Universidades y centros europeo están ya trabajando en el desarrollo y comercialización de cabezales concéntricos para hilo

Impresión 3D de componentes metálicos mediante láser cladding en hilo

Joseba Pujana, Carlos Soriano, Ik4-Tekniker19/03/2018

La deposición directa de metal por láser, también conocido en inglés como laser cladding o Laser Metal Deposition (LMD), es una tecnología que hasta fechas muy recientes se ha venido aplicando mediante polvo metálico. La impresión 3D de objetos por deposición es relativamente más sencilla al utilizar polvo que hilo metálico. Sin embargo, el desarrollo reciente de cabezales coaxiales de deposición por hilo (figura 1) confiere una flexibilidad de proceso asociada a la libertad de movimiento y generación de trayectorias que los cabezales de LMD basados en hilo lateral no disponen. Universidades y centros europeos, entre los que se incluye Ik4-Tekniker están ya trabajando en el desarrollo y comercialización de cabezales concéntricos para hilo.

Entre las ventajas más claras de la utilización del hilo con respecto al polvo se pueden mencionar: i) una mayor eficiencia energética del proceso, ii) una mayor eficiencia másica del proceso alcanzado un 100% de eficiencia con el hilo mientras que con el polvo ronda el 60-80%, iii) un menor coste de la materia prima y iv) un incremento de la calidad estructural del material depositado como consecuencia de menores tasas de atrapamiento de gas y poros.

Figura 1: Impresión 3D de un perfil de álabe en acero inoxidable mediante LMD de hilo coaxial en las instalaciones de Ik4-Tekniker.

Estas características permiten que la técnica de LMD de hilo concéntrico se postule como la tecnología con más futuro de cara a la fabricación de componentes estructurales de gran tamaño en aplicaciones aeronáuticas y energéticas. La industria aeronáutica se ha planteado, desde la irrupción en el mercado de las tecnologías de fabricación aditiva, que los componentes de alto valor añadido y con grandes vaciados, altos ratios buy-to-fly, puedan ser fabricados mediante procesos híbridos. Es más competitivo depositar una preforma y mecanizarla que mecanizar todo el volumen. Véanse como ejemplo los componentes de la figura 2, fabricados por Starrag para Airbus.

Figura 2: Componentes de Ti64 para el Airbus A350 mecanizados partiendo de tocho.

El mayor obstáculo en la fabricación híbrida de componentes es el aseguramiento de la calidad estructural del mismo. A este respecto, las tecnologías aditivas basadas en la fusión directa de hilo mediante arco eléctrico WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing) o a través de un haz de electrones EBAM (Electron Beam Additive Manufacturing) ya están siendo aplicadas en el sector aeronáutico y de defensa. Por otro lado, la irrupción de la tecnología de LMD de hilo concéntrico ofrece claras ventajas para la industria como son unas menores diluciones del material depositado en el material base y una aplicación más controlada del calor. Este hecho implica que la preforma del componente a mecanizar sea mucho más ajustada a la pieza final cuando se utiliza el proceso de LMD con hilo que al utilizar WAAM o EBAM. Por otro lado, una aplicación más controlada de calor genera menores distorsiones asociadas al proceso de solidificación que afecta positivamente en una menor utilización de materia prima y posterior mecanizado. Así, se estima que los procesos de LMD pueden ser entre un 15 y 30% más eficientes en la consecución de geometrías ‘near-net-shape’ que aquellos fabricados mediante WAAM o EBAM. En la figura 3 se muestran algunas de las geometrías ‘near-net-shape’ que se han fabricado en Ik4-Tekniker utilizando el LMD en polvo.

Figura 3: Fabricación de distintas geometrías y materiales por LMD. a) Acero inoxidable, pared gruesa; b) Acero inoxidable, pared fina; c) Deposición de inconel; d) Mecanizado de inconel.

Con el objeto de que en un futuro próximo se puedan fabricar y certificar componentes aeronáuticos mediante tecnología híbrida, los ámbitos de trabajo más prominentes en LMD de hilo están centrados en un aumento de las tasas de deposición del proceso, desarrollo de cabezales de mayor potencia (los actuales están limitados a 5 kW), desarrollo de procesos de control en lazo cerrado y reforzar el área de ensayado de componentes. Por último, cabe mencionar que la compañía Boeing ya ha utilizado la tecnología de fabricación híbrida, más concretamente el proceso WAAM, para la certificación (FAA) de componentes fabricados mediante deposición de hilo. El LMD de hilo es una tecnología nueva y de futuro que crecerá irremediablemente de acuerdo a su potencialidad tecnológica asociada a componentes estructuralmente críticos.