Fabricación Aditiva de Metales: Aplicaciones industriales de WAAM, LMD y 3DP

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Laura Castillo Rey
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1 Fabricación Aditiva de Metales: Aplicaciones industriales de WAAM, LMD y 3DP Donostia, 7 de Marzo de 2018 Dr. Iñigo Agote

2 Fabricación aditiva Mediante aporte de hilo metálico: plasma (WAAM) Fabricación aditiva Mediante aporte de polvo fundido: LMD (Laser Metal Deposition) Binder Jetting 2

Se mecaniza la superficie para el acabado final WAAM no permite pero estructuras complejas o libertad de diseño El ahorro de material es alto: la relación Buy to Fly (BTF) es siempre <2 El plazo de

3 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 WAAM no permite pero estructuras complejas o libertad de diseño 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 Materiales Aleaciones de Ti Aleaciones base Ni. Acero inoxidables. Aceros estructurales. Aleaciones de aluminio. Stellite 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.

WAAM Ventajas Integrable en M-H Integrable en robot Alta

geometría de complejidad media Se requiere un mecanizado de

Sistemas Comerciales Máquina de WAAM de Gefertec GTarc3000-3

4 WAAM 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. Sistemas Comerciales Máquina de WAAM de Gefertec GTarc Máquina híbrida de WAAM de MAZAK VARIAXIS j- 600AM Máquina de WAAM de Mutoh Industries Value Arc MA5000-S1

5 WAAM TECNOLOGÍAS Y SISTEMAS COMERCIALES Sistema Comercial MADE IN EUSKADI ADDILAN-TECNALIA. Alianza Tecnológica para acelerar llegado a mercado células basadas en tecnología WAAM El producto se presentará en la BIEMH 5

6 WAAM: APLICACIONES INDUSTRIALES AERONAUTICA Norsk Titanium to Deliver the World s First FAA-Approved, 3D-Printed, Structural Titanium Components to Boeing 6

7 WAAM: APLICACIONES INDUSTRIALES AERONAUTICA Tiempo de fabricación 2 días Peso: 9,0Kg BTF: 6,3:1 Costilla del tren de aterrizaje Tiempo de deposición 24 horas Estructura del flap BTF Coste (k ) Reducción Coste Mecanizado WAAM % COMPONENTE: Front Fitting (210 x 150 x 125 mm aprox) PROCESO: WAAM MATERIAL: Ti-6Al-4V 7

8 WAAM: APLICACIONES INDUSTRIALES AERONAUTICA Sistema de reparación in-situ en desarrollo COMPONENTE: Moldes de alta estabilidad dimensional para conformado de composites: MATERIAL: Invar ESPACIO 300mm COMPONENTE: Estructura del espejo del telescopio: Misión ATHENA MATERIAL: Ti-6Al-4V 8

9 WAAM: APLICACIONES INDUSTRIALES NAVAL COMPONENTE: Helices de barcos: proceso más rápido, y eficiente PROCESO: WAAM MATERIAL: Aleación Níquel-Aluminio-Bronce WAAMpeller 180 kg OIL & GAS COMPONENTE: sistemas de fondeo de plataformas off shore PROCESO: WAAM MATERIAL: ACERO 9

10 Fabricación aditiva Mediante aporte de hilo metálico: plasma (WAAM) Fabricación aditiva Mediante aporte de polvo fundido: LMD (Laser Metal Deposition) Binder Jetting 10

LMD TECNOLOGÍAS Y SISTEMAS COMERCIALES Laser Cladding o Laser

tecnologías: Tecnología Láser CAD CAM Sensórica Pulvimetalurgia

con el material base para formar una capa.

Recargues-obtención de componentes multimaterial Rapid

Materiales Aleaciones base Ni, Ti Aceros de herramientas.

11 LMD TECNOLOGÍAS Y SISTEMAS COMERCIALES Laser Cladding o Laser Material Deposition (LMD) 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. Laser 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 Powder stream Boquilla de aporte Powder stream Melt pool Added material Protective gas 11

LMD Ventajas Integrable en M-H Integrable en robot Gran

Desventajas Baja eficiencia del material Piezas con

de acabado Elevadas tensiones residuales.

Máquina híbrida de Mazak de Laser Cladding+ mecanizado

12 LMD Ventajas Integrable en M-H Integrable en robot Gran versatilidad en la tecnología láser Sistemas Comerciales 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 Trump. Célula LDM:TruPrint 5000 (multilaser) Máquina Be-AM. Célula LDM 12

13 LMD Sistema Comercial MADE IN EUSKADI Máquina híbrida de Ibarmia de Laser Cladding+ mecanizado: ZVH 45/1600 ADD+PROCESS HYBRID MACHINE Desarrollo realizado entre la UPV/EHU, IBARMIA y TECNALIA 13

14 LMD: APLICACIONES INDUSTRIALES Fabricación de partes de piezas COMPONENTE: Ejes. PROCESO: LMD, MATERIAL: Acero Inox. 14

15 LMD: APLICACIONES INDUSTRIALES Reparación o recargues Husillo de Extrusión de caucho Troquel de Estampación Antes después cladding 15

16 LMD: APLICACIONES INDUSTRIALES Álabe Fabricación de piezas completas Álabe de 245mm de longitud Álabe de turbina fabricado por Laser Cladding en Inco718: dcha) Near-net-shape izq) mecanizado de acabado 16

17 Fabricación aditiva Mediante aporte de hilo metálico: plasma (WAAM) Fabricación aditiva Mediante aporte de polvo fundido: LMD (Laser Metal Deposition) Binder Jetting 17 17

$Metales refractarios:$ Cu Curado Cerámicas:

18 Pieza en verde 3DP: BJ Qué es el Binder Jetting? Polvo + Ligante Sinterización Completa Componentes Densos Sinterizado Sinterización Parcial Componentes poroso Proceso de Impresión Metales: Aceros Inoxidables, Aleaciones base Ni Aleaciones de Ti Aleaciones de Al Aleaciones de Co Metales refractarios: W, Ta, Aleaciones de Cu Curado Cerámicas: WC-Co, Al2O3 ZrO2 SiC Arenas, Vidrio, Infiltración Infiltrada Componentes Multimaterial Pieza Final Aglomeradas 18

3DP: BJ Existen dos tipo obtención de componentes

obtienen directamente del proceso de impresión

un elemento (moldes de arena) que posteriormente se

19 3DP: BJ 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. 19

3DP: BJ: APLICACIONES INDUSTRIALES Fabricación Indirecta Moldes

arena para procesos de fundición: Bombas de agua Método

Tiempo de fabricación: 1 semana Coste: 8,000-40,000 Coste:

fundición: Caja de transmisión Método Tradicional Coste:

20 3DP: BJ: APLICACIONES INDUSTRIALES Fabricación Indirecta Moldes de arena para procesos de fundición: Bloque motor Moldes de arena para procesos de fundición: Bombas de agua Método Tradicional Binder Jetting Tiempo de fabricación: 6 semanas Tiempo de fabricación: 1 semana Coste: 8,000-40,000 Coste: 400-6,000 Ahorro de más del 85% Moldes de arena para procesos de fundición: Caja de transmisión Método Tradicional Coste: 15,000-20,000 Binder Jetting Tiempo de fabricación: 4 horas Coste: 1,500 Ahorro de más del 50%

Utilización del Binder Jetting para obtener

geométrica: proceso complementario al MIM (Metal

MIM: Altas series Coste del utillaje BJ: Series

21 3DP: BJ: APLICACIONES INDUSTRIALES Fabricación Directa: SERIES CORTAS COMPLEJIDAD GEOMÉTRICA ALTA Utilización del Binder Jetting para obtener componentes de series cortas de alta complejidad geométrica: proceso complementario al MIM (Metal Injection Moulding). MIM: Altas series Coste del utillaje BJ: Series cortas- piezas unitarias No utillaje Time to market Prototyping Densidad <96% UTS: 520MPa Ra = 10µm 21

Obtención de Herramientas especial a cotas finales

de la parte activa de las herramientas de corte es

Obtener piezas prácticamente a cotas finales de

personalizar las herramientas sin coste adicional y

Proceso Convencional: Materiales en barras obtenido

22 3DP: BJ: APLICACIONES INDUSTRIALES Fabricación Directa: FABRICACIÓN DE HERRAMIENTA DE CORTE Obtención de Herramientas especial a cotas finales (net-shape o near net-shape): la etapa de mecanizado de la parte activa de las herramientas de corte es tediosa, larga y cara. Obtener piezas prácticamente a cotas finales de materiales duros (Metal Duro: WC-Co) permitirá personalizar 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 Densidad <99% Time to market HV: 1885 HV30 Prototyping K1c: 10,2 MPa m 0.5 Material con las mismas propiedades 22

23 Proceso Actual: BJ: 3DP: BJ: APLICACIONES INDUSTRIALES Fabricación Directa: SISTEMAS DE GESTIÓN TÉRMICA / ELÉCTRICA Sinterizado de mesh o sinterizado de metal. Conformado de tubos, perfiles, Limitaciones en al complejidad geométrica Permite obtener estructuras con gran superficie especifica y alta complejidad a un coste muy competitivo Gran superficie especifica Alta complejidad Intercambiadores de calor Aplicaciones Eléctricas 23

24 3DP: BJ: APLICACIONES INDUSTRIALES Fabricación Directa: APLICACIONES DIVERSAS Joyería Industria Extractiva

25 MENSAJE FINAL WAMM, LDM y BJ son procesos de fabricación aditiva con aplicaciones industriales reales WAAM: altas tasas de deposición, grandes componentes, propiedades estructurales, ahorro de material prima y geometrías con complejidad media. LMD: obtención de piezas de gran tamaño, reparación, fabricación parcial y completa de componentes. BJ: Diseños funcionales (geometrías complejas, componentes), alta productividad, amplia gama de materiales, piezas multimaterial, personalización en serie. 25

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