser Cladding 1 1000x300x300 25 1.200.000 600
Electron Beam Melting 0,2 350x200x200 25 600.000 600
WAAM 10 ilimitado 1000 240.000 190
Datos para la fabricación de componentes de Ti-6Al-4V
EL PROCESO
WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing) EL PROCESO
Diseño y obtención del fichero CAD
Pieza FinalFabricación WAAM
Conversión del
fichero CAD a
ficheros STL para
la generación de
las capas.
WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing)
En 1926 Baker patentó el uso del Arco Eléctrico como fuente
de calentamiento para generar objetos en 3D mediante la
deposición de metales.
En 1971 Ujiie (Mitsubishi) fabricó un recipiente a presión mediante
la utilización del SAW y TIG. Además utilizó diferentes hilos para
dotar de multifuncionalidad a las pareces del recipiente.
En 1983 Kussmaul utilizo está técnica para fabricar componentes
estructurales de Acero para aplicación nucleares.
El proceso de Soldadura por plasma no es nuevo
En 1993 Prinz and Weiss patentaron un método de fabricación que
depositaba material utilizado en soldadura mediante un proceso de
CNC: Shape Deposition Manufacturing (SDM)
WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing)
¿Qué aporta TECNALIA?
Asistencia al proceso.
• Desarrollo de sistemas ad hoc: pre/post
calentamiento, enfriamiento forzado,
vibraciones, etc.
Integración en máquina
• Integración de funciones de proceso: Detección de arco antes
iniciar movimiento, control altura, etc.
• Detección de errores del proceso de aporte y ejecución de paradas
de emergencia.
• Integración de procesos secundarios: mecanizado CNC, reciclaje,
etc.
Proceso de soldadura al arco:
Materiales: Expertos en materiales: sus propiedades, métodos de procesado y limitaciones.
Caracterización mecánica de material aportado, caracterización metalográfica
Amplio conocimiento en procesos de
soldadura: especialmente soldadura por arco. Desarrollo de modelo estadístico, Optimización
de parámetros de proceso de WAAM, Fabricación de piezas demostrador.
Monitorización y control:
• Mediante las señales eléctricas del arco
• Mediante sensores externos: termopares,
pirómetros, emisión acústica, etc.
• Medida de geometría mediante escaneo láser.
• Control adaptativo de parámetros de proceso .
Equipo:
WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing) MATERIALES
Aumento en la rigidez de un panel de Ti para Aeronáutica
Orejeta de amarre de carcasa de motor:
Material: Inconel 718.
Dimensiones del aporte:
45mm x 18mm x 45mm
y = -849,25x + 1949,4R² = 0,9528
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0,70 0,90 1,10 1,30 1,50
Re
sist
en
cia
a
trac
ció
n [
MP
a]
Penetración [mm]
Los resultados son mejores con bajas
penetraciones.
Resistencia tracción [MPa]
Límite elástico[MPa]
Material base 1240 1036
Material aportado 1273 989
Efecto del proceso en las Propiedades mecánicas
1000x
Fases
Delta
Carburos
de TiFases
Laves
500x
Fases
Delta
•Poros de diámetro inferiores a
20µm.
•No se observan grietas.
•La unión entre el material base
y el aporte es uniforme.
•Cantidad baja de carburos de Ti.
•Las fases de Laves sólo se
aprecian con un aumento de
1000x
Microestructura
WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing) MATERIALES
Material base: GGG70L
Material aporte, primeras capa:
Aleación hierro-níquel.
Material aporte, capas finales: Material
duro y resistente al desgaste.
Dureza filo: 58 HRc.
Reconstrucción de filo de una cuchilla con
dureza superior al del material base.
Herramienta de CorteDesarrollo de un modelo empírico que
relaciona la geometría de los cordones
de soldadura con los parámetros de
proceso
Material: Ti6Al4V
Desarrollo de un modelo empírico
WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing) MATERIALES
Monitorización y control
Ejemplo II: Detección de cordones defectuosos.
0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
x 104
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
Cordón correcto. Cordón con defectos
Cuando el voltaje del arco eléctrico sufre
variaciones repentinas, se detecta que el
cordón es defectuoso.
Ejemplo I: Monitorización de temperatura mediante pirómetro.
Soplete
Hilo
Pirómetro
Monitorización de temperatura mediante
prometería en titanio para minimizar tiempos de
enfriamiento entre pasadas.
WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing)
Monitorizar el proceso para detectar defectos, optimizar tiempos de
enfriamiento, conocer la distribución de temperatura, adaptar parámetros de
proceso, etc.
Monitorización y control
Ejemplo III: Monitorización de geometría de cordones mediante escaneo láser para
decidir la cantidad de material a aportar en la siguiente pasada.
El desarrollo se ha realizado para una aplicación de soldadura pero se puede emplear un sistema
similar para la fabricación aditiva.
Profile
y = -2,6903x - 14,677
y = -0,0806x - 99,966
y = 2,324x - 200,45
y = -0,0085x - 88,571
-113
-108
-103
-98
-93
-88
25 30 35 40 45 50
Y [mm]
Z [
mm
]
B1B4
B1B2
B2B3
B3B4
Profile
Lineal (B1B2)
Lineal (B2B3)
Lineal (B3B4)
Lineal (B1B4)
Polinómica (Profile)
Escaneo láser Detección geométrica Cálculos
• Decidir la cantidad de volumen a
aportar.
• Adaptar la velocidad de avance
para aportar el volumen decidido.
WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing)
Asistencia al proceso
Disminución de tensiones y mejora de microestructura mediante pre/post
calentamiento o enfriamiento forzado.
Precalentamiento localizado en aleaciones base níquel
para reparaciones mediante fabricación aditiva.
Imagen termográfica
Bobina
Ejemplo II: Enfriamiento forzado.
Pirómetro
Tubo,
nitrógeno
líquido
Enfriamiento forzado en aleaciones
base níquel para reparaciones
mediante fabricación aditiva.
WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing)
Ejemplo I: Precalentamiento por inducción.
Integración en máquina
Ejemplo I: Integración del control de la fabricación aditiva en control CNC.
Introducción de los programas de soldadura
mediante el programa pieza.
Comprobación de la existencia del arco antes
de iniciar el movimiento del cabezal.
Ejemplo II: Integración del control de altura en el CNC. (AVC empleando los ejes de
la máquina). El sistema ajusta la distancia entre el soplete y la pieza midiendo el voltaje
del arco electico
Se ordena al soplete avanzar en línea recta.
Se observa, como el control de altura corrige la posición en Z.
Señal
proporcional a la
posición en Z
WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing)
Integrar el equipo de soldadura en robot o en una máquina con control CNC.
Integración en máquina
Ejemplo III: Detección de colisiones y ejecución de paradas de emergencia.
Se detecta una disminución repentina en la tensión
del arco eléctrico cuando ocurre una colisión entre el
soplete y el material base. Por tanto, cuando se
detecta una bajada repentina de tensión, se ejecuta
una para parada de emergencia.
WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing)
WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing) VENTAJAS
Proceso de AM rápido: altas velocidades de
deposición-producción.
Bajo coste de fabricación.
Posibilidad de obtener piezas grandes
Integración de procesos adicionales:
WAAM híbrido.
Producción de componentes con
complejidad geométrica media-baja.
Bajo coste de equipamiento y
mantenimiento.
WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing) FUTURO
Materiales:
Desarrollo de nuevos procesos WAAM que permitan un mejor
acabado de las piezas y fabricación de piezas más complejas
(WAAM híbrido).
Equipo:
Proceso:
Desarrollo de nuevos materiales: hilo con composiciones
novedosas que aporten nuevas funcionalidades y produzcan
componentes de altas prestaciones (MMCs, materiales con
funcionalidades específicas, etc.)
• Desarrollos que permitan una monitorización avanzada y un mejor
control del proceso. Control adaptativo de parámetros de proceso:
sensores, señales de proceso.
• Desarrollos de sistemas de asistencia al proceso:
calentamiento/enfriamiento, vibraciones, etc.
• Dotar al equipo de WAAM de nuevas funcionalidades y procesos:
detección de arco, control de altura, detección de defectos y
actuación automática, Integración de procesos secundarios:
mecanizado CNC , reciclaje, etc.
Equipos que permitan un proceso de fabricación INTELIGENTE
Oportunidad para Fabricantes de Maquinaria
Muchas Gracias por la
atención prestada.
Dr. Iñigo Agote
Tecnalia copyright