ADDITIVE MANUFACTURING

Transcripción

Additive Manufacturing
Oferta Tecnológica
División Industria y Transporte
Tecnalia R&I.
Alfredo Suárez.
Contacto: [email protected]
ADDITIVE MANUFACTURING (AM)
Additive manufacturing (AM), n – process of joining materials to make objects from 3D model
data, usually layer upon layer, as opposed to subtractive manufacturing methodologies.
Synonyms: additive fabrication, additive processes, additive techniques, additive layer
manufacturing, layer manufacturing and freeform fabrication
ASTM F2792 – 12a “Standard Terminology for Additive Manufacturing Technologies”
Source: Tecnalia. Tecnología: WAAM
Source: Airbus. Tecnología: Powder Bed
Source: Tecnalia. Tecnología: Láser Cladding
2. Fabricación Aditiva
TECNALIA está trabajando en diferentes tecnologías de deposición
directa (direct deposition additive manufacturing):
1.- Fused Deposition Modelling: FDM.
2.- Wire Arc additive manufacturing: WAAM
3.- Direct Metal Deposition additive manufacturing:
DMD.
4.- Cold Spray additive manufacturing: CS
Oferta Tecnológica
1. Desarrollo de Material
2. Equipamiento Fabricación Aditiva en Tecnalia R&I.
3. Desarrollo Proceso
4. Post-Procesados
• Materiales Metálicos
• Materiales Termoplásticos
Caracterización de materiales metálicos (en polvo)
Composición química
Morfología del polvo
•
•
La morfología de las partículas está
íntimamente relacionada con el
proceso de obtención de la misma.
La morfología de las partículas se
puede determinar mediante:
•
•
Composición Química
Composición de
la aleación
SEM
Análisis de imagen.
•
•
•
Distribución de tamaños de partícula
SEM
XRD
ICP
Elementos
Intersticiales
•
•
Fusión con
gas inerte
Combustión
Infrarroja.
Fluidez-Compactación
•
La fluidez del polvo es un
parámetro crítico en la
fabricación aditiva: permite
una adecuada y precisa
dosificación de las capas
polvo durante el proceso de
FA.
Partículas
extrañas
•
•
Inspección
visual
Microscopía
Caracterización de materiales termoplásticos
•
Desarrollo de nuevos composites de matriz orgánica para el proceso de FDM:
 Polímeros termoplásticos reforzados con nano-partículas inorgánicas.
 Polímeros termoplásticos reforzados con fibras discontinuas: Fibra de vidrio y de
carbono.
•
Desarrollo de hilo de fibras de carbono para obtener una preforma de carbono por
FDM que posteriormente será infiltrada con una resina.
•
Funcionalización de polímeros añadiendo materiales funcionales para: aumentar la
conductividad térmica, eléctrica,…
2. Equipamiento Fabricación Aditiva
en Tecnalia R&I
• Laser Cladding
• WAAM
• Proyección Térmica
2. Equipamiento Fabricación Aditiva en Tecnalia R&I
Laser Cladding
DESCRIPCIÓN EQUIPO
Centro de mecanizado de 5 ejes. Arquitectura de mesa fija y columna móvil.
Procesos de fabricación:
• Torneado con plato horizontal y vertical
• Mecanizado de 5 ejes con A+B y B+C
• Fabricación Aditiva por Laser Cladding
• Corte y soldadura por láser 2D y 3D, tratamientos superficiales
PROCESO Laser Cladding
 El sustrato y el material de relleno se funden mediante un haz láser.
 Normalmente, el material relleno se inyecta en modo de polvo mediante una boquilla. Máquina híbrida de Ibarmia de Laser Cladding + mecanizado
Equipamiento requerido




Láser: En estado sólido o láser de diodo
Alimentador de polvo
Boquilla: Inyección del polvo en el baño fundido
Cinemática: Máquina-herramienta o robot para guiar la boquilla.
Aplicaciones
 Reparaciones de piezas de alto valor
añadido
 Rapid manufacturing.
 Hybrid manufacturing.
 Recubrimientos.
Materiales






Superaleaciones (Ni, Ti, …).
Aceros de herramientas.
Acero inoxidables.
Materiales cerámicos.
Aceros estructurales.
Aleaciones de aluminio.
WAAM. Wire Arc Additive Manufacturing
 Basados en la soldadura al arco
 El sustrato y el material de relleno se funden mediante un arco transferido entre el
electrodo de la boquilla y el sustrato
 El material relleno se inyecta en modo de hilo
 Se pueden utilizar diferentes sistemas para generar el arco (TIG, MIG, Plasma, CMT).
Equipamiento




Equipo convencional de soldadura: Plasma, TiG
Antorcha
Alimentador y posicionador de hilo
Cinemática: Máquina-herramienta o robot
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




Super-aleaciones (Ni, Ti, …).
Acero inoxidables.
Aceros estructurales.
Aleaciones de aluminio.
Proyección Térmica
Proceso de proyección térmicas de partículas sólidas sobre un material
base. Proceso utilizado para mejoras propiedades del material base, al
dotarle de nuevas características metalúrgicas. Aplicaciones
 Reparaciones piezas de alto valor añadido
 Recubrimientos
Equipamiento disponible en Tecnalia R&I
 Atmospheric and Gas Shrouded Plasma spraying APS
 High velocity oxyfuel spraying HVOF
 Detonation spraying HFPD
 Cold Spray CS
CS
APS
• Diseño y fabricación Soluciones Industriales
• Software y Simulaciones
• Optimización y Validación de Proceso
 Diseño y fabricación Soluciones Industriales:
Integración en M-H de procesos de fabricación aditiva
 Retrofitting máquina Gantry para aditivo mediante arco.
-
Integración equipo aditivo por plasma
Control de la máquina,
Entorno controlado para trabajar con Titanio (atmosfera de Argón).
Adaptación de la altura del cabezal en función de la altura medida
B
 Desarrollo Solución híbrida en MH (Laser Cladding+Mecanizado)
-
A
C
Integración Mecánica
Desarrollo Interface Láser-Máquina
Programación control máquina y estrategias de fabricación
 Desarrollo Aplicaciones especiales de proyección térmica.
-
Fabricación Pistolas proyección térmica:
- HFPD/ Plasma Spray/ Cold Spray
 Integración en células robotizadas de procesos de fabricación aditiva



Proyección térmica,
Láser Cladding
WAAM
Sensores integrados en aditivo mediante Arco (WAAM)
 Desarrollo Control del Proceso (On-line process)
-
A partir de señales internas del proceso aditivo
-
A partir señales internas máquina (Posición y velocidad de avance)
-
A partir de sensores externos:
-
Temperatura Interpasada
-
Camara Soldadura
-
Escaneado Láser.
-
Camara termografía
-
Validación Piezas (Medición Off-line process).
-
Ensayos No Destructivos
-
Ultrasonidos,
-
Radiografía
Laser scanner
Pirometría
Ensayo NDT Radiografía en Titanio
 Monitorización Proceso
• Tecnología Wireless desarrollada por TECNALIA Sistema Tritón. Sistemas de
sensores distribuidos con gestión y monitorización remota.
• Microsensores.
• Monitorización en atmósferas controladas y ambientes agresivos, compatibilización
de equipos y sensores.
• Tecnologías wireless para trasmisión de datos autoalimentada (energy harvesting
for self-power)
 Tratamiento y Visualización datos masivos.
• Uso de tecnologías para el almacenamiento masivo de de datos
• Tratamiento utilizando técnicas de data-mining, inteligencia artificial
para desarrollo de algoritmos. Modelización de procesos de
fabricación
• Visualización de datos de manera ubicua. Información accesible
desde cualquier sitio.
 Desarrollos Hardware específico:
• Adquisición y procesamiento de datos a alta velocidad para control del Proceso.
• Electrónica desarrollada por Tecnalia para la captura de datos de diversas fuentes: encoders
y reglas de captación, escáner, cámaras, etc.
• Procesamiento de los datos a gran velocidad mediante lógica programable (FPGAs).
• Soluciones para la comunicación y sincronización precisa entre los distintos elementos
involucrados en el proceso.
 Desarrollo Software específico programación. CAM Aditivo.
• Integración Máquina.
• Modelo cinemático de la máquina
• Definición de los ejes,
• Recorridos y movimientos.
• Simulación proceso de aporte por plasma
• Secuencia de fabricación
• Estrategias de fabricación
• Parámetros del equipo de aporte
• Softwares utilizados, Siemens NX y Delcam
 Modelizado proceso de aditivo
• Experimentación y caracterización mediante láser
• Efecto parámetros de proceso
• Estrategias de fabricación.
• Datos del proceso almacenados en la nube. Cloud
Computing
Desplazamiento [m]
Tensión de von Mises [Pa]
Simulación del proceso de fabricación
Desarrollo de software específico de
optimización
• Simulaciones termo-mecánicas acopladas con
adición de material, propiedades de materiales
dependientes de la temperatura, plasticidad,
conducción, convección y radiación
• Software para determinar automáticamente los
parámetros de proceso óptimos para la
fabricación aditiva de una pieza: Trayectorias,
velocidades, tiempos, etc.
• Predicción de tensiones residuales y distorsiones
generadas durante el proceso
• Objetivo: minimizar las tensiones residuales y/o
deformaciones que se observan al final del
proceso.
• Optimización de parámetros de proceso
(trayectorias, velocidad de avance, tiempo de
espera, tipología y posición de sistema de anclaje,
ciclo de potencia, etc.) en base a simulaciones.
• Validación de modelos mediante experimentación
en instalaciones de Tecnalia
• Software: Siemens NX y MSC-Marc
OUTPUT
INPUT
Geometría
Propiedades de materiales
Condiciones de contorno
Variable a minimizar
Información y límites del
proceso/máquina
Módulo
optimización
Estrategia optima de
adición:
trayectoria
velocidad de avance
tiempo de espera
posición de anclaje
ciclo de potencia
 Optimización y validación del proceso
 Se trata de validar la tecnología para la aplicación seleccionada, asegurando que se obtienen
componentes de acuerdo con los requerimientos establecidos: propiedades , acabados
superficiales, tolerancias, coste,…
 Optimización de los parámetros de proceso y
trayectorias para la aplicación y componentes que se
está desarrollando; utilización de técnicas como
diseño de experimentos para optimizar la el número
de iteraciones.
Definición de
parámetros
Parámetros de
proceso
Propiedades
Comportamiento
en servicio
 Establecer
una
relación
entre:
parámetros de proceso-propiedadescomportamiento en servicio de manera
que
se
pueda
predecir
el
comportamiento en servicio de un
componente a través de los parámetros
de procesado.
Confidential © TECNALIA
 Optimización y validación del proceso
Caracterización Materiales
• Equipamiento Ensayos Mecánicos o Static and Dynamic Tests: tensile, compresive, bending, flexural…
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
Fracture Toughness Tests (CTOD, KIC, da/dN, JIC)
Tests conditions:
- at room temperature
- in environmental chambers: from –70ºC to
+300ºC
- in a furnace, up to 900ºC (only for tensile and fatigue tests).
Brinell, Rockwell and Shore Hardness Tests
Charpy impact tests: European and ASTM. From -90ºC up to +300ºC, and
at -196ºC
Resonant fatigue tests, up to 250Hz
Multiaxial fatigue test: RIG with three actuators: 10kN, 50kN, 100kN
Creep tests, up to 900ºC
Thermal shocks and tensile fatigue under tension
Servohydraulic Universal Machines: INSTRON 88R8034 (500kN), INSTRON
88R8501 (10kN)
Electromechanical Universal Machines: INSTRON 5500R (10 and 100kN)
INSTRON 5585HK (250kN), MTS QTest5 (5kN, 250N, 50N)
Hydraulic test Machine for static tests: IBERTEST IBMT4 (1000kN)
Resonant test Machine: RUMUL 8601 (150kN)
Hardness machines ROCKWELL, BRINELL and SHORE
Charpy pendulums according to ASTM-E23, TINIUS OLSEN MOD-74 and
according to ISO 148-2, TINIUS OLSEN MOD-55 (358J)
8 creep machines DENISON-MAYES TC20 and TC30 (up to 30kN)
Extensometry (tensile, fatigue, fracture toughness, creep…)
Confidential © TECNALIA
Caracterización Materiales
• Equipamiento Metalografía
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
Electronic and Difraction Microscopy
o
o
o
o
o
o
o
o
Optical Microscopy Analysis (microstructural, grain size, inclusions,
coating thickness measurements, etc.)
Microhardness Tests (Vickers and Knoop, from 10g to 30 kg of load)
Metallographic replicatess
Image Analysers
Sample preparation: cutters, embbeding presses, grinding/polishing
machines, etching room, electrolytical polishing machine
Macro devices NIKON MULTIPHOT with photographic cameras NIKON
and PENTAX
Optical Microscopies REICHERT – JUNG,NIKON and Olympus.
Image Analyser OMNIMET - BUEHLER
Digital Image Treatment: SISTEMA ADOBE - Photoshop
Microhardness VICKERS MATZUZAWA MXT-70 ZWICK 3212 and
STRUERS Duramin A300
Portable device for field metallography STRUERS
Scanning Electron Microscopy (Fractographic Analysis, Particle
Identification, etc.)
X-Ray Energy Disperse Spectrometry (EDS): Qualitative and quantitative
analysis
X-Ray Wavelength Dispersed Spectroscopy (WDS): Qualitative analysis,
mappings, etc…
X Ray Diffraction (XRD)
X-Ray Photon Spectrometry (XPS): Surface Analysis
Atomic Force Microscope (AFM): Surface and topographic Analysis
Raman microscope: RENISHAW In Via-ReflexConfidential © TECNALIA
4. Post-Procesados
• Tratamientos térmicos
• Post-Procesados Mecánicos
• Tratamientos de Superficies
4. Post-Procesados
Secuencia Completa Fabricación Piezas metálicas
aditivas
0. Pieza mediante
tecnología Aditiva
1.
2.
1. Tratamiento Térmico
3.
4.
2. Post-Procesado Mecánicos
3. Tratamiento
Superficies
Secuencia PostProcesado
Pre-Deposited AM
Technologies
Tratamientos Térmicos.
•
Recocido,
•
Solubilizado.
•
…
Post-Procesados Mecánicos
•
Mecanizado convencional,
•
Ablación Láser
•
…
Tratamiento de Superficies
•
Granallado,
•
Bruñido,
•
…
Funcionalidad de superficies
•
Proyección Térmica
•
Laser,
•
WaterJet
•
Mecanizado Convencional.
Direct Metal Deposition (DMD)
Technologies
SLM
EBM
LMD
WAAM
1. Tratamientos Térmicos
X
X
X
X
2. Post-Procesados
Mecánico
X
X
X
X
3. Tratamiento de
Superficies
X
X
X
X
4. Funcionalidad
Superficies
X
X
X
X
4. Funcionalidad
Superficies
¿Cómo podemos ayudarte?
 Tecnalia R&I tiene todas las capacidades para poder asesorar/colaborar
en el desarrollo y puesta a punto de tecnologías de fabricación aditiva.
1. Selección Tecnología Aditiva adecuada para cada aplicación,
2. Definición Estrategias de fabricación
 Simulaciones de proceso,
 Parámetros de Proceso,
3. Desarrollo de proceso: obtención de los parámetros óptimos de
procesado, caracterización de piezas y validación de componentes
4. Análisis y Definición secuencia completa fabricación aditiva y
posteriores operaciones de acabado (TT, Mecanizado,…)
5. Diseño y fabricación de prototipos industriales,
 Retrofitting Máquina,
 Nuevas solución de Máquina.
Additive Manufacturing
Oferta Tecnológica
División Industria y Transporte
Tecnalia R&I.
Alfredo Suárez.
Contacto: [email protected]

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