Proceso

28BIEMH
WAAM:
UNA OPORTUNIDAD PARA
LOS FABRICANTES DE
MÁQUINA
Bilbao 03 de Junio de 2014
Dr. Iñigo Agote
11/02/2011
…qué es la Fabricación Aditiva?
Definición según la ASTM F2792-10:
“The process of joining materials
to make objects from 3D model
data, usually layer upon layer, as
opposed to subtractive
manufacturing technologies.”
…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 aditiva
Flexibilidad 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.
…pero es un proceso lento
que hoy en día no es
competitivo
con
otros
procesos
cuando
se
requieren series largas.
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.
Clasificación de las Tecnologías de Fabricación Aditiva
Tecnologías de FA
Plásticos
Moldeo por Deposición
Fundida (FDM)
Sinterizado por Láser Selectivo
(SLS)
Esterolitografía (SLA)
Laminated Object
Manufacturing (LOM)
Laser Engineered Net Shaping
(LENS)
Solid Ground Curing (SGC)
Metales
Cerámicas
Sinterizado por Láser
Selectivo (SLS)
Laser Cusing
Metal Pulverizado
(DLF)
Direct Metal Laser
Sintering (DMLS)
Electron Beam
Melting (EBM)
Cold Spray
Soldadura por
Plasma WAAM
Impresión 3D (3DP)
Moldeo por Deposición
Fundida (FDM)
Estereolitografia (SLA)
Fabricantes de Equipos en la Fabricación Aditiva
MATERIALES
PROCESO DE FA
FABRICANTES DE
EQUIPAMIENTO
Ingeniería DE
FABRICACIÓN
Automatización
COMPONENTES
Monitorización
Control
Etc.
WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing)
…pero qué es el WAAM?
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
¿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)
EL PROCESO
EL PROCESO
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.
Velocidad
Tamaño Max. Precisión Coste
Deposición (Kg/h) pieza (mm)
(µm)
Equipo (€)
Coste Materias
Primas (€/Kg)
Soldadura
Plasma WAAM
Additive Manufacture)
Selective
Laserpor
Melting
0,2 (Wire + Arc
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
WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing)
EL PROCESO
EL PROCESO
Diseño y obtención del fichero CAD
Fabricación WAAM
Conversión del
fichero CAD a
ficheros STL para
la generación de
las capas.
Pieza Final
WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing)
El proceso de Soldadura por plasma no es nuevo
 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.
 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?
Materiales: Expertos en materiales: sus propiedades, métodos de procesado y limitaciones.
Caracterización mecánica de material aportado, caracterización metalográfica
Proceso de soldadura al arco: 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.
Equipo:
Monitorización y control:
Asistencia al proceso.
• Mediante las señales eléctricas del arco
• Desarrollo de sistemas ad hoc: pre/post
• Mediante sensores externos: termopares,
calentamiento, enfriamiento forzado,
pirómetros, emisión acústica, etc.
vibraciones, etc.
• Medida de geometría mediante escaneo láser.
• Control adaptativo de parámetros de proceso .
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.
WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing)
Aumento en la rigidez de un panel de Ti para Aeronáutica
MATERIALES
WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing)
MATERIALES
Orejeta de amarre de carcasa de motor:
Microestructura
1000x
500x
Material: Inconel 718.
Dimensiones del aporte:
45mm x 18mm x 45mm
Efecto del proceso en las Propiedades mecánicas
Los resultados son mejores con bajas
penetraciones.
Fases
Delta
Resistencia a
tracción [MPa]
1400
Fases
Laves
Carburos
de Ti
Fases
Delta
• Poros de diámetro inferiores a
20µm.
1200
1000
• No se observan grietas.
800
600
y = -849,25x + 1949,4
R² = 0,9528
400
• La unión entre el material base
y el aporte es uniforme.
200
0
0,70
0,90
1,10
1,30
Penetración [mm]
Material base
Material aportado
• Cantidad baja de carburos de Ti.
1,50
Resistencia
tracción [MPa]
1240
1273
Límite elástico
[MPa]
1036
989
• Las fases de Laves sólo se
aprecian con un aumento de
1000x
WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing)
Herramienta de Corte
Reconstrucción de filo de una cuchilla con
dureza superior al del material base.
Material base: GGG70L
Material aporte, primeras capa:
Aleación hierro-níquel.
Material aporte, capas finales: Material
duro y resistente al desgaste.
Dureza filo: 58 HRc.
MATERIALES
Desarrollo de un modelo empírico
Desarrollo de un modelo empírico que
relaciona la geometría de los cordones
de soldadura con los parámetros de
proceso
Material: Ti6Al4V
WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing)
Monitorización y control
Monitorizar el proceso para detectar defectos, optimizar tiempos de
enfriamiento, conocer la distribución de temperatura, adaptar parámetros de
proceso, etc.
Ejemplo I: Monitorización de temperatura mediante pirómetro.
Soplete
Monitorización de temperatura mediante
prometería en titanio para minimizar tiempos de
enfriamiento entre pasadas.
Hilo
Pirómetro
Ejemplo II: Detección de cordones defectuosos.
19
18
Cuando el voltaje del arco eléctrico sufre
variaciones repentinas, se detecta que el
cordón es defectuoso.
17
16
15
14
13
12
11
10
9
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
4
x 10
Cordón correcto.
Cordón con defectos
WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing)
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
-88
25
30
35
40
45
y = -0,0085x - 88,571
50
-93
B1B4
B1B2
Z [mm]
B2B3
-98
y = -2,6903x - 14,677
B3B4
Profile
y = 2,324x - 200,45
-103
Lineal (B1B2)
Lineal (B2B3)
Lineal (B3B4)
-108
y = -0,0806x - 99,966
-113
Y [m m ]
Escaneo láser
Detección geométrica
•
•
Decidir la cantidad de volumen a
aportar.
Adaptar la velocidad de avance
para aportar el volumen decidido.
Cálculos
Lineal (B1B4)
Polinómica (Profile)
WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing)
Asistencia al proceso
Disminución de tensiones y mejora de microestructura mediante pre/post
calentamiento o enfriamiento forzado.
Ejemplo I: Precalentamiento por inducción.
Bobina
Precalentamiento localizado en aleaciones base níquel
para reparaciones mediante fabricación aditiva.
Imagen termográfica
Ejemplo II: Enfriamiento forzado.
Pirómetro
Tubo,
nitrógeno
líquido
Enfriamiento forzado en aleaciones
base níquel para reparaciones
mediante fabricación aditiva.
WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing)
Integración en máquina
Integrar el equipo de soldadura en robot o en una máquina con control CNC.
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)
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)
 Proceso de AM rápido: altas velocidades de
deposición-producción.
 Posibilidad de obtener piezas grandes
 Bajo coste de fabricación.
 Integración de procesos adicionales:
WAAM híbrido.
 Producción de componentes con
complejidad geométrica media-baja.
 Bajo coste de equipamiento y
mantenimiento.
VENTAJAS
WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing)
Materiales:
FUTURO
Desarrollo de nuevos materiales: hilo con composiciones
novedosas que aporten nuevas funcionalidades y produzcan
componentes de altas prestaciones (MMCs, materiales con
funcionalidades específicas, etc.)
Proceso:
Desarrollo de nuevos procesos WAAM que permitan un mejor
acabado de las piezas y fabricación de piezas más complejas
(WAAM híbrido).
Equipo:
• 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
Inigo.agote@tecnalia.com
Tecnalia copyright