Fabricación Aditiva de Metales:
Aplicaciones industriales de
WAAM, LMD y 3DP
Dr. Iñigo Agote
Donostia, 7 de Marzo de 2018
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Fabricación aditiva Mediante aporte de
polvo fundido: LMD (Laser Metal
Deposition)
Fabricación aditiva Mediante aporte de
hilo metálico: plasma (WAAM)
Binder Jetting
Fabricación aditiva Mediante aporte de
hilo metálico: plasma (WAAM)
Binder Jetting
Fabricación aditiva Mediante aporte de
polvo fundido: LMD (Laser Metal
Deposition)
WAAM
…qué es el WAAM?
Es un proceso automático de soldadura donde además del plano XY también
se realiza en el eje Z.
• 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
Aplicaciones
▪ Reparaciones piezas de alto valor añadido
▪ Fabricación de piezas o partes de piezas con un
elevado desperdicio de material
▪ Fabricación de detalles de piezas grandes
▪ Piezas de gran tamaño
▪ Hybrid manufacturing.
Materiales
▪ Aleaciones de Ti
▪ Aleaciones base Ni.
▪ Acero inoxidables.
▪ Aceros estructurales.
▪ Aleaciones de aluminio.
▪ Stellite
WAAM no permite…
…estructuras complejas
…o libertad de diseño
… pero
El ahorro de material es alto: la relación “Buy to Fly” (BTF) es siempre <2
El plazo de fabricación/tiempo de entrega se reduce sustancialmente
No hay limitaciones de tamaño
WAAM
Sistemas Comerciales
Ventajas✓ Integrable en M-H✓ Integrable en robot✓ Alta productividad✓ Alta eficiencia de material
Desventajas Piezas con geometría de complejidad media Se requiere un mecanizado de acabado Elevadas tensiones residuales.
Máquina de WAAM de Gefertec GTarc3000-3 Máquina híbrida de WAAM de MAZAK VARIAXIS j-600AM
Máquina de WAAM de Mutoh Industries Value
Arc MA5000-S1
TECNOLOGÍAS Y SISTEMAS COMERCIALES
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ADDILAN-TECNALIA. Alianza Tecnológica para acelerar llegado a mercado células basadas en tecnología WAAM
El producto se presentará en la BIEMH
WAAM
Sistema Comercial “MADE IN “ EUSKADI
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AERONAUTICA
Norsk Titanium to Deliver the World’s First
FAA-Approved, 3D-Printed, Structural Titanium
Components to Boeing
WAAM: APLICACIONES INDUSTRIALES
Fuente
Fuente
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Costilla del tren de aterrizaje
Tiempo de deposición 24 horasEstructura del “flap”
Tiempo de fabricación 2 díasPeso: 9,0KgBTF: 6,3:1
AERONAUTICA
WAAM: APLICACIONES INDUSTRIALES
COMPONENTE: Front Fitting (210 x 150 x 125 mm aprox)PROCESO: WAAM
MATERIAL: Ti-6Al-4V
BTF Coste (k€) Reducción Coste
Mecanizado 45 4.9 ----
WAAM 2.9 1.7 65%
Fuente
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AERONAUTICA
COMPONENTE: Moldes de alta estabilidad dimensional para conformado de composites:
MATERIAL: Invar
Fuente
Sistema de reparación
“in-situ” en desarrollo
WAAM: APLICACIONES INDUSTRIALES
ESPACIO
300mm
COMPONENTE: Estructura del espejo del telescopio: Misión ATHENA
MATERIAL: Ti-6Al-4V
NAVAL
WAAMpeller 180 kgCOMPONENTE: Helices de barcos: proceso más rápido, y eficiente
PROCESO: WAAM
MATERIAL: Aleación Níquel-Aluminio-Bronce
WAAM: APLICACIONES INDUSTRIALES
Fuente
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OIL & GAS
COMPONENTE: sistemas de fondeo de plataformas off shore
PROCESO: WAAM
MATERIAL: ACERO
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Fabricación aditiva Mediante aporte de
hilo metálico: plasma (WAAM)
Fabricación aditiva Mediante aporte de
polvo fundido: LMD (Laser Metal
Deposition)
Binder Jetting
Laser Cladding o Laser Material Deposition (LMD)
Laser
Powderstream
Boquilla de aporte
Protectivegas
Addedmaterial
Powderstream
Melt pool
Aplicaciones▪ Reparaciones de piezas de alto
valor añadido▪ Recargues-obtención de
componentes multimaterial▪ Rapid manufacturing.▪ Hybrid manufacturing.▪ Recubrimientos.
Materiales▪ Aleaciones base Ni, Ti▪ Aceros de herramientas.▪ Acero inoxidables.▪ Materiales cerámicos. ▪ Aceros estructurales.▪ Aleaciones de aluminio.▪ Stellite
TECNOLOGÍAS Y SISTEMAS COMERCIALESLMD
El LMD es la combinación de 5 tecnologías:
• Tecnología Láser
• CAD
• CAM
• Sensórica
• Pulvimetalurgia
Se aporta polvo metálico que al fundirse mediante el láser
se une con el material base para formar una capa. La
superposición de capas de polvo crea volúmenes y como
resultado la pieza final.
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Sistemas Comerciales
Ventajas✓ Integrable en M-H✓ Integrable en robot✓ Gran versatilidad en la tecnología láser
Desventajas Baja eficiencia del material Piezas con geometría de complejidad media Se requiere un mecanizado de acabado Elevadas tensiones residuales.
Máquina híbrida de DMG Mori de Laser Cladding+ mecanizado
Máquina híbrida de Mazak de Laser Cladding+ mecanizado
Máquina Be-AM. Célula LDM
Máquina Trump. Célula LDM:TruPrint 5000
(multilaser)
LMD
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LMD
Máquina híbrida de Ibarmia de Laser Cladding+ mecanizado: ZVH45/1600 ADD+PROCESS HYBRID MACHINE
Desarrollo realizado entre la UPV/EHU, IBARMIA y TECNALIA
Sistema Comercial “MADE IN “ EUSKADI
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Fabricación de partes de piezas
COMPONENTE: Ejes.
PROCESO: LMD,
MATERIAL: Acero Inox.
Fuente
LMD: APLICACIONES INDUSTRIALES
15 ▌Fuente
Husillo de Extrusión de caucho
LMD: APLICACIONES INDUSTRIALES
Reparación o recargues
Troquel de Estampación
Antes
después cladding
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Álabe de 245mm de longitud
Álabe
Fabricación de piezas completas
LMD: APLICACIONES INDUSTRIALES
Fuente
Álabe de turbina fabricado por Laser Claddingen Inco718: dcha) Near-net-shape
izq) mecanizado de acabado
Fuente
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17 ▌17 ▌
Fabricación aditiva Mediante aporte de
hilo metálico: plasma (WAAM)
Binder Jetting
Fabricación aditiva Mediante aporte de
polvo fundido: LMD (Laser Metal
Deposition)
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Proceso de Impresión
Curado
Sinterizado
Infiltración
Pieza Final
SinterizaciónCompleta
Aglomeradas
Infiltrada
+Polvo Ligante
Qué es el Binder Jetting?
Componentes Densos
Pie
za e
n v
erd
e
Componentes poroso
Componentes Multimaterial
SinterizaciónParcial
3DP: BJ
Metales: Aceros Inoxidables,Aleaciones base NiAleaciones de TiAleaciones de AlAleaciones de CoMetales refractarios: W, Ta,…Aleaciones de Cu…
Cerámicas: WC-Co,Al2O3ZrO2SiCArenas,Vidrio,…
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Existen dos tipo obtención de componentes mediante BJ
Fabricación Directa
La pieza final se obtienen
directamente del proceso
de impresión
Fabricación Indirecta
El proseos de impresión
fabrica un elemento (moldes
de arena) que posteriormente
se utiliza para obtener la pieza
final por medio de otros
procesos.
3DP: BJ
3DP: BJ: APLICACIONES INDUSTRIALES
Fuente
Fabricación Indirecta
Moldes de arena para procesos de
fundición: Bloque motor
Moldes de arena para procesos de fundición:
Bombas de agua
Método TradicionalTiempo de fabricación: 6 semanas Coste: 8,000-40,000 €
Binder JettingTiempo de fabricación: 1 semana Coste: 400-6,000 €
Ahorro de más del 85%
Moldes de arena para procesos de
fundición: Caja de transmisión
Método TradicionalCoste: 15,000-20,000 €
Binder JettingTiempo de fabricación: 4 horasCoste: 1,500€
Ahorro de más del 50%
21 ▌Fuente
Utilización del Binder Jetting para obtener componentes de series cortas de altacomplejidad geométrica: proceso complementario al MIM (Metal Injection Moulding).
MIM:
Altas series
Coste del utillajeBJ:
Series cortas- piezas unitarias
No utillaje
Time to market
Prototyping
Densidad <96%
UTS: 520MPa
Ra = 10µm
3DP: BJ: APLICACIONES INDUSTRIALES
Fabricación Directa: SERIES CORTAS COMPLEJIDAD GEOMÉTRICA ALTA
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Fuente
Obtención de Herramientas especial a cotas finales (net-shape o near net-shape): la etapa demecanizado de la parte activa de las herramientas de corte es tediosa, larga y cara. Obtenerpiezas prácticamente a cotas finales de materiales duros (Metal Duro: WC-Co) permitirápersonalizar las herramientas sin coste adicional y reducir drásticamente los plazos de entrega.
Proceso Convencional:
Materiales en barras obtenido por PM
Mecanizado de las preformas para obtener la herramienta.
BJ:
Herramienta especial
Net-shape
No utillaje
Time to market
Prototyping
Material con las mismas propiedades
Densidad <99%
HV: 1885 HV30
K1c: 10,2 MPa m0.5
3DP: BJ: APLICACIONES INDUSTRIALES
Fabricación Directa: FABRICACIÓN DE HERRAMIENTA DE CORTE
Fuente Fuente
23 ▌Fuente
Proceso Actual:
BJ:
Permite obtener estructuras con gran superficie especifica y alta complejidad a un coste muy competitivo
Sinterizado de mesh o sinterizado de metal.Conformado de tubos, perfiles,…
Limitaciones en al complejidad geométrica
3DP: BJ: APLICACIONES INDUSTRIALES
Fabricación Directa: SISTEMAS DE GESTIÓN TÉRMICA / ELÉCTRICA
Gran superficie especifica Alta complejidad
Aplicaciones EléctricasIntercambiadores de calor
3DP: BJ: APLICACIONES INDUSTRIALES
Fabricación Directa: APLICACIONES DIVERSAS
Joyería
Fuente
Industria Extractiva
Fuente
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MENSAJE FINAL
WAMM, LDM y BJ son procesos de fabricación aditiva con
aplicaciones industriales reales
• LMD: obtención de piezas de gran tamaño, reparación, fabricación
parcial y completa de componentes.
• WAAM: altas tasas de deposición, grandes componentes,
propiedades estructurales, ahorro de material prima y geometrías
con complejidad media.
• BJ: Diseños funcionales (geometrías complejas, componentes), alta
productividad, amplia gama de materiales, piezas multimaterial,
personalización en serie.
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