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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

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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

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…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.

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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.

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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

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FABRICANTES DE

EQUIPAMIENTO

MATERIALES

Fabricantes de Equipos en la Fabricación Aditiva

IngenieríaAutomatización

Monitorización

ControlEtc.

PROCESO DE FA

FABRICACIÓN DE

COMPONENTES

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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)

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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

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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.

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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)

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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:

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WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing) MATERIALES

Aumento en la rigidez de un panel de Ti para Aeronáutica

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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

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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

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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.

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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)

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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.

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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.

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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)

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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.

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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

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