CASE STUDY – Diseño y desarrollo de nuevos métodos de fabricación avanzada WAAM para la mejora de tecnológica de estructuras metálicas de soporte y bases de útiles complejos

Reto

Fabricación de un demostrador de un soporte estructural del sector de energías renovables con un diseño complejo/orgánico mediante tecnología WAAM. El objetivo es aplicar esta tecnología en el campo de la fabricación aditiva para construir piezas de tamaño medio/grande con una velocidad de deposición elevada y más eficiente desde el punto de vista de la cantidad de material empleado.

Tecnología

La tecnología de fabricación aditiva mediante soldadura WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing) combina el aporte de energía mediante arco eléctrico con el aporte de materia prima mediante un hilo.

La innovación en este campo procede del desarrollo de las tecnologías centradas en la estabilidad del arco para la soldadura de los diferentes materiales y las velocidades de deposición. La investigación y la innovación se está desarrollando en colaboración con otras empresas fabricantes.

Esta tecnología consiste en la fabricación cordón a cordón de piezas en 3D mediante la superposición de capas, sin limitación de tamaño (dependiendo del espacio de trabajo del equipo de soldadura) y con muy altas tasas de deposición que varían según el material de aporte. Destacan las aplicaciones con materiales de alto valor añadido donde la relación entre el material comprado y final (buy to fly ratio) es muy elevado. En esos casos es posible conseguir reducciones en el consumo de material del 70-90%, lo que justifica su uso como tecnología alternativa a procesos de fabricación convencionales como el fresado o torneado.

Ventajas de la tecnología WAAM frente a otras tecnologías de fabricación aditiva:

  • Coste del material: el hilo tiene un coste inferior al polvo
  • Arquitectura abierta: se puede combinar fuente de energía y manipuladores de cualquier marca
  • Tamaño de la pieza: el tamaño máximo de la pieza está condicionado únicamente por la capacidad de alcance del manipulador o el tamaño de la cámara en el caso de materiales reactivos
  • Gran velocidad de los depósitos: que oscilan entre 1kg/h y 4kg/h en acero y aluminio, pudiendo alcanzar valores de hasta 10kg/h

Solución

La solución comprende las siguientes fases:

1) Diseño

El diseño del modelo del soporte se realiza mediante Diseño Generativo, buscando obtener una geometría orgánica que optimice tanto la masa como la resistencia del diseño. Este proceso analiza los resultados preparados para el entorno de fabricación en una fase temprana del proceso de producción.

Los resultados se optimizan en términos de costes, materiales y diferentes técnicas de fabricación para acelerar el “time to market”.

El diseño generativo permite definir un diseño a través de objetivos y restricciones y generar un conjunto de diseños que cumplan los requisitos. Luego se pueden explorar los diseños para seleccionar el óptimo para el método de fabricación elegido.

En el diseño tradicional se empieza con una persona y un ordenador y, en base a los conocimientos del usuario y la potencia de la máquina, se aprovecha todo conjuntamente para producir un producto óptimo.

El diseño generativo se basa en el poder de procesamiento de la nube para crear cientos, o incluso miles de variaciones de un diseño 3D original.

2) Fabricación

Previo a la fabricación del demostrador final, se hace una prueba con un prototipo a escala, con el fin de determinar posibles fallos y solventarlos antes de comenzar la fabricación del demostrador final a escala real.

Se fabricaron también varios cupones del que se extrajeron probetas, posteriormente analizadas y ensayadas por un laboratorio independiente con resultados muy satisfactorios.

El modelo prototipo sirvió para el análisis y validación de las características geométricas del modelo: uniones, convergencias, bifurcaciones, …, pruebas de distintas estrategias y comprobación de resultados.

Previo a la fabricación del demostrador final se fabricaron a escala real las partes de la pieza que por su geometría pudieran ser potencialmente conflictivas, determinándose estrategias específicas para cada tipo de problemática detectado.

A partir de todos estos trabajos previos, se definen las diferentes estrategias de aporte, condiciones óptimas de fabricación y se establecen las velocidades de avance y de aporte del hilo, el grosor del cordón y la superposición óptima de cordones.

La complejidad de fabricación de esta pieza radica en que se trata de una estructura totalmente hueca, con el objetivo de conseguir todos los beneficios que nos puede aportar las ventajas de la fabricación mediante tecnología WAAM, por lo que se procedió al rediseño y optimización de determinadas geometrías de la estructura para que fuese fabricable por WAAM.

Cabe resaltar que el demostrador por su funcionalidad y aplicación no necesita un postprocesado posterior, siendo el acabado final el obtenido.

3) Verificación y Análisis

En diferentes fases de la fabricación de la pieza, incluido el prototipo inicial, se realizan mediciones mediante un brazo con escáner láser, cuyos resultados se comparan con el CAD nominal del modelo.

La valoración general es positiva, la comparación de los resultados revela distintos tipos de desajustes. Algunos fueron identificados y solventados durante el propio proceso de fabricación, pero otros requirieron un estudio posterior para su correcta identificación y solución.

Analizados los resultados de las distintas mediciones, se observa que las diferencias entre la geometría nominal y la geometría real se pueden considerar aceptables, lo que permite determinar la viabilidad del proceso.

Conclusión

El resultado del proyecto ha sido especialmente satisfactorio, la tecnología WAAM combinada con el potencial del Diseño Generativo han optimizado el diseño, el peso, el coste y la resistencia.

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