Fabricación Aditiva de Metales:

Aplicaciones industriales de

WAAM, LMD y 3DP

Dr. Iñigo Agote

Donostia, 7 de Marzo de 2018

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Fabricación aditiva Mediante aporte de

polvo fundido: LMD (Laser Metal

Deposition)

Fabricación aditiva Mediante aporte de

hilo metálico: plasma (WAAM)

Binder Jetting

Fabricación aditiva Mediante aporte de

hilo metálico: plasma (WAAM)

Binder Jetting

Fabricación aditiva Mediante aporte de

polvo fundido: LMD (Laser Metal

Deposition)

WAAM

…qué es el WAAM?

Es un proceso automático de soldadura donde además del plano XY también

se realiza en el eje Z.

• El arco eléctrico funde el material de aporte

• Se aporta hilo metálico que al fundirse se une con el material base para

formar un cordón.

• Se crean volúmenes superponiendo cordones.

• Se mecaniza la superficie para el acabado final

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

▪ Aleaciones de Ti

▪ Aleaciones base Ni.

▪ Acero inoxidables.

▪ Aceros estructurales.

▪ Aleaciones de aluminio.

▪ Stellite

WAAM no permite…

…estructuras complejas

…o libertad de diseño

… pero

El ahorro de material es alto: la relación “Buy to Fly” (BTF) es siempre <2

El plazo de fabricación/tiempo de entrega se reduce sustancialmente

No hay limitaciones de tamaño

WAAM

Sistemas Comerciales

Ventajas✓ Integrable en M-H✓ Integrable en robot✓ Alta productividad✓ Alta eficiencia de material

Desventajas Piezas con geometría de complejidad media Se requiere un mecanizado de acabado Elevadas tensiones residuales.

Máquina de WAAM de Gefertec GTarc3000-3 Máquina híbrida de WAAM de MAZAK VARIAXIS j-600AM

Máquina de WAAM de Mutoh Industries Value

Arc MA5000-S1

TECNOLOGÍAS Y SISTEMAS COMERCIALES

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ADDILAN-TECNALIA. Alianza Tecnológica para acelerar llegado a mercado células basadas en tecnología WAAM

El producto se presentará en la BIEMH

WAAM

Sistema Comercial “MADE IN “ EUSKADI

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AERONAUTICA

Norsk Titanium to Deliver the World’s First

FAA-Approved, 3D-Printed, Structural Titanium

Components to Boeing

WAAM: APLICACIONES INDUSTRIALES

Fuente

Fuente

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Costilla del tren de aterrizaje

Tiempo de deposición 24 horasEstructura del “flap”

Tiempo de fabricación 2 díasPeso: 9,0KgBTF: 6,3:1

AERONAUTICA

WAAM: APLICACIONES INDUSTRIALES

COMPONENTE: Front Fitting (210 x 150 x 125 mm aprox)PROCESO: WAAM

MATERIAL: Ti-6Al-4V

BTF Coste (k€) Reducción Coste

Mecanizado 45 4.9 ----

WAAM 2.9 1.7 65%

Fuente

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AERONAUTICA

COMPONENTE: Moldes de alta estabilidad dimensional para conformado de composites:

MATERIAL: Invar

Fuente

Sistema de reparación

“in-situ” en desarrollo

WAAM: APLICACIONES INDUSTRIALES

ESPACIO

300mm

COMPONENTE: Estructura del espejo del telescopio: Misión ATHENA

MATERIAL: Ti-6Al-4V

NAVAL

WAAMpeller 180 kgCOMPONENTE: Helices de barcos: proceso más rápido, y eficiente

PROCESO: WAAM

MATERIAL: Aleación Níquel-Aluminio-Bronce

WAAM: APLICACIONES INDUSTRIALES

Fuente

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OIL & GAS

COMPONENTE: sistemas de fondeo de plataformas off shore

PROCESO: WAAM

MATERIAL: ACERO

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Fabricación aditiva Mediante aporte de

hilo metálico: plasma (WAAM)

Fabricación aditiva Mediante aporte de

polvo fundido: LMD (Laser Metal

Deposition)

Binder Jetting

Laser Cladding o Laser Material Deposition (LMD)

Laser

Powderstream

Boquilla de aporte

Protectivegas

Addedmaterial

Powderstream

Melt pool

Aplicaciones▪ Reparaciones de piezas de alto

valor añadido▪ Recargues-obtención de

componentes multimaterial▪ Rapid manufacturing.▪ Hybrid manufacturing.▪ Recubrimientos.

Materiales▪ Aleaciones base Ni, Ti▪ Aceros de herramientas.▪ Acero inoxidables.▪ Materiales cerámicos. ▪ Aceros estructurales.▪ Aleaciones de aluminio.▪ Stellite

TECNOLOGÍAS Y SISTEMAS COMERCIALESLMD

El LMD es la combinación de 5 tecnologías:

• Tecnología Láser

• CAD

• CAM

• Sensórica

• Pulvimetalurgia

Se aporta polvo metálico que al fundirse mediante el láser

se une con el material base para formar una capa. La

superposición de capas de polvo crea volúmenes y como

resultado la pieza final.

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Sistemas Comerciales

Ventajas✓ Integrable en M-H✓ Integrable en robot✓ Gran versatilidad en la tecnología láser

Desventajas Baja eficiencia del material Piezas con geometría de complejidad media Se requiere un mecanizado de acabado Elevadas tensiones residuales.

Máquina híbrida de DMG Mori de Laser Cladding+ mecanizado

Máquina híbrida de Mazak de Laser Cladding+ mecanizado

Máquina Be-AM. Célula LDM

Máquina Trump. Célula LDM:TruPrint 5000

(multilaser)

LMD

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LMD

Máquina híbrida de Ibarmia de Laser Cladding+ mecanizado: ZVH45/1600 ADD+PROCESS HYBRID MACHINE

Desarrollo realizado entre la UPV/EHU, IBARMIA y TECNALIA

Sistema Comercial “MADE IN “ EUSKADI

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Fabricación de partes de piezas

COMPONENTE: Ejes.

PROCESO: LMD,

MATERIAL: Acero Inox.

Fuente

LMD: APLICACIONES INDUSTRIALES

15 ▌Fuente

Husillo de Extrusión de caucho

LMD: APLICACIONES INDUSTRIALES

Reparación o recargues

Troquel de Estampación

Antes

después cladding

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Álabe de 245mm de longitud

Álabe

Fabricación de piezas completas

LMD: APLICACIONES INDUSTRIALES

Fuente

Álabe de turbina fabricado por Laser Claddingen Inco718: dcha) Near-net-shape

izq) mecanizado de acabado

Fuente

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17 ▌17 ▌

Fabricación aditiva Mediante aporte de

hilo metálico: plasma (WAAM)

Binder Jetting

Fabricación aditiva Mediante aporte de

polvo fundido: LMD (Laser Metal

Deposition)

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Proceso de Impresión

Curado

Sinterizado

Infiltración

Pieza Final

SinterizaciónCompleta

Aglomeradas

Infiltrada

+Polvo Ligante

Qué es el Binder Jetting?

Componentes Densos

Pie

za e

n v

erd

e

Componentes poroso

Componentes Multimaterial

SinterizaciónParcial

3DP: BJ

Metales: Aceros Inoxidables,Aleaciones base NiAleaciones de TiAleaciones de AlAleaciones de CoMetales refractarios: W, Ta,…Aleaciones de Cu…

Cerámicas: WC-Co,Al2O3ZrO2SiCArenas,Vidrio,…

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Existen dos tipo obtención de componentes mediante BJ

Fabricación Directa

La pieza final se obtienen

directamente del proceso

de impresión

Fabricación Indirecta

El proseos de impresión

fabrica un elemento (moldes

de arena) que posteriormente

se utiliza para obtener la pieza

final por medio de otros

procesos.

3DP: BJ

3DP: BJ: APLICACIONES INDUSTRIALES

Fuente

Fabricación Indirecta

Moldes de arena para procesos de

fundición: Bloque motor

Moldes de arena para procesos de fundición:

Bombas de agua

Método TradicionalTiempo de fabricación: 6 semanas Coste: 8,000-40,000 €

Binder JettingTiempo de fabricación: 1 semana Coste: 400-6,000 €

Ahorro de más del 85%

Moldes de arena para procesos de

fundición: Caja de transmisión

Método TradicionalCoste: 15,000-20,000 €

Binder JettingTiempo de fabricación: 4 horasCoste: 1,500€

Ahorro de más del 50%

21 ▌Fuente

Utilización del Binder Jetting para obtener componentes de series cortas de altacomplejidad geométrica: proceso complementario al MIM (Metal Injection Moulding).

MIM:

Altas series

Coste del utillajeBJ:

Series cortas- piezas unitarias

No utillaje

Time to market

Prototyping

Densidad <96%

UTS: 520MPa

Ra = 10µm

3DP: BJ: APLICACIONES INDUSTRIALES

Fabricación Directa: SERIES CORTAS COMPLEJIDAD GEOMÉTRICA ALTA

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Fuente

Obtención de Herramientas especial a cotas finales (net-shape o near net-shape): la etapa demecanizado de la parte activa de las herramientas de corte es tediosa, larga y cara. Obtenerpiezas prácticamente a cotas finales de materiales duros (Metal Duro: WC-Co) permitirápersonalizar las herramientas sin coste adicional y reducir drásticamente los plazos de entrega.

Proceso Convencional:

Materiales en barras obtenido por PM

Mecanizado de las preformas para obtener la herramienta.

BJ:

Herramienta especial

Net-shape

No utillaje

Time to market

Prototyping

Material con las mismas propiedades

Densidad <99%

HV: 1885 HV30

K1c: 10,2 MPa m0.5

3DP: BJ: APLICACIONES INDUSTRIALES

Fabricación Directa: FABRICACIÓN DE HERRAMIENTA DE CORTE

Fuente Fuente

23 ▌Fuente

Proceso Actual:

BJ:

Permite obtener estructuras con gran superficie especifica y alta complejidad a un coste muy competitivo

Sinterizado de mesh o sinterizado de metal.Conformado de tubos, perfiles,…

Limitaciones en al complejidad geométrica

3DP: BJ: APLICACIONES INDUSTRIALES

Fabricación Directa: SISTEMAS DE GESTIÓN TÉRMICA / ELÉCTRICA

Gran superficie especifica Alta complejidad

Aplicaciones EléctricasIntercambiadores de calor

3DP: BJ: APLICACIONES INDUSTRIALES

Fabricación Directa: APLICACIONES DIVERSAS

Joyería

Fuente

Industria Extractiva

Fuente

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MENSAJE FINAL

WAMM, LDM y BJ son procesos de fabricación aditiva con

aplicaciones industriales reales

• LMD: obtención de piezas de gran tamaño, reparación, fabricación

parcial y completa de componentes.

• WAAM: altas tasas de deposición, grandes componentes,

propiedades estructurales, ahorro de material prima y geometrías

con complejidad media.

• BJ: Diseños funcionales (geometrías complejas, componentes), alta

productividad, amplia gama de materiales, piezas multimaterial,

personalización en serie.

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