Los procesos de fabricación aditiva se basan en la generación de sólidos mediante la superposición de finas capas de material. Esta característica permite la fabricación de geometrías de alta complejidad antes imposibles de realizar. Sin embargo, estos procesos actualmente no son capaces de lograr las tolerancias y el acabado superficial requeridos en los componentes metálicos. Para superar estas limitaciones, las tecnologías aditivas se combinan con frecuencia con procesos sustractivos. Esta unión aditivo-sustractiva alcanza su máxima expresión al combinar ambos procesos en una misma máquina, denominada máquina híbrida.

Las máquinas híbridas combinan las ventajas de cada técnica por separado, permitiendo la generación de cuerpos complejos y la flexibilidad característica de la fabricación aditiva, así como la producción de componentes de precisión y buen acabado de mecanizado. Actualmente existen varias variantes de máquinas híbridas, aunque la más común en el mercado que integra fabricación aditiva y sustractiva es aquella que combina entrada láser y procesos de mecanizado de 5 ejes. Este tipo de máquina se basa en la incorporación de un cabezal de entrada láser a un centro de mecanizado, permitiendo incluso el uso de una plataforma de mecanizado preexistente. Hasta ahora, fabricar una pieza de estas características a su geometría final implicaba el uso de diferentes máquinas y, en consecuencia, era inevitable transportar las piezas de una plataforma a otra y realizar diferentes bultos con sus consiguientes búsquedas de ceros de pieza, etc. El uso de una única máquina híbrida implica, por tanto, una reducción de los tiempos de inactividad, una mejora de la precisión y una simplificación de todo el proceso de fabricación. Además, esta nueva configuración abre un nuevo horizonte de oportunidades en el diseño y fabricación de piezas, así como en la reparación de componentes de alto valor añadido enfocados a diversos sectores industriales.

La fabricación aditiva está demostrando ser una tecnología viable como método de fabricación industrial. Según el último Informe Wohlers 2018, entre 2016 y 2017 ha habido un aumento del 80% en el número de ventas de sistemas de fabricación aditiva para materiales metálicos. Además, este informe menciona que el número de empresas que fabrican sistemas de este tipo ha crecido de 97 en 2016 a 135 en 2017. Estos datos indican que actualmente existe un claro interés por parte de la industria en lo que respecta a los sistemas de metal. se refiere a la fabricación aditiva.

Entre las diferentes tecnologías de fabricación aditiva centradas en piezas metálicas, la industria ha optado principalmente por dos tipos de proceso: Fusión en lecho de polvo (PBF) y Deposición de energía dirigida (DED). Por un lado, la fusión en lecho de polvo o Powder Bed Fusion (PBF) se basa en la fusión selectiva de un lecho de polvo metálico depositado previamente, generando una capa de material sobre una placa metálica que sirve como base de trabajo. Este proceso se repite capa a capa hasta que se ha fabricado la pieza. Esta tecnología permite fabricar estructuras con geometrías intrincadas mediante el uso de soportes que se colocan estratégicamente entre la placa base y la pieza a fabricar. La principal aplicación de los procesos PBF es la fabricación de piezas completas tridimensionales con geometrías muy complejas.

Este tipo de soluciones ya han comenzado a comercializarse por empresas líderes como Renishaw. Renishaw ofrece actualmente cuatro modelos de sistema de fabricación aditiva basados ​​en fusión selectiva por láser (SLM), que utiliza un láser como fuente de energía. Además, todos sus modelos incluyen un sistema de inertización para el ambiente de trabajo que garantiza una fabricación de calidad, así como la posibilidad de trabajar con materiales altamente reactivos, entre los que se encuentran el titanio y el aluminio. En nuestro entorno ya existen centros que han incorporado este tipo de máquina en sus instalaciones, como el Centro de Fabricación Aeronáutica Avanzada (CFAA), que cuenta con una Renishaw AM 400.

Por otro lado, la tecnología de Deposición de Energía Dirigida (DED) consiste en generar un baño fundido en la superficie de un material base o sustrato sobre el que incide el rayo láser, mientras se inyecta material simultáneamente. La inyección de material se realiza en forma de alambre o polvo metálico a través de un cabezal o boquilla especialmente diseñada para ello. Además, la generación de estructuras se lleva a cabo capa a capa mediante la superposición de hebras dentro de una atmósfera protectora local generada por la boquilla. Este tipo de tecnología se utiliza para la generación de estructuras complejas sobre piezas preexistentes, así como para el recubrimiento o reparación de componentes.

Al igual que con los procesos PBF, varias empresas han comenzado a ofrecer soluciones de máquinas basadas en tecnologías DED. Por ejemplo, Trumpf ya cuenta con una máquina láser de 5 ejes que, además de soldar y cortar, es apta para el revestimiento láser o deposición láser de metal (LMD) con polvo metálico, nombre que también se utiliza para designar los procesos DED.

Además de la celda de trabajo, el suministro del material a suministrar y, en consecuencia, el propio material de suministro y los gases utilizados juegan un papel fundamental en los procesos de fabricación aditiva. En el caso de SLM se utiliza polvo metálico con granulometrías entre 10 y 50 micras, mientras que en LMD este tamaño se incrementa a valores de entre 45 y 150 micras, aproximadamente. La proliferación de equipos de fabricación aditiva ha llevado al crecimiento del mercado de suministro de polvo metálico, lo que ha llevado a empresas como Oerlikon o Sandvik a incluir varios materiales en su catálogo de productos. Cabe destacar que, en el caso de Oerlikon, también ofrecen alimentadores de polvo basados ​​en diferentes principios operativos y adaptados a las particularidades de una amplia variedad de procesos aditivos. Además, Sandvik abrió un centro de investigación dedicado a la fabricación aditiva en Suecia en 2016. Por otro lado, Praxair también ha hecho una incursión en la industria de los aditivos, no solo suministrando gases atmosféricos de alta pureza, sino también ampliando su oferta a LMD. polvo metálico y alambre.

El abanico de oportunidades que se abre como resultado de la unión de procesos aditivos y sustractivos representa una nueva concepción de la fabricación, tradicionalmente basada en métodos sustractivos. El mundo industrial ya ha dado buena cuenta de ello, y las herramientas y soluciones ya existentes han comenzado a adaptarse para dar paso a la fabricación de diseños antes imprácticos. Un ejemplo de esto es el nuevo enfoque dado al software de diseño y fabricación asistido por computadora, conocido como CAD y CAM.

Actualmente, la empresa alemana Siemens cuenta con una gama de productos enfocados tanto al control numérico de máquinas de fabricación, entre los que se encuentra la línea de controles Sinumerik, como a software dedicado al diseño y fabricación, siendo el NX su producto estrella. En esta línea, los desarrolladores de software están inmersos en la tarea de adaptar las herramientas informáticas actuales a las necesidades de la fabricación aditiva. Un claro ejemplo es la herramienta Siemens NX dirigida a la fabricación aditiva que identifica aquellas áreas de los componentes que es probable que se fabriquen mediante operaciones de aditivo o remoción de viruta, como se muestra en la figura 3.

Sin embargo, aunque existen soluciones comerciales para combinar ambas tecnologías, en principio contrario, no existe una metodología única para planificar procesos de fabricación que combinen tecnologías aditivas y sustractivas, y por tanto es un tema abierto a debate.

De esta forma, esta planificación consiste en diseñar un proceso de fabricación conjunta, es decir, dejar de ver la fabricación aditiva y el mecanizado como independientes y empezar a complementarlos. Por un lado, actualmente se están desarrollando diversos algoritmos que, en base a los datos recogidos durante el proceso, pueden modificar, añadir o eliminar tanto las operaciones de mecanizado como las de entrada en función de la geometría rugosa que se introduzca en la máquina y teniendo en cuenta también la dimensión dimensional. controles a realizar sobre la pieza final. Otros investigadores, en cambio, proponen modificar la representación de las piezas en CAD para poder determinar singularidades en las trayectorias de mecanizado y fabricación aditiva y así obtener los parámetros óptimos para todo el proceso.

Las diferentes propuestas en la planificación e integración de estos procesos de fabricación están lejos de ser definitivas y aún tienen que superar numerosos retos antes de establecer estándares o líneas generales como en el mecanizado tradicional. Sin embargo, esto no ha impedido que diferentes fabricantes de maquinaria lanzaran sus propuestas de metodología de fabricación físicamente en forma de máquinas híbridas, como se mencionó anteriormente.

La empresa germano-japonesa DMG MORI, por ejemplo, es una de las empresas líderes en la fabricación de máquinas híbridas. Hizo su primer lanzamiento en 2014, con el híbrido Lasertec 65 3D, que combina el mecanizado de 5 ejes de un centro de fresado con el proceso aditivo de LMD. El compromiso de DMG MORI con esta tecnología de aditivos en comparación con PBF se debe a su mayor tasa de entrada de material, así como a su capacidad para agregar material a las piezas existentes sin la necesidad de comenzar desde cero (como en el caso de SLM, por ejemplo). Posteriormente, en 2016, esta misma empresa ofreció su modelo híbrido Lasertec 4300 3D, que combina operaciones convencionales de torneado y fresado de 5 ejes, con la capacidad de operar el proceso LMD de 6 ejes. Este mismo modelo cuenta con 5 cabezales de suministro, de diferentes tamaños, y permite el cambio automático de cabezal láser. Además, incorpora un sistema de control de circuito cerrado que regula automáticamente la potencia del láser en función de la temperatura obtenida mediante pirometría de dos canales. También cuenta con accesorios adicionales que le permiten operar incluso con materiales altamente reactivos como el titanio.

Hoy DMG MORI se ha consolidado como una empresa líder en tecnología de fabricación híbrida para la fabricación de componentes con geometría compleja. Su próximo lanzamiento será el modelo híbrido 3D Lasertec 125, previsto para 2018.

Yamazaki Mazak Corporation es otra de las grandes empresas que se ha lanzado a la fabricación de máquinas híbridas; incorporando tecnologías aditivas a su ya dilatada experiencia en el desarrollo de máquinas multitarea. En 2014 lanzó su primer modelo híbrido, Integrex i-400 AM, centrándose en materiales difíciles de mecanizar. Dispone de tecnología LMD y mecanizado de 5 ejes, así como la posibilidad de insertar dos cabezales láser. Estos últimos ofrecen diferentes características de suministro de material, dependiendo de las necesidades, ya sea un mayor caudal de suministro o una alta precisión del material depositado. Como en otros modelos de la competencia, el cambio de cabezal se realiza automáticamente desde el almacén de herramientas y se monta directamente en el husillo, que además suministra el gas y el polvo necesarios para el proceso.

En 2016 Mazak presentó el modelo VC-500 AM, solo disponible en Estados Unidos, en este caso el cabezal de suministro se ubica junto al husillo, y aparece o retrae según su necesidad de uso o protección de los procesos de mecanizado. Este sistema fue ideado con la intención de reducir los tiempos de producción. El mismo año también se lanza el modelo Integrex i-200S AM, cuya novedad es un cabezal que alimenta la pólvora por su centro y utiliza una serie de rayos láser que inciden en un punto, aumentando así la precisión del aporte aunque dicho cabezal sea utilizado inclinado y no estrictamente vertical. El modelo INTE Integrex GREX i-200S AM incluye dos cabezales giratorios, uno para fresado y la posibilidad de intercambiar entre dos cabezales láser por aditivo, una vez más, específicos para aportes masivos o de precisión, y que se apoyan en un sistema de pórtico. independiente del husillo de mecanizado. En este modelo, Mazak desarrolla su propio sistema de cabezales láser, en sustitución del sistema Ambit utilizado en modelos anteriores.

Como novedad en 2016, lanzaron, en el mercado europeo y japonés, un modelo con entrada de material por WAAM (Wire-Arc Additive Manufacturing) y mecanizado vertical de 5 ejes. En 2017 lanzaron el Integrex i-300S AM como una actualización del modelo Integrex i-200S AM, en EMO 2017 en Hannover.

Es en esta misma exposición en Hannover (EMO 2017) donde Okuma, una empresa japonesa, presenta en colaboración con el alemán Trumpf, el modelo MU-6300V Laser EX. Este modelo de máquina híbrida combina 5 ejes de mecanizado con entrada de material por LMD y monitorización coaxial. De la colaboración de estas mismas empresas surge la máquina Multus U5000 Laser EX, que combina procesos de torneado, fresado, LMD, rectificado y endurecimiento por láser.

No todas las empresas que han apostado por el desarrollo de máquinas híbridas son grandes multinacionales; algunos como Ibarmia, por ejemplo, también han realizado grandes esfuerzos para desarrollar este tipo de tecnología. Esta misma empresa del País Vasco lanzó en 2017 el modelo ZVH 45 / L1600 ADD + Process, apostando también por el proceso LMD como tecnología de entrada en combinación con un centro de mecanizado vertical.

Aunque pueda parecer que todas las máquinas híbridas utilizan tecnología LMD para el proceso de suministro de material, algunas empresas enfocadas en PBF también han optado por la combinación de aditivo y mecanizado. Un ejemplo de esto es la empresa japonesa Sodick, que ha desarrollado la máquina híbrida OPM250L, en este caso el mecanizado debe realizarse estrictamente en seco y con un sistema de flujo de gas que remueve el polvo alrededor de la herramienta. La máquina está destinada a la fabricación de moldes en el sector de la inyección de plástico.

Las ventajas de las máquinas híbridas a la hora de combinar procesos de mecanizado y entrada láser parecen no tener límites en relación a la complejidad de la geometría de la pieza en cuestión. Entre otros, cabe destacar los beneficios que se mencionan a continuación:

• Mejora de los tiempos de proceso: El desarrollo de soluciones que integren procesos aditivos y sustractivos en una misma máquina finaliza con la idea de realizar operaciones de mecanizado y suministro como etapas independientes y abre las puertas a una posible optimización de los tiempos de proceso. Además, a esta ventaja hay que sumar también la eliminación de los tiempos muertos derivados del transporte y manipulación de piezas de una máquina a otra, así como los diferentes amarres, ajustes y demás preparaciones que requiere cada cambio de plataforma.

• Precisión mejorada debido al procesamiento de piezas de principio a fin en la misma máquina con una sola sujeción.

• Reducción de costes de material: El mecanizado de piezas a partir de una pieza en bruto conlleva una gran pérdida de material en forma de virutas. Combinando procesos aditivos y sustractivos, es posible optimizar el material utilizado eligiendo qué zonas fabricar a través de qué tipo de operación.

• Intercalado de procesos de mecanizado con procesos de fabricación aditiva: La integración de los procesos de mecanizado y suministro en la misma máquina y la flexibilidad para alternar fácilmente entre ellos permite el mecanizado intermedio de zonas no accesibles en la pieza final. Esto trae una libertad y versatilidad previamente inalcanzables.

Sin embargo, aún quedan retos por afrontar para este tipo de máquinas y existen varios puntos débiles que hay que solucionar para que esta tecnología se consolide finalmente.

• Recuperación y reciclaje de polvo metálico: El exceso de polvo que queda en la máquina después de realizar las operaciones de suministro debe eliminarse para evitar interferencias con los componentes de la máquina. Las guías de las máquinas, por ejemplo, deben estar perfectamente protegidas para evitar daños. Sin embargo, la manipulación de polvo metálico no está exenta de problemas, ya que es un residuo peligroso. Las aleaciones metálicas utilizadas contienen elementos que pueden resultar nocivos para el ser humano en un entorno laboral y es necesario tomar las precauciones necesarias. Además, aunque ha comenzado a tener un precio más competitivo, dicho polvo metálico representa un gasto considerable debido a su proceso de producción. Por eso es de gran interés la reutilización y reciclaje del polvo.

• Impacto ecológico: Si las máquinas convencionales de mecanizado y fabricación aditiva ya tenían un impacto ambiental notable, junto con una huella de CO2 considerable, al combinar ambas tecnologías, todo este impacto se condensa en una sola máquina. El láser sigue siendo una tecnología ineficaz. Su rendimiento ronda el 35% en el mejor de los casos, por lo que el control y conocimiento del proceso para poder regular adecuadamente la potencia entregada por el láser es vital para poder reducir al mínimo posible el impacto ambiental que produce el consumo energético. . El polvo metálico, como se mencionó anteriormente, no solo puede ser dañino para los humanos, sino que, si se maneja mal como desecho, puede representar un gran peligro para el medio ambiente.

• Influencia de los fluidos de corte en el proceso de suministro: Pensar en la fabricación híbrida implica aunar tecnologías de suministro y mecanizado y, hoy en día, el mecanizado está casi indisolublemente ligado a los fluidos de corte. Originalmente, los desarrollos tecnológicos en entrada láser se han llevado a cabo en entornos libres de estos fluidos de corte, por lo que determinar su influencia en la calidad de la entrada es un tema de investigación actual.

• Monitoreo y confiabilidad del proceso: Recientemente este tipo de máquinas híbridas han comenzado a incorporar sistemas para monitorear la temperatura y el tamaño del baño fundido con el fin de mejorar el control del proceso. Aunque el verdadero desafío, que algunas empresas ya han aceptado, es implementar un sistema de circuito cerrado capaz de responder a las diferentes variaciones durante el proceso.

• Formación de técnicos: Debido a la naturaleza incipiente de las tecnologías aditivas, todavía es difícil encontrar técnicos debidamente formados en estos procesos. Por eso existe una gran necesidad de formar personas en esta línea, para que sean capaces de dar respuesta a esta demanda.

Hoy en día, la combinación de procesos aditivos y sustractivos en una sola máquina híbrida ya es una realidad. Esta unión multiplica las posibilidades de cada técnica por separado, abriendo puertas a diseños completamente nuevos de piezas antes impracticables. A su vez, este enfoque permite la integración de procesos adicionales y complementarios, como el triturado o el tratamiento térmico, para ofrecer máquinas que produzcan piezas cada vez más cercanas al producto final. Sin embargo, aún queda un largo camino por recorrer para la plena integración de los procesos de fabricación, como un cambio de enfoque en el diseño de piezas, así como una mayor integración de estas nuevas máquinas en las líneas de producción.

Impresión 3D aplicada a procesos de fundición de piezas

El Instituto Nacional de Tecnología Industrial, a través de su Centro Regional INTI-Rafaela, está incursionando, junto a una empresa local, en la aplicación de tecnología de impresión tridimensional para la obtención de modelos fundidos.

Hoy en día, el uso de la tecnología de impresión tridimensional se ha popularizado de tal manera que se pueden encontrar impresoras desde la escala industrial hasta la escala doméstica. Esta tecnología sigue avanzando y desarrollando nuevas aplicaciones que se reflejan en diferentes campos del conocimiento como la industria (en general), la medicina, la aeronáutica y la arquitectura, entre muchos otros.

En este sentido, un grupo de profesionales de las áreas de 'Diseño y Desarrollo' y 'Tecnologías de Gestión' del INTI-Rafaela, evaluó e implementó junto a una empresa local, una alternativa para la generación de modelos de piezas para el sector de la fundición, utilizando una impresora 3D.

Tradicionalmente, las empresas que necesitan generar modelos para la fabricación de piezas en fundición gris, aluminio o nodular, utilizan el método convencional: la generación del modelo de madera, que luego se utilizará para obtener un modelo de aluminio, que finalmente se colocará para su moldeado y posterior obtención de la pieza final. Este tipo de proceso tiene una duración aproximada de entre 4 y 5 meses, generando un costo importante para la empresa, así como retrasos en el proceso de producción de la pieza.

El grupo de trabajo INTI-Rafaela propuso realizar una prueba piloto con una empresa local, con el fin de probar un nuevo desarrollo para la generación de modelos de fundición, basados ​​en impresión 3D, utilizando material reciclado (PET). Con la ayuda de un software de diseño específico, y utilizando una impresora 3D 'in house', se imprimió una pieza del modelo, que luego se colocó de la forma tradicional y se obtuvieron piezas de fundición gris que se pusieron a prueba con éxito. Es importante destacar el trabajo

A través de esta primera prueba piloto, se observó que la mayor ventaja sobre el método tradicional es el tiempo destinado a la generación de la matriz. En este sentido, pasó de un período de entre cuatro a cinco meses (método tradicional) a una semana (impresión 3D). En cuanto al tema del costo de implementación, no se obtuvieron variaciones al comparar los dos métodos pero, si consideramos la reducción de los tiempos de generación de la matriz, se puede traducir en una mayor rentabilidad para la empresa.

Por tanto, como conclusión final, se estableció que al utilizar la tecnología de impresión 3D, para obtener una pieza modelo, se redujo drásticamente el tiempo de producción y, además, se valoró la importancia de trabajar con material reciclado. .

Más información sobre la impresión 3D:

www.inti.gob.ar/prodiseno/pdf/mapa_impresion3d.pdf

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