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7 marzo 2018

Introducción a la Fabricación Aditiva

Introducción a la Fabricación Aditiva (FA)

• ¿Qué es la Fabricación Aditiva?

• Tecnologías de FA

• El proceso

• Aplicaciones y sectores

• Ventajas

• Limitaciones

• Cierre

Tecnologías de fabricación

• Sustractivas:o Quitar material de un bloque hasta conseguir la geometría deseada

• Arranque viruta (fresado, taladrados, etc.)

• Electro erosión

• Etc.

• Formativas:o Dar forma a un material hasta conseguir la geometría deseada

• Inyección

• Fundición

• Estampación

• Etc.

Fuente imágenes: Wikipedia

Tecnologías de fabricación

• Aditivas

Fuente: www.taste.com.au

¿Qué es la Fabricación Aditiva?

• Es un proceso donde se fabrica un objeto físico mediante la deposición capa a capa de material en base un modelo virtual CAD en 3D.

Fabricación Aditiva

• Es el nombre oficialo ASTM International F42 Committee

Clasificación (ASTM F2792-12a)

• Hay siete categorías:o Extrusión de material

o Foto polimerización de cubeta

o Fusión de cama de polvos

o Inyección de material

o Deposición de energía dirigida

o Inyección de aglutinante

o Laminación de hojas

Fuente imagen: hybrid manutech.com

Clasificación

Categoría Funcionamiento Materiales

Extrusión de material Filamento extruido por orificio Polímero y metal

Foto polimerización de cubeta Luz solidifica selectivamente resina Polímero

Fusión de cama de polvosEnergía térmica une regiones de unacama de polvos

Metal y polímero

Inyección de material Deposición de gotas Polímero y ceras

Deposición de energía dirigidaEnergía térmica dirigida para fundir y unir partículas

Metal

Inyección de aglutinante Aglutinante para unir partículasPolímero, metal y cerámico

Laminación de hojas Rebanadas de material unidas Metal y polímero

Fabricación AditivaEl proceso

Fases de la FA

1. Crear el modelo 3D en CAD

2. Exportar el modelo 3D a un “formato geométrico”

3. Revisar y reparar el modelo exportado

4. “Cortar en rebanadas” el modelo

5. Generar las estructuras soporte

6. Impresión del modelo físico

7. Eliminar las estructuras soporte

8. Post-proceso del modelo impreso

Dispositivo de FA

Fases de la FA

1. Crear el modelo 3D en CADo Autodesk (AutoCAD, Inventor)

o Dassault System (CATIA, SolidWorks)

o Siemens (NX, SolidEdge)

o PTC (CREO)

o Rhinoceros

o Etc.

Fuente logos: Wikipedia

Fases de la FA

2. Exportar el modelo 3D a un “formato geométrico”o Cada CAD tiene su propio formato nativo, pero…

o Necesitamos un formato universal para cargarlo en cualquier impresora 3D

• STL, VRML, AMF

o La superficie exterior queda definida por un conjunto de triángulos que comparten lados

Fases de la FA

3. Revisar y reparar el modelo exportado

Fases de la FA

4. “Cortar en rebanadas” el modeloo Cargar el STL en el ordenador de apoyo de la impresora

o Elegir la orientación de impresión

Sin nada debajo, estacapa (y las situadas

encima) se caerán

Fases de la FA

5. Estimar las estructuras soporte

Material que soporta los voladizos

Fuente imagen: WikipediaAutor: PranjalSingh IITDelhi

Fases de la FA

6. Impresión del modelo físicoo Tiempo depende del tamaño, de la orientación y de la tecnología

Fases de la FA

7. Eliminar las estructuras de soporte

Fases de la FA

8. Post-procesadoo Unir piezas

o Suavizado de superficies

• Chorreado de arena

• Lijado

o Pintado

o Recubrimientos metálicos

o Texturizado

o Mecanizado

o Etc.

Fuente imagen: Zotrax.com Fuente imagen: Tct magazine

Fabricación AditivaAplicaciones y sectores

¿Para qué se usa la Fabricación Aditiva?

• Prototipado Rápido ó Rapid Prototyping (RP)o Mejorar nuevos productos. Ensayos.

• Utillaje ó Rapid Tooling (RT)o Como ayuda para crear prototipos con otras tecnologías

• Fabricación Digital Directa ó Direct Digital Manufacturing (DDM)o ¿Por qué no aplicar la Fabricación Aditiva para piezas funcionales?

Fuente imagen: Renishaw

Aplicaciones

Fuente: Wholers report 2015

Apoyo visual (RP) 10%

Presentaciones producto (RP) 8%

Ajuste y ensamblajes (RP)

18%

Utillaje indirecto (RT) 10%

Utillaje directo (RT) 14%

Fabricacion directa (DDM) 29%

Educación/investigación 9%Otros 2%

Sectores

Fuente: Wholers report 2015

Gobierno/militar 7% Arquitectura 3%

Otros 4%

Automoción16%

Aeroespacial 15%Industria 17%

Productos de consumo 17%

Médico 13%

Académico 8%

Industrial

• Utillaje para mejora de procesos tradicionales:o Moldes con conformal cooling (metal, plástico)

o Insertos

Fuente imagen: Foundrymag Fuente imagen: Eos & ecopartsFuente imagen: Leolane

Automoción

• Prototipado rápido

• Fabricación directa (menos, debido al gran volumen de piezas)

Fuente imagen: MichelinFuente imagen: SPI Lasers

Aeroespacial

• Fabricación directao Minimizar el buy-to-fly ratio

o Minimizar peso

Fuente imagen: General Electric Fuente imagen: 3Dprint

Médico

• Fabricación directa de piezas personalizadas al paciente

Fuente imagen: Phys.org

Fuente imagen: Renishaw

Fabricación AditivaVentajas

La FA ofrece importantes ventajas

• Complejidad geométrica

• Sin utillajes

• Conjuntos móviles

• Reducción de piezas

• Múltiples materiales

• Reducción del tiempo de diseño

• Reducción del material desperdiciado

Complejidad geométrica: manual

• La fabricación capa a capa permite conseguir piezas muy complejas

• Complejidad = imaginación + habilidad para modelado 3D

Fuente imagen: Intrinsys

Complejidad geométrica: Opt. topológica

• Optimizar la geometría para:o Reducir peso

o Minimizar desplazamientos

o Minimizar superficie

o Etc.

• Software:o Altair Optistruct

o Materialise 3-matic

o Abaqus Tosca

Complejidad geométrica: Estructuras lattice

• Mucho aire, poco material y siguiendo un patrón

Fuente imagen: 3DPrint Fuente imagen: Dragonfly

Complejidad geométrica: ¿Cuándo?

Piece cost

Complexity

Conventional manufacturing

Additive manufacturing

Breakeven point

Sin utillajes

• Geometrías únicas sin coste añadido de utillaje

Fuente imagen: Stratasys

Piezas únicas: ¿Cuándo?

Piece cost

Units manufactured

Conventional manufacturing

Additive manufacturing

Breakeven point

Conjuntos móviles

• Se pueden imprimir piezas ensambladas

Fuente imágenes: blog.stratasys.com

Reducción de piezas

• Inyector de un motor de avióno Cada motor tiene 19 inyectores

o Se redujeron las uniones de piezas a solo 5

o 5 veces mas duradero que el original

Fuente imagen: www.gereports.com/post/80701924024/fit-to-print

Múltiples materiales

• Piezas “rígidas” y “blandas” en la misma bandeja y en el mismo conjunto

Reducción del tiempo de diseño

• Probar diferentes soluciones en menos tiempoo Imprimir, probar, imprimir, probar, imprimir, probar, imprimir, probar, etc.

Reducción del material desperdiciado

Subtractive Manufacturing

Additive Manufacturing

3D object

3D object

Scrap

Scrap

Fabricación AditivaLimitaciones

La FA tiene limitaciones

• Diseño en detalleo Modelado 3D

o Dispositivo de FA

• Pre-procesoo Generación del STL

• Post-procesoo Limpieza

o Mecanizado

Modelado 3D

• Modelos CAD de alta calidado Modelar exactamente lo que se quiere imprimir

o Cualquier error se verá replicado en el STL

Modelado 3D

• Conseguir geometría “watertight”o ¿Tiene el modelo 3D un volumen en mm3?

o Modelando con técnicas de sólido no hay problema

o Cuidado con formas complejas creadas con técnicas de superficies

Dispositivo de FA: Resolución

• Cada impresora 3D tiene una resolución mínima que indica cómo de pequeño se puede imprimir un objeto

Fuente imagen: 3dprint.com

Dispositivo de FA: Precisión y repetibilidad

• Dos piezas no se imprimen exactamente igualeso De pieza a pieza en la misma bandeja e impresora

o De dos piezas en misma impresora pero en bandejas distintas

o De dos piezas en distinta impresora

Límites de algunas tecnologías

Orientación de impresión: tiempo y calidad

• El tiempo de impresión suele estar relacionado con la altura vertical (Eje Z)

• Efecto escalera

~ 1 hora

Efecto escalera

~ 5 hours

Sección más suave

Orientación de impresión

• La piezas no se comportan igual en todas las direcciones.

• Normalmente son más débiles en el eje vertical

Fuente datos: Anisotropy of Mechanical Properties of Products Manufactured Using Selective Laser Melting of Powdered Materials

Limpieza de soporte

• Varía en función de la tecnología de impresión

• Con las metálicas, en general más complicado

• Con otras, se puede eliminar a través del diseñoo Ej. En extrusión si el ángulo es >45º

Support Structure

No Support Structure

Fuente imagen: 3dhubs.com

Mecanizado

• Mejorar los acabados superficiales

• Ajustar las dimensiones

Fuente imagen: Eos

Cierre

• La Fabricación Aditiva no es la solución para todo

• Se debe considerar como otra tecnología de fabricación disponible

• A veces será beneficioso utilizarla y a veces no

• Cada caso es único y se tiene que analizar los pros y los contras

• Consulta a las empresas, centros tecnológicos, universidades

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7 marzo 2018

Introducción a la Fabricación Aditiva