Fabricación Aditiva: La nueva tecnología que está revolucionando la fabricación industrial

¿Qué es la Fabricación Aditiva?

La fabricación aditiva, o  impresión 3D como se conoce más comúnmente, ha revolucionado el proceso moderno de producción y diseño. Desarrollada inicialmente en 1988 para la creación rápida de prototipos en la industria del automóvil, la fabricación aditiva permite producir objetos físicos tridimensionales directamente desde un archivo de ordenador mediante la deposición capa por capa. La impresión en 3D contrasta fuertemente con el mecanizado substractivo tradicional, que se basa en la eliminación de material del sustrato para producir el producto final.

La fabricación aditiva tiene muchas ventajas sobre la fabricación substractiva pudiendo destacar:

✅ Reducción de los desechos.

✅ Aumento de la complejidad interna.

✅ Eliminación de la necesidad de utilizar herramientas específicas para cada producto.

Sin embargo, el proceso de fusión que implica la deposición directa del material también puede producir defectos que históricamente han limitado la utilidad de las impresoras 3D a aplicaciones del tipo de creación de prototipos, sin llegar a ser procesos escalables. Estos defectos suelen ser el resultado de una amplia variedad de factores, entre estos factores, la inestabilidad del baño de fusión, la deformación térmica inesperada, las anomalías ambientales y las fluctuaciones de las fuentes de energía son los más comunes.

   Metodologías más comunes en la fabricación aditiva

Hay dos principales metodologías empleadas en las impresoras 3D modernas de deposición directa de metales:

✅ Fusión en lecho de polvo por láser (LPBF).

✅ Deposición de energía dirigida (DED).

  Ambas técnicas se basan en un láser de alta potencia,  láser de CO2 o de fibra, para fusionar el metal en polvo en un patrón preprogramado, capa por capa, hasta construir el producto final deseado.

En el LPBF, toda la plataforma se cubre uniformemente con una fina capa de polvo, y el láser escanea a través del soporte usando espejos galvanométricos y una lente de enfoque f-theta. Después de la fusión de cada capa, la plataforma se desplaza hacia abajo, y el proceso se repite hasta que se completa la construcción de la pieza final.

Por el contrario en el DED, el láser se enfoca en una posición fija con chorros de polvo dispuestos en el ángulo apropiado para interactuar con el foco del láser. El sustrato se coloca en un posicionador X-Y-Z y el láser imprime, capa por capa.

En la actualidad, el procesamiento DED parece es el método predominante para la deposición directa del metal debido a su alto rendimiento, bajo desperdicio y mayor volumen de construcción. Sin embargo, el LPBF se sigue utilizando para aplicaciones de alta precisión cuando se requieren alturas de capa inferiores a 250 mm.

Materiales utilizados en la fabricación aditiva

En la actualidad, las opciones predominantes para los materiales de fabricación de aditivos metálicos son Ti-6Al-4V, AlSi10Mg, aceros (incluidos los inoxidables) e Inconels (Ni-aleaciones), tanto para impresoras LPBF como DED.

Sin embargo, aunque ambos métodos de deposición son capaces de procesar todos estos materiales, a diferencia del LPBF, el DED también puede utilizar la tecnología de alimentación por hilo. Al utilizar una alimentación por hilo, los cabezales de las impresoras DED pueden utilizar una gama aún más amplia de materiales para impresoras a un precio más bajo. Por ejemplo, el polvo de acero inoxidable 316 de grado de fabricación aditivo cuesta, en promedio, el doble por libra que el alambre de acero inoxidable 316. La única desventaja de un alambre es que la resolución del sistema está entonces necesariamente limitada por el grosor del alambre, típicamente del orden de 1 mm de diámetro.

Control y monitorización de la fabricación aditiva

En consecuencia, las técnicas de vigilancia y monitorización en tiempo real son esenciales para reducir las tasas de desechos y aprovechar plenamente los  beneficios de la fabricación con aditivos.

La vigilancia es especialmente importante para la impresión tridimensional de los metales, no sólo por el aumento del coste de la materia prima de los materiales sino también por los puntos de fusión extremadamente altos. Afortunadamente, las altas temperaturas utilizadas en la impresión 3D de metales permiten la integración de la espectroscopia de emisión óptica pasiva (OES).

Aplicaciones de la fabricación aditiva

El uso de la fabricación aditiva está creciendo enormemente es industrias de alta tecnología.  Las principales industrias que se están beneficiando de las ventajas de la fabricación son las industrias de dispositivos médicos, aeroespacial y automotriz.

1️⃣ La industria médica está construyendo implantes altamente personalizados para aplicaciones dentales y ortopédicas. Dado que la fabricación aditiva elimina el coste de las herramientas y el montaje, los médicos no tienen que preocuparse por escalar el precio de la prótesis ya que el coste de fabricar una pieza única e individualizada es el mismo que el de un diseño simple.

2️⃣ La industria aeroespacial ha sido pionera en adaptar la fabricación aditiva a sus procesos de fabricación.

Actualmente muchos aviones comerciales vuelan con piezasimpresas en 3D. Estas piezas tienen menor peso que sus predecesoras y pueden llegar a ser hasta cinco veces más duraderas. Esto proporciona beneficios sustanciales en cuanto a la economía de combustible y la reducción de las emisiones de carbono de las aeronaves y  el suministro y la producción.

La impresión 3D también ha permitido a las industrias realizar fabricaciones muy complejas. Un ejemplo claro son los intercambiadores de calor. Estos dispositivos tienen un gran número de tubos finos y otras entradas para hacer pasar el fluido caliente de un lado y el fluido frío por el otro, para su montaje se requiere soldar las aletas de enfriamiento e insertarlas en una caja hermética. Es un proceso de fabricación laborioso y que requiere mucho tiempo y en el que es fácil producir daño a la pieza. La fabricación aditiva permite producir intercambiadores de calor en una sola pieza reduciendo tiempos, costes y posibilidades de fracaso.

 OES en la fabricación aditiva

Basándose en la geometría de los dos principales procesos de fabricación aditiva para la impresión en 3D de metales que acabamos de mencionar, es fácil ver por qué la OES es una herramienta tan atractiva para el control del proceso. Actualmente se pueden integrar espectrofotometros en los cabezales de impresión para tener un control en tiempo real del proceso.  Los espectrómetros Avantes permiten desarrollar sistemas de control sin contacto para prevenir la excesiva transferencia de calor en el sustrato para reducir el trenzado del material, y reducir defectos y perdidas.

Para la adquisición de datos  OES para monitorizar el proceso de fabricación aditiva, el  espectrómetro utilizado requiere una excelente resolución espectral para diferenciar entre especies atómicas similares. Como resultado, el AvaSpec-ULS4096CL-EVO de Avantes es una elección ideal para esta aplicación. Este espectrómetro es capaz de proporcionar una resolución de 0,05 nm dentro del rango de 200 nm a 400 nm usando una rendija de entrada con 3600 líneas por mm.

Además, el AvaSpec-ULS4096CL-EVO viene equipado con un detector CMOS, que es ideal para este tipo de aplicaciones, debido linearidad en un amplio rango dinámico en comparación con los detectores CCD. Combinado con el disparo electrónico de alta velocidad patentado por Avantes, las tasas de transferencia de datos y las capacidades de E/S analógicas y digitales, la serie AvaSpec puede proporcionar una integración perfecta en los sistemas de inspección de alta velocidad.

Además contamos con soluciones OEM para clientes que desarrollen sus propios sistema de control y monitorización de fabricación aditiva permitiendo una implementación sencilla