Con el aumento de la aplicación industrial de la impresión 3D de metales, la calidad, la garantía de calidad y la funcionalidad de los componentes fabricados aditivamente son cada vez más importantes. Además del tratamiento superficial final de los componentes metálicos de fabricación aditiva, existe una gran necesidad de una cadena de procesos combinada de procesos aditivos y sustractivos (ASM). Sin embargo, antes de que estos procesos de fabricación puedan utilizarse realmente a escala industrial, quedan por aclarar algunas cuestiones sin respuesta, que ahora abordará el proyecto multinacional Ad-Proc-Add.
Como en todas las áreas tecnológicas, el interés por estos procesos también aumenta los requisitos de calidad. En el caso de la fabricación aditiva (AM), esto significa una mayor atención a la calidad de las superficies, así como a las tolerancias dimensionales, de forma y de posición. Además, la AM y toda la cadena de procesos de la MAPE deben ser económicamente competitivas. El proyecto multinacional Ad-Proc-Add se dedica precisamente a estos retos. Se basa en una estrecha cooperación entre empresas e instituciones de I+D de distintos ámbitos de especialización. La clave del éxito es considerar toda la cadena de procesos de la MAPE de principio a fin. El objetivo es mejorar el proceso aditivo para optimizar los pasos posteriores del proceso sustractivo, especialmente en lo que se refiere a factores económicos como las tolerancias mínimas, la reducción de las fuerzas de proceso, la optimización de las estructuras de soporte y el desgaste de las herramientas.
Foco del proyecto en el ISF de la Universidad TU de Dortmund - Interacciones entre procesos aditivos y sustractivos - Foto: ISF
Un proyecto de investigación multinacional como base para una aplicación con éxito
La impresión 3D con metales es una tecnología relativamente nueva en comparación con los procesos de fabricación convencionales. Antes de plantearse su implantación industrial, hubo que comprender desde el principio muchas correlaciones relacionadas con la producción y los materiales. Además, sigue existiendo una diferencia esencial con la mayoría de los procesos de fabricación establecidos: las piezas metálicas impresas no pueden utilizarse tal cual debido a diversas imperfecciones de la superficie. Todos los componentes que salen de la impresora 3D tienen que ser reelaborados. ¿Pueden combinarse la impresión 3D y el postprocesado de tal manera que se modifiquen y optimicen las propiedades del producto final? Esta pregunta es el tema central del proyecto de cooperación en curso "Ad-Proc-Add", que se encuentra ahora en su segundo periodo de financiación.
"Ad-Proc-Add" son las siglas de "Advanced Processing of Additively Manufactured Parts", es decir, el posprocesamiento avanzado de piezas impresas en 3D. Para el proyecto se ha formado una red internacional de investigación con 13 instituciones de I+D y 60 socios corporativos de Austria, Alemania, Bélgica y Suiza. En el proyecto participan tres tipos de empresas: Proveedores de materias primas, especialistas en procesos específicos y empresas interesadas en realizar un componente concreto. Los resultados del proyecto se harán públicos una vez concluido, por lo que toda la industria se beneficiará por igual. Además, el proyecto cuenta con el apoyo de un comité de usuarios formado por PYME de todos los sectores relevantes del mercado: Fabricación de herramientas, sistemas de fabricación aditiva, fabricantes de máquinas herramienta, proveedores de software y servicios y usuarios finales. La intensa comunicación con los socios industriales garantiza el desarrollo de resultados útiles y relevantes para la industria.
El proyecto se inició y ejecutó en el marco del clúster de mecatrónica ecoplus de Baja Austria y forma parte de una serie de proyectos iniciados por el clúster sobre el tema de la impresión 3D. Durante más de 60 años, ecoplus ha actuado como agencia empresarial del estado de Baja Austria y no sólo es un socio fiable para empresas, inversores e iniciadores de proyectos regionales o internacionales, sino que también sirve de interfaz entre la empresa, la política y la ciencia. Dada la creciente importancia de la impresión metálica en 3D y el interés económico asociado a este método, el proyecto "Ad-Proc-Add" se puso en marcha junto con la Agencia Austriaca de Fomento de la Investigación FFG en el marco de la iniciativa CORNET (COllective Research NETworking). Debido a su gran éxito, el proyecto de seguimiento "Ad-Proc-Add II" entró en su segunda ronda en enero de 2022.
" Es probable que Ad-Proc-Add II repercuta en la fabricación de herramientas, la ingeniería mecánica y la fabricación "
Componentes de prueba del proyecto Ad-Proc-Add - Foto: IFT TU Wien
Crear una comprensión fundamental del proceso a lo largo de toda la cadena de procesos
No basta con considerar únicamente el postprocesamiento. Para maximizar la eficiencia y la calidad de los componentes, es necesario intervenir en la cadena de procesos en una fase muy temprana, ya desde la fase de diseño de los componentes. El ajuste de los parámetros de AM también se traduce en una mejora de la integridad de la superficie con una mayor capacidad de control. Sólo así es posible identificar y explotar el potencial de optimización oculto. Además, se están investigando diversas interacciones entre los pasos del proceso de AM para permitir una combinación híbrida y flexible de diferentes procesos de AM (deposición directa de energía DED y fusión de lecho de polvo por láser PBF-LB/M) y piezas de trabajo preprocesadas. Con la ayuda de la simulación numérica de procesos aditivos y sustractivos y el procesamiento de datos, se crea una visión holística de la cadena de AM, de modo que las propiedades predefinidas de las piezas de trabajo puedan alcanzarse directamente y con un mínimo de incertidumbre. El objetivo final es desarrollar un prototipo de base de datos de conocimiento de la cadena de procesos ASM que pueda utilizarse para combinar datos multisensor de diferentes pasos del proceso. De este modo, se podrán realizar potenciales de optimización avanzados, como estrategias mejoradas de trayectorias de herramientas (optimización CAD-CAM) y mayores posibilidades de automatización de procesos. Diversas materias primas (aleaciones de aluminio, acero para herramientas, aleaciones de titanio) sirven de base para las investigaciones, y tanto los procesos sustractivos como los tratamientos superficiales electroquímicos (electropulido, cizallado) se utilizan para el postprocesado. Los componentes se trataron mediante granallado con martillo mecánico, mecanizado por flujo abrasivo para alisar las superficies internas y el proceso electroquímico dinámico de tratamiento térmico, y los resultados se compararon en las superficies internas y externas.
Uno de los principales socios es el Instituto de Tecnología de Mecanizado de la Universidad TU de Dortmund. Las investigaciones del ISF se centran en influir en la integridad de la superficie de las piezas de trabajo de AM a lo largo de la cadena del proceso ASM. Para ello, el ISF utiliza un proceso de fusión de lecho de polvo por láser (PBF-LB/M) e investiga las influencias de los procesos sustractivos NC de rectificado de moldes, chorreado húmedo y microacabado.
En Austria, el instituto de investigación FOTEC de Wiener Neustadt lleva casi 20 años centrándose en todos los aspectos de la fabricación aditiva. Reconocieron la importancia del postprocesado en una fase temprana y acumularon la experiencia correspondiente en este campo. En su "Laboratorio para la innovación en la fabricación (LMI)", FOTEC no sólo dispone de la infraestructura necesaria para el postprocesamiento mecánico, el tratamiento térmico y la limpieza de componentes impresos en 3D, sino que también ofrece revestimientos electroquímicos para el postprocesamiento automatizado de componentes metálicos impresos en 3D.
El socio del proyecto IFT, el Instituto de Ingeniería de Producción de TU Wien, se dedica a investigar los fundamentos de tecnologías de producción innovadoras como el mecanizado de alto rendimiento y el revestimiento por fricción, así como el martilleo mecánico de superficies. Los conocimientos adquiridos se ponen en práctica en aplicaciones industriales junto con socios de la empresa. Un aspecto importante es la representación basada en modelos de procesos reales. Los nuevos enfoques para modelizar el comportamiento altamente dinámico de los materiales y determinar los valores característicos, por ejemplo para describir el contacto entre la pieza de trabajo y la herramienta en la simulación de procesos de mecanizado, constituyen la base para ello.
" Para obtener la máxima eficacia y una alta calidad, es preciso intervenir en la cadena de procesos ya durante el diseño de los componentes "
Los primeros resultados del proyecto son prometedores
En el transcurso del proyecto ya se han obtenido numerosos resultados sobre los procesos de mecanizado aditivo de metales a nivel tecnológico. Por ejemplo, se ha logrado una comprensión más profunda de las interdependencias entre geometría, cavidades internas y requisitos de los métodos de postprocesado. También se han obtenido muchos nuevos conocimientos sobre la interacción entre los parámetros de proceso y diseño. Algunas de las empresas participantes ya han podido integrar fases de fabricación aditiva en sus procesos rutinarios.
Se espera que el proyecto Ad-Proc-Add II tenga un impacto significativo en sectores industriales como la fabricación de herramientas, la ingeniería mecánica y la fabricación en los países participantes. No obstante, se espera que el proyecto proporcione a toda la industria, además de conocimientos fundamentales, una comprensión detallada y un bagaje tecnológico para una implantación eficaz y basada en el conocimiento de técnicas innovadoras de AM en diversas áreas de aplicación. Además de nuevos conceptos de herramientas, estrategias de fabricación, métodos de diseño y componentes prototipo, también se desarrollarán ofertas de servicios. En particular, se capacitará a las PYME para obtener nuevos procesos, productos y servicios. Se podrán desarrollar herramientas y dispositivos mejorados para el mercado en crecimiento de los componentes de fabricación aditiva.
Pero los objetivos del proyecto van más allá. Se trata de crear un acceso a la generación aditiva de nuevos tipos de componentes funcionalmente integrados, a través del cual las pequeñas y medianas empresas de fabricación, los fabricantes de dispositivos y los ingenieros mecánicos en particular puedan adquirir conocimientos metodológicos para el uso económico y eficiente de las cadenas de procesos aditivo-sustractivos. Los proveedores de software, sistemas y servicios se introducirán en el desarrollo de nuevos productos y servicios para la implementación y el apoyo de las cadenas de producción aditivo-substractivas, reduciendo así las barreras de entrada. El uso de tecnologías aditivo-sustractivas debería ser factible con un riesgo significativamente reducido, especialmente en un entorno de inversión difícil para las PYME. Además, se creará un compendio digital que podrán utilizar los empleados de diseño y producción.
Las conclusiones, ideas, prototipos y resultados experimentales se presentarán al público internacional en talleres, seminarios prácticos, publicaciones, en el sitio web y en ferias comerciales.
