Fabricación aditiva de componentes metálicos: Retos, tendencias, oportunidades y visión IK4-LORTEK

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María Elena Gutiérrez Olivares
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1 Fabricación aditiva de componentes metálicos: Retos, tendencias, oportunidades y visión IK4-LORTEK Ordizia, 27 de Noviembre de 2013

2 Ventajas y limitaciones Retos y tendencias (vectores de innovación) Oportunidades de la fabricación aditiva de metales Visión de IK4-LORTEK 2

3 Ventajas de la Fabricación Aditiva en metales VENTAJAS Libertad de diseño: formas complejas, detalles internos, estructuras reticulares Personalización de productos y series cortas Eficiencia máxima del material (no desperdicios) Reducción tiempo lanzamiento mercado (flexibilidad cambios) No se requieren útiles, moldes ni troqueles Piezas totalmente funcionales y sin porosidad residual Productos aligerados, ergonómicos con varios mecanismos integrados Menor impacto medioambiental 3

Limitaciones de la Fabricación Aditiva en metales Velocidad de fabricación limitada (5-20 cm 3 /h) (<0,16 Kg/h inox) Necesidad de soportes en salientes y zonas suspendidas (materiales metálicos)

4 Limitaciones de la Fabricación Aditiva en metales Velocidad de fabricación limitada (5-20 cm 3 /h) (<0,16 Kg/h inox) Necesidad de soportes en salientes y zonas suspendidas (materiales metálicos) Piezas sin defectos a la primera Disponibilidad y coste de los materiales (polvos) Tamaño límite de piezas Acabado superficial de las piezas (SLM: Rz > 20 m) Estabilidad geométrica y repetitividad de propiedades Falta de normativas y especificaciones Inversión inicial equipamiento LIMITACIONES 4

Capacidades actuales tecnología SLM Materiales Densidad > 99% SLM

Ti y Al (limitadas), aleaciones Co-Cr, bronces, metales preciosos

Limitaciones geométricas Tamaño de pieza 0,05-0,1 mm > 200 m Rz

5 Capacidades actuales tecnología SLM Materiales Densidad > 99% SLM aceros inoxidable, aceros herramienta, aleaciones base Ni, aleaciones Ti y Al (limitadas), aleaciones Co-Cr, bronces, metales preciosos Tolerancias dimensionales: Espesor de pared Acabado superficial Limitaciones geométricas Tamaño de pieza 0,05-0,1 mm > 200 m Rz m ángulos inferiores a 45º con soportes Limitado por plataforma (L < 250 mm) 5

Retos y tendencias (vectores de innovación) 1) Incremento de la productividad: (tasa de deposición) Láseres con mayores potencia (1 KW) Equipos multi-láser Reducción tiempos críticos del proceso

6 Retos y tendencias (vectores de innovación) 1) Incremento de la productividad: (tasa de deposición) Láseres con mayores potencia (1 KW) Equipos multi-láser Reducción tiempos críticos del proceso (creación capas, entre capas, inicios y paradas) Nuevas estrategias de fabricación (skin-core) Aumento volumen pieza a fabricar 2) Piezas bien a la primera Metodologías para selección de parámetros Metodologías para validación de polvos Análisis en función del material y diseño Detección en línea y temprana de defectos FP7 Merlin Project (Courtesy of Fraunhofer ILT) 6

7 Retos y tendencias (vectores de innovación) 3) Mejora de la estabilidad del proceso Mejora prestaciones y calidad alcanzables por material Estabilidad geométrica en y entre lotes Influencia del polvo: reutilización y reciclado Calidad de producto y proceso (trazabilidad) 4) Materiales: Incremento gama de materiales procesables Bases de datos de propiedades de materiales para aplicaciones Propiedades mecánicas estáticas y dinámicas similares o superiores a procesos convencionales Optimización microestructural 5) Mejora de la calidad superficial (rugosidad y tolerancias): Procesos híbridos 7

8 Retos y tendencias (vectores de innovación) 6) Reducción de costes Nuevos polvos mediante rutas de fabricación alternativas Optimización diseño topológico Mejora utilización del material: reducción soportes Equipos FP7 Merlin Project (Courtesy of Fraunhofer ILT) 8

9 Retos y tendencias (vectores de innovación) Hoja de ruta de la investigación en fabricación aditiva de IK4-LORTEK: Reto Línea I+D SLM LMD Piezas bien a la primera Estudio influencia parámetros proceso (potencia láser, velocidad, tipo láser, espesor capa, tamaño spot) para diferentes materiales Optimización secuencias y trayectorias de deposición Estudio influencia características y calidad de polvos Definición de reglas de diseño y criterios de fabricación para diferentes materiales: espesor de pared, grados de inclinación sin soportes, túneles, Simulación de proceso: tensiones residuales y distorsiones Control en línea y monitorización de proceso 9

10 Retos y tendencias (vectores de innovación) Hoja de ruta la investigación en fabricación aditiva de IK4-LORTEK: Reto Línea I+D SLM LMD Mejora de la estabilidad del proceso Optimización prestaciones (propiedades mecánicas, corrosión, fatiga,.) y calidad alcanzables por material Reducción de tensiones residuales y distorsiones mediante simulación y validación experimental Control en línea y monitorización de proceso Simulación en tiempo real Desarrollo de procesos inteligentes autoadaptables - Definición de planes de calidad: trazabilidad de variables esenciales, control 10

11 Retos y tendencias (vectores de innovación) Hoja de ruta la investigación en fabricación aditiva de IK4-LORTEK: Reto Línea I+D SLM LMD Materiales Desarrollo del proceso para nuevos materiales (superaleaciones Ni difícil soldabilidad (MARM 247, CM247LC), aleaciones Aluminio, metales refractarios (W), aceros agrietables en frío (aceros martensíticos)) Generación de BBDD de propiedades para diferentes aplicaciones en función del material y parámetros Optimización de propiedades mecánicas y dinámicas: parámetros proceso y tratamientos térmicos Optimización y análisis microestructural (SEM, EBSD) tras proceso y tratamientos térmicos Desarrollo de nuevas aleaciones aptas para fabricación aditiva 11

12 Retos y tendencias (vectores de innovación) Hoja de ruta la investigación en fabricación aditiva de IK4-LORTEK: Reto Línea I+D SLM LMD Mejora de calidad superficial Procesos híbridos: fabricación aditiva + tratamiento superficial (granallado, electropulido, pulido mecanoquímico, pulido abrasivo) Estudio influencia estrategia fabricación y parámetros en calidad superficial Control en línea y monitorización de proceso - Reducción de costes Validación polvos fabricados mediante rutas alternativas Optimización de soportes - Optimización del diseño topológico Reciclabilidad de polvos - Introducción Tecnologías SLM Materiales y parámetros SLM Aplicaciones SLM Fases proceso SLM 12

13 Ventajas y limitaciones Retos y tendencias (vectores de innovación) Oportunidades de la fabricación aditiva de metales Visión de IK4-LORTEK 13

14 Oportunidades de la fabricación aditiva de metales 1) Tecnologías de fabricación emergentes con aplicaciones en: Prototipado Producción unitaria Personalización de productos Reparaciones 2) Grandes expectativas de crecimiento Incrementos anuales sostenidos de dos dígitos en venta equipos De 2011 a 2015 duplicación del volumen de negocio 3) Grandes mercados / sectores: Industrial: médico, dental, aeronáutico, automoción, molde y matricería Bienes de consumo: accesorios de hogar, ocio y entretenimiento 14

industriales y de mercado Eco-diseño Industria 4.

15 Oportunidades de la fabricación aditiva de metales 5) Fabricación digital 6) Relacionado con tendencias industriales y de mercado Eco-diseño Industria 4.0 Producción distribuida Personalización en masa Productos inteligentes 15

16 Oportunidades de la fabricación aditiva de metales 16

17 Oportunidades de la fabricación aditiva de metales Tecnología esencial en Horizon 2020: Programa Marco Horizon 2020 incluye acciones para apoyar y promover tecnologías facilitadoras y esenciales entre las que se incluye Fabricación Avanzada y Procesos (FoF, Multiannual Roadmap EFFRA, 27 Nov 2012) FoF incluye en su hoja de ruta la FABRICACIÓN ADITIVA como un proceso de fabricación avanzado esencial. 6 llamadas en FoF 2014 y 2015 Fabricación Avanzada y Fotónica entre las 6 Tecnologías Esenciales Facilitadoras (KETs) a promover para el desarrollo de productos y la fabricación competitiva 17

Visión IK4-LORTEK En los próximos años las tecnologías de fabricación aditiva de metales van a modificar los paradigmas de fabricación actuales Las tecnologías LMD y SLM de muchos metales presentan

18 Visión IK4-LORTEK En los próximos años las tecnologías de fabricación aditiva de metales van a modificar los paradigmas de fabricación actuales Las tecnologías LMD y SLM de muchos metales presentan actualmente un grado de madurez adecuado y se están introduciendo en aplicaciones y nichos de mercado cada vez mayores (médico, aeronáutica,.) Es necesario un desarrollo tecnológico adicional para superar los retos actuales y propiciar un auge todavía mayor de estas tecnologías Estas tecnologías se han definido como prioritarias para el desarrollo económico y social de los países más desarrollados Tecnologías estratégicas para IK4-LORTEK 18

19 Visión IK4-LORTEK Referencias: 19

20 Visión IK4-LORTEK Referencias: 20

21 Visión IK4-LORTEK Referencias: 21

22 Fabricación aditiva de componentes metálicos: Retos, tendencias, oportunidades y visión IK4-LORTEK Ordizia, 27 de Noviembre de 2013

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