Proyecto MEPESS 2008/ Resultados de proyecto

Transcripción

1 2008/ 2009 Proyecto MEPESS Resultados de proyecto El presente proyecto plantea la integración del conocimiento sobre estructuras espaciales selectivas y las tecnologías de fabricación aditiva para la resolución tanto del diseño de productos estructurales ligeros; como del diseño de productos con comportamiento dinámico con mejores prestaciones. Mediante esta integración se pretende asentar una metodología de diseño y fabricación razonable y sostenida para productos de fabricación no masiva. Este proyecto es el punto de partida de la investigación, llevada a cabo por AIMME, del modo de fabricar piezas con menor peso, menos material, menos tiempo para la fabricación y piezas más económicas sin renunciar a las prestaciones mecánicas. Los sectores a los que afectan directamente los resultados del proyecto son el sector de Bienes de Equipo, Automoción, Aeronáutica, Filtros e Intercambiadores de calor y Biomedicina. Ingeniería de Producto AIMME 2008/2009

2 ESTRUCTURAS ESPACIALES EN RAPID MANUFACTURING 1. Marco del proyectoo Durante los años 2008 y 2009 la Unidad de Ingeniería de Producto de AIMME ha desarrollado el proyecto Estructuras espaciales en Rapid Manufacturing-MEPESS financiado por el IMPIVA y cofinanciado por el Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER). El principal objetivo del proyecto es el estudio, análisis y la fabricación de piezas metálicas aligeradas mediante la combinación de dos técnicas: el diseño de estructuras espaciales selectivas y las tecnologías de fabricación aditivas. Garantizando las prestaciones mecánicas de las piezas fabricadas de este modo. Se entiende por Rapid Manufacturing o Fabricación Aditiva al uso de tecnologías de construcción directamente de geometria por adición de material a partir de información electrónica. La libertad geométrica que proporciona esta nueva forma de fabricación permite plantearse nuevos límites en el diseño de los productos en dos sentidos: 1. Piezas con una zona estructural, lo que dota a la pieza de propiedades especiales, como puede ser mayor elasticidad. 2. Piezas aligeradas, que se componen de una zona maciza en la parte exterior y una zona estructural en la zona interior de la pieza. Las ventajas potenciales que aporta este nuevo modo de diseño y fabricación son: - Reducción de peso. - Ahorro de material. - Mejora del comportamiento de la pieza sin incrementar el peso. - Diseños más concienciados con el medio ambiente por la reducción de material y por lo tanto menor gasto energético sin comprometer la calidad y seguridadd de los productos. - Nuevas posibilidades de diseño. - Mayor flexibilidad. - Absorción de impactos. - Aislamiento térmico. - Reducción de costes. - Reducción del time to market. Todas estas ventajas se resumen en una sola, Aumento del valor añadido de un producto y por lo tanto aumento de la competitividad de la empresa por disponer de un producto diferenciador frente a la competencia. 2 de 13

3 2. Resultados obtenidos y aplicaciones De forma general, las estructuras se pueden aplicar a cualquier pieza de cualquier sector que desee incorporar las ventajas anteriormente descritas. Pero en los sectores en los que se ha detectado que hay un gran impacto son: Bienes de equipo. Por la flexibilidad y el aligeramiento de las piezas siempre cumpliendo la función destinada. Automoción. Dada la importancia de aligerar el peso de las piezas sin prescindir de las prestaciones mecánicas necesarias. Aeronáutica. Dada la importancia de aligerar el peso de las piezas sin prescindir de las prestaciones mecánicas necesarias. Filtros e Intercambiadores de calor. Introduciendo una estructura aumenta la superficie de contacto y por lo tanto aumenta la eficiencia de los mismos. Biomedicina: En la actualidad se está investigando en generar implantes en materiales metálicos como titanio con utilización de estructuras para disminuir el peso del implante a la vez de favorecer y permitir el crecimiento del hueso en la regeneración. Durante los primeros mesess del proyecto, los esfuerzos se centraron en la ampliación de conocimiento sobre estructuras espaciales analizando las soluciones que otros sectores dan a problemas estructurales. Se diseñaron diferentes estructuras y se han fabricado (Figura 1) con el fin de conocer los límites y particularidades de las tecnologías de fabricación aditiva utilizadas, en concreto la tecnología SLM (Fusión selectiva por laser) para la fabricación de estructuras en acero, las tecnología de Fotopolimericación por proyección por máscara (DLP), Estereolitografía (SLA) para resinas y Fusión de polvo metálico por chorro de electrones (EBM) para titanio. Figura 1. Fabricación de estructuras de acero SLM -Estructuras en resina (SLA) 3 de 13

4 En la segunda anualidad del proyecto se centraron los esfuerzos en caracterizar mecánicamente las estructuras, para ello se fabricaron probetas de acero inoxidable con la tecnología SLM y probetas de titanio fabricadas con la tecnología EBM para caracterizar su comportamiento. El modelo de celda utilizado y caracterizado es el diseño de celda X. L celda CARACTERIZACION DE LAS PROBETAS DE ACERO INOXIDABLE TECNOLOGIA DE FABRICACIÓN ADITIVA: SLM MATERIAL: Acero Inoxidable (CL20) Figura 2. Diseño de celda X El objetivo de este análisis es la caracterización de una estructura fabricada con acero inoxidable y comprobar si existe una relación de proporcionalidad entre las dimensiones de una determinada celda y una celda proporcional. Se han realizado dos pruebas experimentales: 1. Se establece que el diámetro de la barra es proporcional al tamaño de la celda. Se parte de esta proporción Dbarra = L celda / 5, a partir de ahí se han generado distintas estructuras en las que la longitud de la celda permanece constante y varía el diámetro de la barra (Dbarra). Las estructuras definidas tienen 8x8x8 celdas del tamaño establecido (en este caso Lcelda=3mm). Las variantes de la celda fabricadas se muestran a continuación: L = CTE, D variable Celda analizada L celda L cubo Sección (mm2) D barra L/6 L/5 L/4 L/ ,707 24,849 25,061 25, ,44 617,47 628,05 645,87 0,5 0,6 0, de 13

5 2. Se realiza un estudio del escalado, en estas pruebas se modifican la longitud de la celda (L) y el diámetro de la barra (D) de forma proporcional. Las pruebas realizadas han sido: L = CTE, D CTE proporcionalmente Ensayo L celda L cubo Sección (mm2) D barra ESCALADO 0,8 ESCALADO 1 ESCALADO 2 2, ,879 24,849 49, ,17 617, ,79 0,48 0,6 1,2 A continuación se muestran imágenes de las probetas para el ensayo de compresión fabricadas: Figura 3. Probetas de compresión de acero inoxidable fabricadas. El ensayo de compresión se ha realizado con el laboratorio de ensayos mecánicos de AIMME con una Máquina universal de ensayos Dartec RK 9500, con incertidumbre en carga 0.5%. Figura 4. Imagen de la deformación de las probetas durante el ensayo de compresión 5 de 13

6 Resultados del primer experimento: ENSAYO DE COMPRESIÓN (L = CONSTANTE, D VARIABLE ) Ensayo L celda L cubo L/6 3 24,707 L/5 3 24,849 L/4 3 25,061 L/3 3 25,414 Sección (mm2) D barra Altura Masa estruc. (g) Masa sólido (g) 610,44 0,5 26,09 10,09 118,39 617,47 0,6 26,155 13,59 120,45 628,05 0,75 26,25 21,84 123,56 645, ,23 32,09 128,85 Reducción peso Fuerza (KN) Tensión (Mpa) 91,48% 3,75 6,14 88,72% 6,1 9,88 82,32% 16 25,48 75,10% 37,5 58,06 A continuación se muestran imágenes tras el ensayo de compresión: Figura 5. Imágenes de la estructuras del ensayo L=Cte, D vble. Como se observa en la siguiente imagen, ampliación de la probeta L=3mm, D=L/5, se observa la elasticidad que tiene esta estructura y el abombamiento que se observa de la zona externa es igual que el de una estructura maciza. El comportamiento de todas las estructuras es igual que la que se muestra en detalle. Figura 6. Imágenes de la estructuras del ensayo L=Cte, D vble. 6 de 13

7 Curvas de tensión-deformación que se obtienen de todas las muestras analizadas: Curva Tensión-Deformación: L = Cte, D=Vble -0,25-0,2 Tensión (MPa) -0,15-0,1-0,05 Deformación D=L/ /6 D=L/5 D=L/4 D=L/3 Figura 7. Curva Tensión-Deformación (L cte, D cte) Como se observa en el anterior gráfico, a medida que aumenta el tamaño de las barras, aumenta la resistencia de las probetas. Existe una tendencia creciente en función del diámetro de la barra o el peso de la estructura. Segundo experimento, estudio del escalado, en estas pruebas se modifican la longitud de la celda (L) y el diámetro de la barra (D) de forma proporcional. A continuación se muestran los resultados de los ensayoss de compresión: Ensayo L celda ENSAYO DE COMPRESIÓN (L = VARIABLE, D VARIABLE PROPORCIONALMENTE ) L cubo Sección (mm2) D barra Altura Masa Estr.(g) Masa sólido (g) Reducción peso Fuerza (KN) Tensión (Mpa) ESCALADO 0,8 2,4 19, ,17 0,48 22,65 7, ,7 99,91% 3,55 8,98 ESCALADO , ,47 0,6 26,155 13, ,6 99,91% 6,1 9,88 ESCALADO , ,79 1, , ,2 99,92% 28 11,34 A continuación se muestran las probetas deformadas tras el ensayo de compresión: Figura 8. Imágenes de la estructuras del ensayo L=Vble, D Vble proporcionalmente A continuación se muestran experimento: las curvas tensión-deformación de las pruebas realizadas en este 7 de 13

8 -0,25-0,2-0,15-0,1-0,05 Tensión (MPa) Curva Tensión-Deformación: L y D variable (ESCALADO ) Deformación ESCALADO 0.8 ESCALADO 1 ESCALADO 2 Figura 9. Curva tensión-deformación (Escalado) Tensión (MPa) 12,00 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 0,00 0 Variación de la tensión en función del escalado (L y D varian proporcionalmente) 0,5 1 1,5 2 Escalado 2,5 Figura 10. Curva de variación de la tensión en función del escalado Tal y como se muestra en los anteriores gráficos, la tensión prácticamente no varía en este experimento, podría concluirse que es independiente del escalado de la estructura. Una vez realizados los ensayos de compresión, se fabricaron dos probetas de tracción cada una de un tamaño con dos objetivos: el primero validar la viabilidad de la fabricación de este tipo de pieza con la tecnología SLM y por otro lado comprobar el comportamientoo de estas probetas cuando son sometidas a un esfuerzo de tracción. Los tamaños que se han fabricado han sido: - Probeta grande: Celda de tamaño 3 mm y diámetro de barra 0.6 mm. - Probeta pequeña: Celda de tamaño 1.5 mm y diámetro de barra 0.3 mm (es el valor límite para la fabricación con la máquina de tecnología SLM disponible en AIMME). El diseño de las probetas de tracción, en concreto la zona de unión entre la estructura y la parte sólida de la estructura, se ha adaptado a las necesidades de la tecnología de SLM para su construcción. Para la comparación de los resultados se construyeron las probetas con el mismo número de celdas en cada una de las direcciones. 8 de 13

9 Figura 111. Probetas de tracción construidas con la tecnología Laser A continuación se muestran imágenes del ensayo de tracción realizado en el laboratorio de AIMME. Figura 12. Ensayo de tracción Resultados del ensayo de tracción: Figura 13. Imágenes de las probetas tras el ensayo de tracción. Tal y como se observa en las imágenes anteriores, pese a la realización de un diseño específico de las probetas de tracción para que su fabricación sea viable, tras la realización del ensayo de tracción, ambas probetas rompen por la zona de la mordaza por lo tanto se decidió no seguir con estos ensayos. 9 de 13

10 Se ha obtenido la curva de tensión-deformación de la probeta con la celda mayor, que pese a que se rompe por la mordaza sí que se produce cierto estiramiento de la estructura como consecuencia de su comportamiento elástico. Tensión (Mpa) 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Ensayo de Tracción: Curva Tensión-Deformación 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 Deformación y = 2,8027x Figura 14. Ensayo de tracción. Curva Tensión-deformación. De hecho la curva tensión-deformación medida, solamente marca parte de la zona elástica de la estructura, después se produjo una rotura brusca de la mordaza, que es un concentrador de tensiones. Por lo tanto, no se puede dar por válido el ensayo puesto que no ha roto la probeta en la estructura sino en la unión con la mordaza. CARACTERIZACION DE LAS PROBETAS DE TITANIO TECNOLOGIA DE FABRICACIÓN ADITIVA: EBM (ARCAM) MATERIAL: Ti6Al4V En el caso de las probetas de titanio, además de un análisis resistente de las estructuras se ha realizado previamente un análisis dimensional, puesto que la tecnología de EBM fue adquirida por AIMME durante el transcurso de este proyecto y fue necesario hacer un análisis dimensional para comprobar por una parte la fiabilidad de la máquina así como ajustar los parámetros de la máquina y adaptarlos a la fabricación de piezas con estructuras. Se estableció un procedimiento de actuación para la correcta fabricación de estructuras con la máquina de EBM. Al igual que en el caso de las estructuras de acero inoxidable, se realizó el análisis resistente de dichas estructuras de titanio. A continuación se muestran unas imágenes de los ensayos realizados donde se comprueba la fragilidad de estas estructuras que parten de forma súbita sin sufrir una deformación. Figura 15. Resultados del ensayo de compresión de titanio 10 de 13

11 En los ensayos de tracción, se comprobó la misma fragilidad de las estructuras fabricadas en titanio. Figura 16. Resultados del ensayo de tracción de titanio Los datos obtenidos de la caracterización de las probetas de titanio, han sido el punto de partida para otras investigaciones. Durante el transcurso de este proyecto más que las características mecánicas de estas estructuras de titanio ha sido más importante adaptar y conseguir una estrategia de fabricación idónea para las estructuras. Del análisis de las probetas realizado es posible concluir: - En el caso del acero inoxidable las estructuras tienen un comportamiento similar a un acero inoxidable sólido porcesado mediante otros procesos de fabricación dado su comportamiento elástico y su forma abombada cuando se ve sometida a un esfuerzo de compresión. El modulo elástico es muchísimo menor que el acero inoxidable sólido lo que es lógico dada la falta de material y la cantidad de poros que tienen las estructuras. - En el caso del titanio, se ha comprobado que la estrategia de fabricación utilizada con la tecnología EBM es fundamental cuando se quiere disponer de una estructura resistente. Cuando las estructura de titanio se rompen lo hacen de una forma súbita sin una deformación previa importante. Durante el desarrollo del proyecto se han realizado distintos demostradoress en los que se han utilizado estructuras, además se adquirió un software específico Netfabb-selective Space Structures para el diseño de piezas con estructuras que permite una adaptación rápida y eficiente de las estructuras a volúmenes. Mediante este software es posible generar estructuras diferentes dentro de un mismo sólido así como obtener una estructura adaptada a una determinada forma de superficie (Figura 17). Figura 17. Piezas diseñadas con Netfabb fabricadas en acero inoxidable 11 de 13

12 Como ejemplo de aplicación del nuevo software adquirido y como ejemplo de uno de los demostradores realizados en el transcurso del proyecto, se muestra un trozoo de mandíbula que se ha rellenado con una estructura. Este demostrador se ha fabricado con la tecnología DLP y con el material E-SHELL 200 que está certificado con marcado CE y además es biocompatible con la CLASE II según la ISO de la ley de productos médicos. (a) (b) Figura 18. Diseño CAD 3D de la mandíbula (a) Mandíbula completa; (b) Trozos de mandíbula a fabricar (se han eliminado los dientes). En la Figura 19 y Figura 20 se muestra que la forma de cada una de las celdas que forman la estructura así el modo en el que se adapta dicha estructura al sólido. a) b) c) d) Figura 19. a) Diseño de celda; b) Sección de las barras; c) Mandíbula con estructura d) Una de las capas A continuación, se muestran imágenes del trozo de mandíbula fabricado: 12 de 13

13 AIMME 2010 Figura 20. Distintas vistas de la mandíbula fabricada Este proyecto ha sido el primer paso de una nueva línea estratégica de diseño y fabricación de piezas basada en las tecnologías de Fabricación Aditiva. En la actualidad se están desarrollando proyectos en los que se analizan las estructuras más adecuadas para un sector o aplicación en concreto siempre partiendo del conocimiento adquirido gracias al proyecto MEPESS. 13 de 13