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Impresión ALM aplicada a la industria
II Congreso de Ingeniería Espacial 2017
Madrid 22/11/2017
Jorge Vilanova Calvo - Airbus D&S
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Conceptos básicos. Fabricación substractiva y aditiva.
Procesos de fabricación substractiva: Arranque de viruta, rectificado, pulido, electroerosión, fresado químico, etc. Implica
partir de un volumen de material base e ir eliminando material sobrante hasta obtener la pieza deseada.
Procesos de fabricación aditiva: electrodeposición, procesos químicos, AM…
Implica partir de un material base e ir añadiendo el material necesario hasta obtener la pieza deseada.
AM: Fabricación aditiva, normalmente por capas (ALM Additive Layer Manufacturing)
Fecha2
Filosofía AM:
Reducción de pasos intermedios.
Del CAD a la pieza terminada.
Del modelo CAD
…en un solo paso…(o tan pocos como sea posible)
… parte terminada
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Por qué la fabricación aditiva. Coste, Calidad, Tiempo.
Fecha3
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Nociones básicas: nuevo proceso de fabricación
Airbus IW
AIRBUS D&S-CATEC
Concepto del producto: El AM permite cambiar conceptos de diseño y reducir el
número de piezas, la masa o incluso fabricar cosas que antes eran simplemente
imposibles. Aplica a Componentes RF, Mecanismos, Herrajes, Soportes, Utillaje, etc.
Producción: Las tecnologías de fabricación son diferentes, desde la elección del
material base hasta los procesos de consolidación de piezas
Verificación y Calidad: Verificar las piezas y los procesos y certificar su calidad
requiere de nuevos conceptos y procedimientos.
AIRBUS D&S-CATEC
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Nociones básicas: algo de historia
1. Rapid prototyping (1980s)
2. 3D Systems Stereolitography (1987): polímero
líquido solidificable por luz UV
3. Laser Sintering (LS) y Material Deposition Extrusion
(MDE) 1990s: material plástico.
4. Aeromet Corporation (MTS Systems): ALM con
polvo de Titanio (1997).
5. Comienzos de los 2000: Laser Melting y Electron
Beam Melting con Al, Ti, Acero y otros metales.
6. Cerámicos y compuestos también en el punto de
mira en esta década.
El primer sistema de estereolitografía, inventado por
Chuck Hull. Foto circa 1986.
Uno de los primeros intentos de fabricación por SLS
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Principales procesos ALM. Clasificación ASTM
Fecha6
Vat photopolymerizationUn proceso ALM en el que un líquido fotosensible en una cuba es
curado selectivamente mediante polimerización activada por luz.
Material jettingUn proceso ALM en el que gotas de material son depositadas
selectivamente
Binder jettingUn proceso ALM en el que un líquido aglutinante es depositado
selectivamente para unir material en polvo.
Material extrusionUn proceso ALM en el que el material es selectivamente depositado a
través de una tobera u orificio.
Powder bed fusionUn proceso ALM en el que energía térmica funde selectivamente
regiones del lecho de polvo.
Sheet laminationUn proceso ALM en el que láminas de material son unidas para formar
un objeto.
Directed energy depositionUn proceso ALM en el que los materiales son depositados mediante
fusión por energía térmica dirigida.
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Nociones básicas: tecnologías y procesos AM
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ALM Revisión de la tecnología y aplicaciones a nuestros productos
Nociones básicas: Aplicabilidad de los procesos AM.
Sheet lamination
Binder jetting
Prototipos
moldes
fundición y
núcleos
Material jetting
VAT photo polymerization
Material extrusion
Power bed fusion
Direct Energy deposition
Herramientas
plantillas y
accesorios Piezas
previas
Componentes
finalesReparación
de piezas
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Aplicaciones
Lanzadores
Vehículos reutilizables
Satélites y sondas
Desarrollos en baja gravedad
Vehículos tripulados
Exploración lunar
Colonización planetaria
Aleaciones metálicas
Aluminio Titanio Niquel- cromo Aceros
• AlSi12
• AlSi10Mg
• AISi 7Mg
• Scalmalloy RP
• Titanio puro
• TiAl6V4
• Inconel 718
• Inconel 625
• Steel 1.2709
• Steel 1.4404 (316L)
• Steel 1.2344 (H 13)
• Steel 1.4542 (17-4PH)
Nociones básicas : Uso en aplicaciones espaciales
Procesos
Powder Bed Fusion Directed Energy Deposition
• Direct Metal Laser Sintering (DMLS)
• Selective Laser Melting (SLM)
• Electron Beam Melting (EBM)
• Laser Engineered Net Shaping (LENS)
• Direct Metal Deposition (DMD)
• Laser Consolidation (LC)
NEAR FUTURE
DEVELOPMENTS
POWDER BED
FUSION
DIRECT ENERGY
DEPOSITIONBINDER JETTING SHEET LAMINATION
MATERIAL
EXTRUSION
MATERIAL
JETTING
VAT PHOTO
POLYMERIZATION
HIGH SPEED
SINTERING HSS
SELECTIVE LASER
PRINTING SLP
METAL PRINTING
PROCESS MPP
FUSED DEPOSITION
MODELLING FDM
SELECTIVE LASER
SINTERING SLS
THREE-DIMENSIONAL
PRINTING 3DP
PRINTOPTICAL
TECHNOLOGY
POLYJET
MULTI JET
MODELLING MJM
T-BENCHTOP
STEREOLITHOGRAO
HY SL
DIGITAL LIGHT
PROCESSING DLP
FILM TRANSFER
IMAGING FTI
LITHOGRAPHY-BASED
CERAMIC
MANUFACTURING LCM
ULTRASONIC
CONSOLIDATION
LAMINATED OBJECT
MANUFACTURING LOM
POLYMER
OTHER /
HYBRIDS
ION FUSION
FORMATION IFF
DIRECT METAL
LASER
SINTERING DMLS
SELECTIVE LASER
MELTING SLM
ELECTRO BEAM
MELTING EBM
DIRECT METAL
DEPOSITION
LASER ENGINEERING
NET SHAPING LENS
LASER DEPOSITION
LASER
CONSOLIDATION
ELECTRON BEAM
DIRECT MELTING
EBDM
M-PRINT / M-LAB
METAL
LIQUID BASE
POWDER /
WIRE BASED
SOLID BASE
RAW MATERIALS
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Laser Beam (DMLS) y Electron Beam (EBM). Procesos “powder bed”.
VENTAJAS
• Permite fabricar geometrías anteriormente imposibles.
• Excelente capacidad de reacción: del CAD a la pieza en horas o días, no semanas.
• Reducción de costes tanto recurrentes como no particularmente con materiales caros y geometrías complejas.
• Muy buena precisión en la deposición de material
• Buen acabado superficial, que se puede complementar con procesos posteriores.
• Buenas propiedades del material, comparables a las piezas obtenidas por procesos convencionales.
• Excelente aprovechamiento de la materia prima (fly-to-buy ratio)
• Emplea tecnología actualmente comercial
• Operación automática
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• Limitación de ratios de producción (g/hora) de los sistemas actuales. Determinación del coste especifico
real (desde la compra del polvo hasta el acabado final de pieza e inspecciones)
• Determinación exacta del impacto de los siguientes aspectos en las propiedades del material:
anisotropía, defectos internos, microcraking y fatiga, estructura de grano y efecto en creep, acabado
superficial y efecto en fatiga, etc.
• Limitación del tamaño máximo de pieza: 800 x 600 x 400 mm (Power-bed systems).
• Suministro de materia prima: pocos suministradores aprobados en el mercado aeroespacial, plazos de
suministro del Ti64, problemas técnicos en las aleaciones de níquel, etc.
• Distorsión térmica durante la fabricación y cómo gestionarla / reducirla.
• Optimización del Diseño / Modelado FE con predicción de distorsiones en la forma, tensiones residuales,
microestructura del material, porosidades, coste de producción…
• Control de variabilidad del proceso (para reducir coste de control): entre coladas, entre lotes de una
misma pieza, entre operarios, entre máquinas…
Problemas actuales. Puntos abiertos
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1. Materias primas. Propiedades. Especificación de compra. Recepción.
2. Propiedades básicas del material procesado. Caracterización. Datos para Análisis.
3. Consideraciones de diseño. Nueva mentalidad. Optimización topológica y análisis
4. Documentación de las piezas. Modelos para ALM y para post-procesado (mecanizado…). Requisitos a
poner en los planos (geométricos, rugosidad, zonas locales mecanizadas…).
5. Ejecución del proceso: establecer el Proceso Básico (documentación, ejecución y control del Proceso)
6. Puntos de control de proceso: probetas de control de “colada”, probetas de control de tratamientos
térmicos, registros de inspección, etc.
7. Post-procesado de las piezas (Mecanizado, shot peening, vibration grinding, tratamiento térmico, etc)
ALM. Factores a considerar en su implantación real
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Diseño por ALM. Nueva mentalidad.
• Determinar las potencialidades del ALM para nuevos diseños y para evolucionar los actuales en los productos.
• Determinar qué limitaciones vienen impuestas al diseño debido a la tecnología de fabricación empleada (mecanizado
convencional, electroerosión, chapistería, etc.)
• Redactar una Guía para el diseñador, resumiendo en qué consiste la tecnología ALM, describiendo sus capacidades y
dando recomendaciones de cómo aprovecharla (formas no mecanizables, enrejillados, optimización de masa vs
propiedades mecánicas)
• Incluir en la Guía información de lo que no es posible: exceder de cierto tamaño, materiales aún no caracterizados, etc.
• Determinar el modo de documentar el Diseño de las pieza a fabricar mediante esta tecnología y traspasar a Fabricación
los requisitos a cumplir.
• Definición Doble modelo 3D: modelo previo para ALM y modelo de geometría definitiva a obtener (postprocesado
mediante mecanizado)
• Definición de requisitos geométricos y de acabado a describir: zonas con y sin postprocesado (mecanizado), tolerancias
de las diferentes zonas, zonas de rugosidad, etc.
• Tratamientos posteriores: recubrimientos, tratamientos térmicos, acabados superficiales, etc.
Fecha13
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Materiales de rejilla, baja densidad y porosos
Estructuras
reticuladas
“lattice”
Metales de baja
densidad y/o
porosos
Full dense approach Ordered porous approach
Parámetros asociados a la fabricación
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Brackets de Ti para FSA ESA (2011): Calificados conjuntamente con las torres
FLPP 2.2 ESA AM para lanzadores(2012) Fabricación de probetas para ensayos
Diseño y fabricación de demonstradores
Diseño, fabricación y ensayo funcional banda
Socio: CATEC
ARA-MK4 (2014) Substitución/optimización de un diseño en AL por Ti
con ahorro de masa y coste.
Desarrollo procedimiento de calificación de procesos basado en pieza..
Desarrollo en cooperación y con el apoyo con Dutch Space
Fabricante CATEC. Diseño : ADS
Calificación en AR-MK4 efectuada y también para Paneles Quantum
Proyectos (1)
AM Fabricacion Aditiva ASE STATUS
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AM Fabricacion Aditiva ASE STATUS
Proyectos (2)
Optimización soportes rueda de inercia SEOSAT (2015)
Optimización y fab. bracket Hipparcos (2015)
Banda 380 ALM (2016)
Bracket antena Quantum. (2016)
Utillaje: Varios subcontratistas han propuesto diseños AM para útiles
auxiliares, de posicionado y de conformado de composites.
Desarrollo para satélites Cheops, Ceres y Juice y de
estructuras secundarias para lanzadores (2017)
(conjuntamente con CITD y CATEC)
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Aplicaciones actuales y conclusiones
En materiales orgánicos (resinas, plásticos, etc...):
• Rapid prototyping para desarrollos en marcha
En metal:
• Aplicaciones en RF
• Brackets de satélites en Scalmalloy, aluminio y titanio
rediseñados con optimización topológica.
• Estructuras de soporte y secundarias de pequeño tamaño, en
lanzadores.
Consideraciones finales para su implementación efectiva:
• Estandarización de procesos para su aplicación efectiva en el campo espacial
• Desarrollo de nuevas reglas de diseño y metodologías de cálculo. Uso masivo de la optimización topológica
• Mejorar la base de datos de conocimiento. Implementación de nuevas aplicaciones y procesos compatibles
con los nuevos diseños bionicos capaces de conseguir reducciones de peso de hasta el 50%.
• Integración y ubicación organizativa dentro de las empresas.
Cortesía de Altair Engineering
