www . i n t e r emp r e s a s . ne t Fabricación Aditiva #28 2023/1 La producción nos define Tecnologías Estereolitografía Sinterizado de poliamida Deposición de hilo Coladas al vacío Reaction Injection Moulding HP Multijet Fusion Industrias Aeroespacial Automoción Arquitectura Vant o Drons Packaging Fundición Médico Aplicaciones Electrónica Modelismo Relojería Complementos moda Papelería y escritorio Materiales Estereolitografía (SLA) Sinterizado de láser selectivo (SLS) Deposición de hilo (FDM) Coladas al vacío (moldes de silicona) MJF Acabados Acabados básicos Acabados de pintura Transparente Especiales Pau Clarís, 157 – 161 • 08205 Sabadell • Barcelona (España) • Tel.: (+34) 93 727 31 18 • E-mail: pantur@pantur.es • www.pantur.es Especialistas en Fabricación Aditiva e Impresión 3D industrial El futuro de la fabricación STENCILS PARA SMD PIEZAS DE PRECISIÓN FABRICACIÓN ADITIVA 3D
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ACTUALIDAD 6 El Instituto Fraunhofer aplica la tecnología EHLA a un sistema CNC de 5 ejes para la fabricación aditiva de componentes complejos 40 26 Tendencias y predicciones en fabricación 3D para 2023, según HP 8 Certificación de la fabricación aditiva metálica en el sector aeroespacial 10 Catec busca mejorar el comportamiento a fatiga de componentes de fabricación aditiva para aeroespacial 18 Recuperación de polvo AM automatizada para la industria de la ingeniería 20 Integración de una impresora multimaterial 3D de Aim3D en la cadena de procesos digitales CAx de Siemens NX 22 64 WOMEN IN 3D PRINTING Cada vez más y con más fuerza 26 Caracterización y reutilización del polvo metálico en procesos de fabricación aditiva sobre lecho de polvo 28 3DZ explica en Advanced Factories 2023 los beneficios y ventajas de la impresión y el escaneo 3D 31 Tecnología 3D de la mano de AsorCAD, en Advanced Factories 2023 32 Meltio lanza nuevas soluciones para facilitar el uso y la fiabilidad de su tecnología de impresión 3D de metal 34 Prima Additive expone sus tecnologías para el sector dental en la feria IDS de Colonia 38 Rentabilidad en la fabricación aditiva metálica 44 Stratasys firma un acuerdo con Ricoh para la impresión bajo demanda de modelos médicos 46 Entrevista a Pedro J. Carrillo, Ceo IndustryTALKS Grupo Metalia 48 3D Print Paris amplía su oferta en 2023 50 Tecnalia incorpora la bioimpresora 3D Domobio 4A 52 Aidimme obtiene fotocatalizadores nanoestructurados y superficies poliméricas activadas bactericidas 54 Addwerk, primera empresa europea en adquirir una impresora HP Jet Fusion 5420W para fabricar piezas en blanco 62 ESPACIO IAM3DHUB Odapt mejora la calidad de vida de las personas ostomizadas a través de la impresión 3D 64 44 Director publicación: Ibon Linacisoro Coordinación editorial: Javier García Coordinación comercial: Yuri Barrufet Director: Angel Hernández Director Comercial: Marc Esteves Director Área Industrial: Ibon Linacisoro Director Área Agroalimentaria: David Pozo Director Área Construcción e Infraestructura: DavidMuñoz Directora Área Tecnología y MedioAmbiente: Mar Cañas Directora Área Internacional: Sónia Larrosa www.interempresas.net/info comercial@interempresas.net redaccion_impresion3d@interempresas.net Director General: Albert Esteves Director de Desarrollo deNegocio: Aleix Torné Director Técnico: Joan Sánchez Sabé Director Administrativo: Jaume Rovira Director Logístico: Ricard Vilà Directora Agencia Sáviat: Elena Gibert Amadeu Vives, 20-22 08750Molins de Rei (Barcelona) Tel. 93 680 20 27 DelegaciónMadrid Santa Leonor, 63, planta 3a, nave L 28037 Madrid Tel. 913 291 431 DelegaciónValladolid Paseo Arco del Ladrillo, 90 1er piso, oficina 2ºA 47008 Valladolid Tel. 983 477 201 www.novaagora.com Audiencia/difusión en internet y en newsletters auditada y controlada por: Interempresas Media esmiembro de: Edita: SUMARIO «La suscripción a esta publicación autoriza el uso exclusivo y personal de la misma por parte del suscriptor. Cualquier otro reproducción, distribución, comunicación pública o transformación de esta publicación sólo puede ser realizada con la autorización de sus titulares. En particular, laEditorial, alosefectosprevistosenelart. 32.1párrafo2del vigenteTRLPI, seoponeexpresamenteaquecualquier fragmentodeesta obra sea utilizado para la realización de resúmenes de prensa, excepto si tienen la autorización específica. Diríjase a CEDRO (Centro Español de Derechos Reprográficos) si necesita reproducir algún fragmento de esta obra, o si desea utilizarla para elaborar resúmenes de prensa (www.conlicencia.com; 91 702 19 70/93 272 04 47)» Revista trimestral D.L.: B-24.035/2016 ISSN Revista: 2565-0726 ISSN Digital: 2462-0734
6 ACTUALIDAD MÁS NOTICIAS DEL SECTOR EN: WWW.INTEREMPRESAS.NET • SUSCRÍBETE A NUESTRA NEWSLETTER Moso3D, startup más innovadora de Aragón en los Premios EmprendeXXI Moso3D, empresa dedicada al desarrollo y fabricación de impresoras industriales 3D, ha sido galardonada como la startup más innovadora de Aragón en los Premios EmprendeXXI. Se trata de un reconocimiento impulsado por CaixaBank, a través de DayOne, su división especializada en empresas tecnológicas y sus inversores, y cootorgado por el Ministerio de Industria, Comercio y Turismo, a través de Enisa. El galardón obtenido por Moso3D incluye una dotación económica de 6.000 euros y el acceso a un programa de formación internacional, especialmente diseñado para startups con alto potencial de crecimiento, Moonshot Thinking for entrepreneurs, e impartido por Esade y expertos de Silicon Valley. Su realización combina sesiones formativas con la experiencia de visitar alguno de los principales hubs de innovación del mundo. Stratasys se incorpora al ecosistema de DFactory Barcelona El DFactory Barcelona, el ecosistema de la Industria 4.0 “más importante del sur de Europa y uno de los más innovadores del mundo”, ha acogido la llegada de otra empresa puntera en tecnologías del futuro. Uno de los actores globales más importantes en impresión 3D, Stratasys, comienza su actividad en su nueva sede en las instalaciones de DFactory Barcelona de la mano de su distribuidor Platinum Excelencia-Tech. Durante el acto de bienvenida, presidido por el delegado Especial del Estado en el CZFB, Pere Navarro, y el presidente de EMEA Stratasys, Andreas Langfeld, varios clientes y la prensa asistente han conocido de primeramano las ventajas que la fabricación aditiva puede aportar a múltiples sectores además de conocer sus aplicaciones reales. Meltio amplía su red mundial de socios Con el objetivo de satisfacer la creciente demanda de sus soluciones de impresión 3D de metal por láser de hilo, la multinacional española Meltio ha firmado un acuerdo con nuevos partners en Estados Unidos (Accufacture LLC), Argentina (Tecmahe), Italia (Wire Trading srl), y España (DPR Automatismos) para aumentar la presencia del CNC Meltio Engine y Robot Integration, así como de la impresora 3D metálica Meltio M450 en diferentes industrias. Un paso más en la investigación: Tumaker NX Pro Pellets, presente en la Universidad de Zaragoza El grupoMultiescala en IngenieríaMecánica yBiológica (M2BE) del Instituto Universitario de Investigación en Ingeniería de Aragón (I3A), adscrito a la Universidad de Zaragoza, ha adquirido recientemente la impresora Tumaker NX Pro Pellets. El grupo M2BE centra principalmente su actividad en el desarrollo de nuevas metodologías y tecnologías numéricas multiescala en los ámbitos de la Ingeniería Mecánica y Biológica. Su afán por innovar en la investigación de mecanobiología, cohesiona a la perfección con el compromiso de IT3D Group con este sector.
8 EL SECTOR La impresión 3D a nivel industrial impulsará la resistencia de la cadena de suministro, ya que se enfrentan a numerosos retos que dificultan la productividad, como una importante escasez de mano de obra cualificada, problemas de inventario, capacidades limitadas de producción geométrica y variaciones generales en los procesos de ensamblaje. De hecho, se prevé que la industria manufacturera estadounidense tenga 2,1 millones de puestos de trabajo sin cubrir en 2030 si no se introduce una solución innovadora. El valor añadido de la impresión 3D y la implantación de soluciones digitales en las cadenas de suministro es revolucionario, dada la falta de dependencia de la mano de obra. Tiene la capacidad de repetir tareas de ensamblaje, lo que mejora la calidad del producto, y de construir geometrías nuevas y complejas. Además, esta forma de fabricación mediante impresión 3D es competitiva en todos los sectores -industrial, médico, consumo y automoción-, pudiendo experimentar las ventajas de digitalizar sus plantas de producción, lo que conducirá a una cadena de suministro global más sostenible. Tendencias y predicciones en fabricación 3D para 2023, según HP HP, con la vista puesta en el nuevo año, ha realizado un recorrido por las tendencias y las predicciones del sector 3D que marcarán 2023. Nos encontramos ante una situación global de gran volatilidad marcada por grandes retos como la pandemia, los problemas de la cadena de suministro, la crisis climática y las posibles recesiones económicas. Ante este panorama, las empresas buscan desarrollar nuevas estrategias de fabricación que les ayuden a protegerse y seguir creciendo frente a entornos complejos.
9 EL SECTOR Dada la gran demanda de innovación y tecnología apasionantes en la fabricación, la impresión 3D ayudará a apuntalar las cadenas de suministro con una producción en masa escalable, lo que permitirá soluciones de fabricación distribuidas a corto y largo plazo, capaces de dar respuestas casi instantáneas a los rápidos cambios del mercado”, apunta Didier Deltort, presidente y director Global de Personalización e Impresión 3D de HP. LA FABRICACIÓN DIGITAL PERMITE DISEÑOS DE PRODUCTOS INNOVADORES, SOSTENIBLES Y UNA RÁPIDA COMERCIALIZACIÓN En todo el mundo, los fabricantes están aumentando su inversión en áreas tecnológicas claves como la impresión 3D, tratando de encontrar soluciones integrales y rentables que satisfagan rápidamente las demandas de los clientes al tiempo que rompen los límites de la innovación en el diseño. Esto les permite seguir el ritmo de sus competidores, más expertos en el ámbito digital, y posicionar al sector manufacturero estadounidense para una revisión y un repunte que podrían impulsar el PIB del país en más de un 15% durante el resto de la década actual. La digitalización seguirá haciendo cada vez más atractiva la producción masiva impresa en 3D gracias a su uniformidad y repetibilidad, que optimiza y acelera el ciclo de vida de la producción. Y con los avances que hacen realidad la impresión masiva de metales en 3D, cada vez son más las marcas industriales, de consumo, médicas y de automoción que incorporan esta tecnología a sus fábricas. Esto no solo mejora la escalabilidad, sino que también permite la creación de piezas complejas y de alta calidad que también son sostenibles y geométricamente concisas. La optimización de los flujos de trabajo está aliviando los retos del software en la industria de los aditivos, de modo que se pueden sacar al mercado nuevas aplicaciones atractivas y más empresas pueden beneficiarse de todo lo que ofrece la tecnología de impresión 3D. “Si miramos hacia el futuro, la próxima versión de las soluciones de impresión 3D será mucho más capaz de aplicar datos y tecnologías digitales. Los clientes comprenderán mejor el ciclo de vida de las piezas y al usuario final, lo que les permitirá imprimir mejores piezas con un diseño mejorado. El ciclo de vida completo, desde la cadena de suministro hasta la vida útil de una pieza, se agilizará con la capacidad de analizar y aprovechar la información de forma acelerada y gestionable”, explica Ramón Pastor, director mundial de 3D Metales en HP. n La digitalización seguirá haciendo cada vez más atractiva la producción masiva impresa en 3D gracias a su uniformidad y repetibilidad.
I+D 10 La implementación de procesos de fabricación aditiva metálica en la industria aeroespacial no está exenta de retos CERTIFICACIÓN DE LA FABRICACIÓN ADITIVA METÁLICA EN EL SECTOR AEROESPACIAL A día de hoy, el impacto que la fabricación aditiva ha tenido en la industria es incuestionable. Estos procesos han irrumpido en prácticamente todos los sectores industriales, siendo especialmente significativa la acogida por parte del sector biomédico y el aeronáutico. La tasa de crecimiento del mercado de la fabricación aditiva metálica y la inversión cada vez mayor en investigación en este campo son testigos de este fenómeno. Marta Ostolaza, Oihane Murua de la Mata, Aizpea Urresti, Jon Iñaki Arrizubieta, Jose Exequiel Ruiz, Eneko Ukar y Aitzol Lamikiz, de la de la Universidad del País Vasco / Euskal Herriko Unibertsitatea Las ventajas de la fabricación aditiva son, lógicamente, los principales impulsores de su implementación industrial. En el caso del sector aeroespacial, la libertad geométrica, la eficiencia de material, y la reducción de peso, son los aspectos clave que justifican el interés de las compañías líderes del sector en esta tecnología. De esta forma, los principales fabricantes de componentes aeronáuticos y aeroespaciales están invirtiendo un volumen de recursos sustancial en adaptarse a esta tendencia de mercado, con el f in de aprovechar al máximo esta oportunidad. Sin embargo, la implementación de procesos de fabricación aditiva metálica en la industria aeroespacial no está exenta de retos. El mercado aeronáutico está altamente regulado, y la certificación para vuelo de sus componentes es imprescindible para garantizar la seguridad de las aeronaves. De hecho, la certificación de componentes producidos mediante fabricación aditiva es uno de los principales retos que afronta el sector aeroespacial actualmente. El rápido crecimiento de las tecnologías de fabricación aditiva ha impedido que las agencias gubernamentales responsables de esta certificación respondan a esta necesidad de una forma garante y rápida, de forma que, hoy en día hay una carencia importante en lo que a directrices, estándares y rutas de certificación públicas que regulen estos aspectos. PRINCIPALES PROCESOS DE FABRICACIÓNADITIVAMETÁLICA En contraposición con los procesos de fabricación formativos y substractivos, la fabricación aditiva se refiere a aquellos procesos que se fundamentan en la sucesiva adición de material para generar una geometría. La fabricación aditiva se considera uno de los pilares de la cuarta revolución industrial y se percibe como una tecnología disruptiva por parte de la industria. Esto se debe a que los procesos aditivos han traído consigo un cambio en el paradigma de fabricación y consecuentemente, la propia estructura de la cadena de producción debe ser adaptada para acoger este tipo de tecnologías de una forma eficiente. De todos los procesos aditivos disponibles hoy en día, la fabricación aditiva metálica es probablemente el quemás interés industrial presenta en la fabricación de componentes sometidos a altas solicitaciones. Concretamente, los procesos que más presencia industrial tienen son los procesos de deposición de energía focalizada (Directed Energy Deposition, DED) y la fusión de lecho de polvo (Powder Bed Fusion, PBF).
I+D 11 Es por esto que dichos procesos se describen brevemente a continuación y se muestran esquemáticamente en la figura 1. En los procesos de fusión de lecho de polvo, el haz láser incide sobre una capa de polvo previamente extendida en forma de lecho de polvo, de forma que se funden selectivamente las regiones de la capa que se corresponden con la geometría deseada. Mediante la fusión y solidificación selectiva de las regiones de interés se consolida la pieza final. Es importante resaltar que en los procesos de lecho de polvo se pueden emplear otras fuentes de energía, por ejemplo, un haz de electrones; siendo el principio de funcionamiento homólogo. En los procesos de deposición de energía focalizada un haz láser incide sobre la superficie del sustrato, de forma que se genera un baño fundido. Simultáneamente partículas de polvo metálico se inyectan en dicho baño fundido. Cuando el material solidifica se genera un cordón, que debidamente solapado con otros cordones, da lugar a la geometría deseada. En este caso también se podría trabajar con fuentes de energía de diversa naturaleza (como son el arco eléctrico o el haz de electrones) y materias primas de diversa índole (hilo o polvo). Los procesos de fabricación aditiva metálica previamente descritos son tecnologías de relativa madurez que ya se han consolidado en la industria. En ese sentido, se pueden fabricar componentes de gran integridad metalúrgica y excelentes propiedades mecánicas. Otra de sus principales ventajas es el amplio rango de materiales procesables, desde aceros inoxidables y de herramientas, hasta superaleaciones base níquel o cobalto, además de materiales híbridos como materiales compuestos o materiales con gradiente funcional de composición. No obstante, bien es cierto que también tienen múltiples limitaciones que restringen su aplicación a casuísticas muy concretas. La fusión de lecho de polvo tiene una limitación inherente al proceso en lo que al tamaño máximo del componente se refiere. Esto se debe a que el proceso tiene lugar en una cámara inerte y, por tanto, el espacio de trabajo útil está directamente restringido por el tamaño de la misma. Los procesos de deposición de energía focalizada, por su parte, son muy flexibles en lo que a la geometría del sustrato se refiere, de forma que permiten la adición de material sobre superficies complejas. En lo que a calidad superficial se refiere, los procesos de fusión de lecho de polvo permiten alcanzar una resolución dimensional considerablementemayor que los de deposición de energía focalizada y, por tanto, se puede obtener una rugosidad superficial menor. Sin embargo, en pocos casos es lo suficientemente buena como para poder prescindir de un post-procesado. En la misma línea, los procesos de fusión de lecho de polvo disponen de una mayor libertad geométrica en lo que a complejidad de geometría se refiere. Es por esto que, por regla general, los procesos de fusión de lecho de polvo se emplean principalmente para la fabricación de piezas funcionales, y el uso de los procesos de deposición de energía focalizada está más dirigido al recubrimiento y a la reparación de componentes de alto valor añadido. Figura 1. Principales procesos de fabricación aditiva metálica.
I+D 12 Figura 3. Posición del sector aeroespacial con respecto a la complejidad geométrica de las piezas y la personalización. En la figura 2 se muestran dos ejemplos de componentes aeroespaciales producidos mediante procesos de fabricación aditiva metálica. En ambos casos el material empleado es la aleación base Níquel Inconel 718 y se han realizado en el marco del proyecto de investigación Elkartek Imagine (KK-2021/00120) financiado por el Gobierno Vasco. En todo caso, ambos procesos tienen cabida en el sector aeroespacial, y así lo demuestran las tendencias de mercado, ya que la industria aeroespacial es la que mayor tasa de crecimiento ha reportado en los últimos años en lo que a implementación de procesos de fabricación aditiva se refiere. OPORTUNIDADES Y RETOS DE LA FABRICACIÓN ADITIVA EN EL SECTOR AEROESPACIAL Desde una perspectiva general, las principales ventajas de la fabricación aditiva son (i) el incremento de la eficiencia del material, (ii) la capacidad de fabricar componentes con alta complejidad geométrica, (iii) la posibilidad de implementar estrategias de personalización aún en producción seriada, y (iv) la agilización de la cadena de suministro. Estas oportunidades de la fabricación aditiva están totalmente alineadas con los requerimientos de la industria aeroespacial, donde la tendencia actual es hacia la optimización geométrica de los componentes, que resulta en un incremento de su complejidad, y a la capacidad de personalización. De esta forma, el potencial impacto de la fabricación aditiva en la industria aeroespacial es innegable (Figura 3). Una demanda que prevalece en el sector aeroespacial y que permanece inalterable a lo largo de los años es la necesidad de reducir el peso de los componentes. La principal motivación de esta tendencia es la mejora de la eficiencia energética de las aeronaves, con el fin de reducir el consumo de combustible y las consiguientes emisiones. Lógicamente, y de forma paralela, hay que mejorar la fiabilidad de los componentes y respetar los criterios que velan por la seguridad y el correcto funcionamiento de las aeronaves. Es por esto que en el sector aeroespacial se emplean materiales altamente sofisticados que tienen una relación resistencia-peso muy alta, como pueden ser las aleaciones de titanio. Por otra parte, se requiere de materiales que además de ser altamente fiables y resistentes, no se degraden al operar a altas temperaturas, por ejemplo, las aleaciones base níquel. Este tipo de materiales tienen un coste alto, con lo que maximizar su utilización es uno de los retos de la industria, para reducir los costes de operación. En este sentido y debido a su naturaleza, los procesos de fabricación aditiva permiten un mejor aprovechamiento del material. En la industria aeronáutica se emplea la ratio buy-to-fly para cuantificar este aspecto. Este parámetro relaciona el peso de la materia prima requerida para la fabricación con el peso del componente que finalmente vuela. En el sector aeronáutico es habitual toparse con ratios buy-to-fly de hasta 40:1 en fabricación por medios convencionales, mientras que la fabricación aditiva permite reducir este parámetro a, virtualmente, 1:1. Otra estrategia para la reducción de peso de los componentes aeronáuticos es la optimización de la distribución Figura 2. Orejetas de Inconel 718 para carcasa de turbina producidas mediante fabricación aditiva. (a) Fusión de Lecho de Polvo (b) Deposición de Energía Focalizada. Foto: cortesía de Lortek y de la Universidad del País Vasco (UPV/EHU).
I+D 13 Figura 4. Caso de estudio: optimización topológica y posterior fabricación mediante fusión de lecho de polvo de un componente del satélite Sentinel. Cortesía de EOS y RUAG. Figura 5. Oportunidades de la fabricación aditiva metálica en el sector aeroespacial. Adaptado de Deloitte Univeristy Press (DRPress.com). del material mediante herramientas de optimización topológica. De esta forma, se puede adecuar el diseño de componentes estructurales a los modos de carga concretos que tengan que soportar. Si bien el empleo de herramientas de optimización topológica no está explícitamente restringido a la fabricación aditiva, la libertad geométrica proporcionada por esta tecnología facilita la explotación de este tipo de recursos de una forma eficiente. En la figura 4, se muestra un ejemplo de esta herramienta, cuya implementación fue posible gracias a la fabricación aditiva. Cabe destacar, asimismo, que el componente mostrado ha sido certificado para su empleo en el espacio. Por último, otra de las grandes ventajas de la fabricación aditiva en tanto en cuanto al sector aeronáutico se refiere es la agilización de la cadena de suministro. En este sentido, Airbus estimó que los tiempos para la producción de componentes de reemplazo podría reducirse a dos semanas gracias a la fabricación aditiva [1]. Igualmente, los costes asociados al mantenimiento y la reparación de componentes también pueden disminuirse sustancialmente gracias a estas tecnologías. En la figura 5 se resumen las oportunidades de la fabricación aditiva metálica en el sector aeroespacial, acorde a un estudio realizado por Deloitte. Sin embargo, hay una serie de retos que aún hoy en día dificultan la implantación de los procesos de fabricación aditiva en el sector aeroespacial. Por una parte, todos los procesos de fabricación aditiva metálica tienen, en mayor o menor medida, limitaciones en lo que a la resolución geométrica se refiere. Es por esto que, en la mayoría de los casos, es necesario introducir etapas de post procesado, ya sea para alcanzar la geometría deseada omejorar la calidad superficial. Asimismo, es habitual que se generen defectosmetalúrgicos durante la fabricación, tales como grietas o poros, lo cual genera incertidumbre en cuanto a la calidad de los componentes. Por otra parte, al tratarse de procesos basados en la fusión y solidificación local, se generan tensiones residuales y/o distorsiones que son difícilmente predecibles. Aún con todo, el principal reto que afronta la fabricación aditiva en el sector aeroespacial es la falta de estándares sobre los que fundamentar la cualificación y certificación de componentes. Esta falta de consenso para la normalización de procesos aditivos por parte de los cuerpos de regulación genera una gran incertidumbre en torno a los procedimientos certificación. Esta brecha entre la madurez de la fabricación aditiva y la falta de estándares y regulaciones se debe principalmente a que los organismos de certificación no han podido anticiparse al rápido crecimiento de la fabricación aditiva metálica. CERTIFICACIÓN DE LA FABRICACIÓN ADITIVA EN EL SECTOR AEROESPACIAL La principal barrera que frena la certificación de componentes aeronáuticos es la falta de estándares consensuados que permitan asegurar su calidad y funcionamiento seguro. Por tanto, no existen protocolos claros y transparentes que guíen a las empresas durante las etapas de certificación en el caso de componentes producidos mediante fabricación aditiva, al menos no en el dominio público. Las empresas del sector perciben este proceso como ambiguo, ya que las entidades reguladoras no han establecido hojas de ruta para guiar la certificación de este tipo de componentes.
I+D 14 A nivel europeo, la EASA (European Union Aviation Safety Agency) es la agencia responsable de la certificación de componentes aeronáuticos. En Estados Unidos, por otra parte, la FAA (Federal Aviation Authority) es la responsable de esta tarea. Ambas entidades están trabajando en el desarrollo de estándares consensuados y protocolos de cualificación para facilitar la certificación de componentes aeronáuticos producidos mediante fabricación aditiva, de forma que la seguridad de los mismo quede absolutamente garantizada. En la figura 6, se muestra la jerarquía de los recursos y los documentos que gobiernan el proceso de certificación, desde directrices, hasta regulaciones y leyes. Por su parte, entidades internacionales dedicadas al desarrollo de estándares tales como la ASTM (American Society for Testing and Materials) o la ISO (International Organization for Standardization) también están trabajando de forma conjunta en este ámbito [2]. De hecho, en 2016, desarrollaron una hoja de ruta con el fin de acordar una estructura común para definir la jerarquía de estándares en tres niveles, a saber: (i) Estándares generales de primer nivel para la definición de conceptos generales, y de requerimientos comunes y aplicables a todas las tecnologías. (ii) Estándares específicos para categorías de proceso, dedicados a tipos de material base (filamentos, polvos) y/o categorías de proceso. (iii) Estándares especializados, específico para el material, proceso de fabricación, y aplicación. Fruto de esta colaboración, ya han sido publicados una serie de estándares cuyo objetivo es regular y homogeneizar los diferentes aspectos de los procesos de fabricación aditiva: desde la caracterización del polvo metálico, hasta la inspección micro estructural, o tratamientos térmicos de piezas metálicas producidas mediante fabricación aditiva. La principal dificultad a la que se enfrentan las agencias de estandarización y de certificación es la falta de conocimiento integral de los fenómenos que gobiernan la generación de defectos como porosidad, anomalías microestructurales, o tensiones residuales, y cómo controlarlos. Esta incertidumbre complica notablemente la gestión de riesgos derivada de la implementación de los procesos de fabricación aditiva. El concepto que subyace bajo este reto es el hecho de que en los procesos de fabricación aditiva la calidad y el rendimiento del componente está estrictamente condicionado por el proceso de fabricación, las características del material base, y el post-procesado. Asimismo, las condiciones de fabricación dependen de una infinidad de parámetros y condiciones de contorno, cuya contribución a las propiedades del material no es siempre evidente. Es por esto que, la certificación de componentes aeronáuticos producidos mediante fabricación aditiva hay que abordarla desde un punto de vista global y transversal a toda la cadena de suministro, implementando herramientas de control que aseguren la trazabilidad a lo largo de todas las etapas de producción. Sólo así podrán lograrse protocolos de cualificación que den lugar a una certificación segura. En la figura 7, se resumen los niveles en los que se tienen que aplicar los métodos de cualificación, según GE. Figura 6. Jerarquía de recursos y documentos reguladores. Traducido de la fuente original: GE y Fraunhofer IGVC.
I+D 15 Sin embargo, los recursos para la cualificación y certificación disponibles hoy en día son insuficientes, por lo que compañías del sector aeroespacial han desarrollado sus propios procedimientos internos para el control de la calidad y la cualificación de componentes producidos mediante fabricación aditiva. Esta tarea requiere de una inversión ingente en ensayos experimentales, con el fin de garantizar que no surgen problemas de escalabilidad en la transición del entorno de laboratorio al de producción. De esta forma, es necesario demonstrar que, por una parte, los ensayos realizados a nivel de laboratorio son representativos de la pieza final, y que, por otra parte, los métodos de inspección no destructivos implementados a nivel de componente son garantes de su correcto rendimiento. En este sentido, probablemente el caso de éxito más conocido en el ámbito de la aviación comercial es el de GE, que logró, ya en 2015, la certificación por parte de la FAA para el vuelo de un alojamiento de un sensor de presión y temperatura que forma parte del sistema de control del motor (Figura 8a) [3]. Asimismo, y bajo el amparo de Figura 7. Niveles cualificación para su posterior certificación. Figura 8. Casos de éxito de GE: (a) Alojamiento del sensor T45 del modelo GE90-94B y (b) inyector de combustible del modelo LEAP. Cortesía de GE.
I+D 16 los procedimientos de cualificación desarrollados internamente, GE logró la certificación, tanto por parte de la FAA como de la EASA, de un inyector de combustible para su modelo LEAP (Figura 8b) [4]. Este componente, además, entró en producción seriada y ya son más de 30.000 los inyectores producidos mediante fabricación aditiva [5]. Tras el éxito de estos dos proyectos, GE ha apostado por la fabricación aditiva metálica de un número elevado de componentes para su nueva serie GE9X que se empleará en el modelo 777X de Boeing. Concretamente, esta turbina cuenta con 304 piezas fabricadas mediante tecnologías aditivas. Entre ellos se incluyen álabes de aleaciones TiAl para la turbina de baja presión fabricados por fusión del lecho de polvo (en este caso con haz de electrones), intercambiadores de calor, vanos estáticos para la refrigeración de las primeras etapas de la turbina, y componentes de la cámara de combustión; todos ellos fabricados mediante fusión de lecho de polvo. [6] En lo que a procesos de deposición de energía focalizada se refiere, Norsk Titanium fue la primera compañía en lograr por parte de la FAA la certificación para piezas estructurales de titanio. Estos componentes forman parte del modelo 787 Dreamliner de Boeing [7]. De hecho, Norsk Titanium se incorporó a la lista de proveedores autorizados de Boeing en 2015 y en 2018 uno de sus centros fue añadido a la lista de productores cualificados de Boeing. En la figura 9, se muestra uno de los componentes certificado por la FAA. Asimismo, Norsk Titanium está expandiendo su alcance en el mercado comercial del sector aeroespacial y se encuentra actualmente a la espera recibir la aprobación final que cualifique su tecnología para la producción seriada de componentes aeronáuticos para unos de los proveedores de primer nivel (tier one) de Airbus [8]. Además de haberse demostrado la valía de la fabricación aditiva para la producción de componentes funcionales, las oportunidades de estas tecnologías en el mercado de las operaciones de MRO (Maintenance, Repair and Overhaul) no pasan desapercibidas. De hecho, empresas de primer nivel ya están invirtiendo en la investigación de tecnologías de fabricación aditiva. Sin ir más lejos, en 2018 Lufthansa inauguró el Additive Manufacturing Center con el objetivo de establecer lazos de colaboración entre expertos de Lufthansa y especialistas en fabricación aditiva de otras empresas colaboradoras y/o instituciones, con el fin de impulsar la industrialización de los procesos de fabricación aditiva en el secFigura 9. Componente estructural de titanio certificado para vuelo por la FAA. Cortesía de Norsk Titanium. Figura 10. Casos de éxito para la reparación de componentes aeronáuticos mediante deposición de energía focalizada. Cortesía del Fraunhofer ILT.
I+D 17 tor aeronáutico. Asimismo, Pratt & Whitney, compañía motorista líder del sector, también cuenta con su propio centro para el desarrollo de tecnologías aditivas, el Pratt & Whitney Additive Manufacturing Center. Estas compañías ya han implementado la fabricación aditiva para la reparación de componentes aeronáuticos, entre otras cosas. Un caso de éxito en este ámbito es el del instituto Fraunhofer ILT que fue certificado por Rolls-Royce Deutschland para 15 aplicaciones de reparación. Entre ellas las mostradas en la figura 10, para la carcasa BR715 HPT. En esta misma línea cabe destacar el caso de la compañía Optomec que desarrolló la LENSTM Blisk Repair Solution específicamente para la reparación de rotores de álabes integrales u otros tipos de componentes aeronáuticos de alta complejidad geométrica. Por último, cabe citar que todos los ejemplos que se han indicado en este apartado corresponden con casos de aviación civil, los cuales, además de ser representativos, son de dominio público. En el caso del sector de defensa o espacial existen diversos casos de componentes que se han empleado tanto en aplicaciones estructurales como en componentes para los motores. En estos casos, se lleva a cabo un proceso de certificación diferente, ya que los requisitos funcionales y la vida esperada de los componentes es muy diferente. En cualquier caso, se trata de procedimientos que en muchas ocasiones son similares a los comentados y que exigen la máxima calidad de los componentes fabricados. La principal dificultad en este campo es que la información pública es mucho más limitada debido a la naturaleza secreta de estos componentes. CONCLUSIONES Con todo lo descrito anteriormente, es innegable el interés de las empresas líderes del sector aeroespacial por la fabricación aditiva. No sólo eso, sino que la elevada inversión realizada por las mismas en lo que a la fabricación aditiva metálica respecta, pone en evidencia el rol de esta tecnología para aplicaciones aeroespaciales. De hecho, se espera que la fabricación aditiva siga creciendo en el sector, a medida que la investigación abra camino a nuevas oportunidades que o bien permitan reducir los costes de producción de componentes existentes o bienmejorar la eficiencia de las aeronaves a través de diseños avanzados. No obstante, para alcanzar todo el potencial de la fabricación aditiva, es necesario que tanto las agencias gubernamentales como las propias compañías del sector se mantengan constantes en sus esfuerzos por garantizar la calidad y el correcto funcionamiento de componentes aeronáuticos. Para ello, es necesario ir adaptando los protocolos de cualificación y certificación que regulan hoy en día el mercado a la fabricación aditiva, y desarrollar nuevas metodologías de aseguramiento de la calidad e inspección cuando así se requiera. Así pues, es imprescindible que los lazos de colaboración ya establecidos sigan produciendo estándares y protocolos de certificación, pero también que se generen nuevas alianzas para maximizar el aprovechamiento de los esfuerzos realizados en la dirección de la certificación de componentes aeroespaciales producidos mediante fabricación aditiva. n REFERENCIAS [1] J. C. Najmon, S. Raeisi y A. Tovar, «Review of additive manufacturing technologies and applications in the aerospace industry, » de Additive Manufacturing for the Aerospace Industry, 2019. [2] ISO, «New agreement strengthens partnership bewteen ISO and ASTM on additive manufacturing., » 2011. [En línea]. Available: https:// www.iso.org/news/2011/10/Ref1481.html. [Último acceso: 06 02 2023]. [3] General Electric, «The FAA Cleared the First 3D Printed Part to Fly in a Commercial Jet Engine from GE, » 2015. [En línea]. Available: https://www.ge.com/news/reports/the-faa-cleared-the-first-3d-printed-part-to-fly-2. [Último acceso: 06 02 2023]. [4] G. Daugherty, «CFM Leap-1A achieves dual certification, » GE Aerospace | The Blog, 2015. [En línea]. Available: https://blog.geaerospace. com/technology/cfm-leap-1a-achieves-dual-certification/. [Último acceso: 06 02 2023]. [5] General Electric, «New manufacturing milestone: 30,000 additive fuel nozzles, » 2018. [En línea]. Available: https://www.ge.com/additive/stories/new-manufacturing-milestone-30000-additive-fuelnozzles. [Último acceso: 06 02 2023]. [6] B. Blakey-Milner, P. Gradl, G. Snedden, M. Brooks, J. Pirot, E. Lopez, M. Leary, F. Berto y A. du Plessis, «Metal additive manufacturing in aerospace: A review, » Materials & Design, vol. 209, 2021. [7] Norsk Titanium, «Norsk Titanium to Deliver the World's First FAAAproved, 3D-Printed, Structural Titanium Components to Boeing, » 2017. [En línea]. Available: https://www.norsktitanium.com/media/ press/norsk-titanium-to-deliver-the-worlds-first-faa-approved-3dprinted-structural-titanium-components-to-boeing. [Último acceso: 06 02 2023]. [8] Norsk Titanium, «Innovating the future of metal manufacturing, » 2022. [En línea]. Available: https://www.norsktitanium.com/storage/ home/NTI-Q322-Update_Final.pdf. [Último acceso: 06 02 2023].
18 I+D El proyecto de I+D Imaginative, liderado por la empresa Metal Improvement Company LCC, Curtiss-Wright Surface Technologies, en colaboración con el Centro Avanzado de Tecnologías Aeroespaciales (Catec) y la Universidad de Sevilla, ha finalizado recientemente, alcanzando un objetivo principal: la identificación de un conjunto de postprocesos a aplicar sobre componentes de Scalmalloy que ha permitido una clara mejora del comportamiento a fatiga de componentes de fabricación aditiva. El proyecto Imaginative, (Investigación y mejora de aluminio en fatiga por fabricación aditiva por procesos de mejora superficial) surgió de la necesidad de ampliar el rango de aplicaciones de fabricación aditiva y, en concreto, de la aleación de aluminio Scalmalloy para componentes con responsabilidad portante del sector aeroespacial. Estas nuevas aleaciones de aluminio (de base Al- Mg-Sc) han sido desarrolladas y patentadas por APWorks (del grupo Airbus), específicamente para su uso en fabricación aditiva, y se trata de la aleación de aluminio con mayor resistencia. Este material aporta un claro beneficio de reducción de peso asociado en su operación en servicio y, gracias al proyecto Imaginative, es posible garantizar una adecuada vida útil de los mismos. Estas excelentes propiedades (principalmente alta resistencia y baja densidad) hacen que la aleación de Scalmalloy se pueda utilizar en una amplia gama de aplicaciones de alto rendimiento de diferentes industrias, además de la aeroespacial para la que fue diseñada. Catec busca mejorar el comportamiento a fatiga de componentes de fabricación aditiva para aeroespacial El proyecto surgió de la necesidad de ampliar el rango de aplicaciones de fabricación aditiva y, en concreto, de la aleación de aluminio Scalmalloy para componentes con responsabilidad portante del sector aeroespacial.
19 I+D En el proyecto Imaginative se ha validado el efecto positivo de diferentes tratamientos superficiales realizados por la empresa MIC-CWST, en concreto, tratamiento de shot peening y laser peening, y la combinación con la tecnología de mejora superficial asistida químicamente (Case), en la resistencia a fatiga, tanto en probetas como en componentes fabricado por impresión 3D en Scalmalloy. En el proyecto ha colaborado el Centro Avanzado de Tecnologías Aeroespaciales (Catec) en la fabricación de las probetas y demostradoresmediante la tecnología de fundido de cama de polvo por láser (o Powder Bed Fusion – Laser Beam, PBF-LB), así como en el diseño de los demostradores y la realización de las diferentes campañas de ensayos e inspecciones para su completa caracterización. Además, el centro tecnológico Aicia, vinculado a la Universidad de Sevilla, ha sido el responsable de las mediciones de tensión residual, para comparar el efecto de cada post-tratamiento aplicado. El proyecto de I+D Imaginative ha permitido demostrar la eficacia de sus tratamientos superficiales sobre la mejora de las propiedades de componentes de fabricación aditiva para el sector aeroespacial, resultado que puede ser transferido a otros sectores como el naval, ingeniería civil, automoción o medicina, entre otros. n El proyecto Imaginative se ha ejecutado en el marco del Programa Invest in Spain y ha contado con el apoyo de Icex y con la cofinanciación del fondo europeo Feder. www.renishaw.es/am Renishaw Ibérica, S.A.U., Gavà Park, C. de la Recerca, 7, 08850 GAVÀ, Barcelona +34 93 6633420 spain@renishaw.com © 2021 Renishaw plc. All rights reserved. La cadena de proceso de FA completa ¿Puede proporcionar su socio de fabricación aditiva (FA) la experiencia y soporte completa? Solo una empresa del sector de impresión 3D ofrece las tecnologías y la experiencia que proporcionan impresión 3D metálica de alta productividad Y TAMBIÉN control de todos los procesos relacionados y el acabado. Para el control de procesos completo de piezas de FA, consulte ahora a Renishaw. DISEÑO | FABRICACIÓN | MÁQUINA | INSPECCIÓN
20 CASO DE ÉXITO Una compañía de ingeniería estaba teniendo problemas con el tiempo de recuperación de su polvo metálico usado, recalificándolo para impresoras 3D. Además, la seguridad era una preocupación debido al tiempo que los operarios pasaban manipulando grandes cantidades de polvos metálicos peligrosos. La compañía se enfrentó a desafíos con las soluciones de manejo de polvo originales para las impresoras 3D. El reciclaje de ese polvo requería un gran esfuerzo manual por parte de los operarios. Podían tardar un día completo en reciclar el polvo de metal usado, recalificarlo, y entonces rellenar la impresora. Esto también se traducía en tiempos de inactividad para las impresoras 3D, ya quemientras el polvo era procesado, la impresora no podía empezar la siguiente construcción. El otro problema era la seguridad. Los polvos metálicos son peligrosos para la salud y tienen riesgo de explosión, así que los operarios tenían que vestir con ropa PPE avanzada. Como resultado, la compañía quería minimizar el tiempo que los operarios gastaban manejando el polvo. Estos problemas se solucionaron con la Estación de Tamizado Russell AMPro Sieve Station. Una vez instalada, rellenar la impresora 3D llevó menos . Con la AMPro Sieve Station de Russell Finex en su lugar, el proceso de recuperación se había acelerado. Antes necesitaban un turno completo para que los operarios rellenaran la impresora 3D, y ahora esto podía hacerse en menos de una hora. Esto ha incrementado la productividad ya que la compañía ahora ahorra entre cuatro y ocho horas en cada construcción aditiva. La automatización ha reducido drásticamente la entradamanual del proceso de recuperación de polvo. Los operarios ahora solo necesitan implicarse en el primer paso del proceso a la hora de evacuar el polvo de la cámara de construcción. Esto ha mejorado la seguridad de los operarios ya que tardanmenos tiempo manejando el polvo y menos tiempo vistiendo PPE Avanzado. La Russell AMPro Sieve Station gestiona todo el proceso y ha permitido a la compañía tanto incrementar la eficiencia como maximizar la seguridad. Una vez instalada, rellenar la impresora 3D llevó menos de una hora, resultando en un incremento de la productividad, así como mejoras en la seguridad para los operarios debido a la reducción de manejo manual. “Estábamos buscando un socio que nos proporcionara una solución y soporte continuo en nuestra instalación AM. Sin embargo, fue muy difícil encontrar compañías que tuvieran capacidad en transporte de material y además entendieran los riesgos y peligros asociados con la fabricación aditiva. Y esas son algunas de las fortalezas que Russell Finex nos proporcionó". n Recuperación de polvo AM automatizada para la industria de la ingeniería
22 OPTIMIZACIÓN Un proceso de impresión 3D en forma de cadena de procesos íntegramente digital desde el diseño hasta la fabricación y el posprocesamiento es la consecuencia lógica de una estrategia de fabricación digital aditiva. Este objetivo de Aim3D es el que persigue Naddcon, un centro de investigación y desarrollo especializado en la fabricación aditiva ubicado en Lichtenfels (Alemania). El objetivo de la cooperación con Aim3D era integrar una clásica herramienta de diseño industrial, en este caso, el paquete NX de Siemens. Integración de una impresora multimaterial 3D de Aim3D en la cadena de procesos digitales CAx de Siemens NX Instalación CEM 3D ExAM 255 de Aim3D en Naddcon. Foto: Aim3D GmbH.
23 OPTIMIZACIÓN La herramienta NX contiene amplias soluciones CAD, CAM y CAE, utilizadas habitualmente para la fabricación convencional de piezas en la técnica de mecanizado. Naddcon integró una ExAM 255 de AIM3D en el entorno NX para hacer de la instalación CEM 3D un centro de mecanizado digital 3D. La integración de NX solamente es una opción entre las muchas que ofrece el concepto de máquina abierta de la impresora multimaterial 3D de Aim3D. El resultado, como muestra el ejemplo de la herramienta NX, es una opción alternativa de manejar máquinas de impresión 3D y de generar códigos G. Sebastian Kallenberg, ingeniero de proyecto en Naddcon, ofreció una visión general de la cadena de procesos íntegramente digital de un proceso de impresión 3D con una ExAM 255 de Aim3D. El puente entre el firmware de la máquina de Aim3D y el entorno CAD/ CAMdeSiemensNX integra la impresora 3D como centro de mecanizado CAM. NXofrece al diseñador una amplia herramienta para el diseño y la optimización iterativa de piezas aditivas en forma de soluciones CAD, CAM y CAE. Las piezas 3D pueden optimizarse en términos de biónica, superficies de geometría libre, densidades selectivas (estrategias de lleSebastian Kallenberg, ingeniero de proyecto en Naddcon, durante el control de la instalación CEM. Foto: Aim3D GmbH. Kallenberg, con la pieza, con la pieza optimizada mediante Siemens NX: “Nuestro enfoque digital NX pretende optimizar la ingeniería mecánica CEM de Aim3D desde el punto de vista del diseño. Aquí residen grandes potenciales para obtener superficies de geometría libre, es decir, auténticos contornos 3D, pero también para implementar estrategias de diseño biónico”. Foto: Aim3D GmbH. nado variables) y ahorros de peso (p. ej., estructuras reticulares) para adaptarlas a un perfil de exigencias específico. Las fibras también pueden disponerse de manera óptima para el flujo de fuerzas, lo que define la rigidez o elasticidad y la resistencia mecánica. El paquete incluye un sistema de bases de datos y potentes modelos de simulación. Esto permite controlar mejor el proceso de impresión 3D desde el diseño hasta la fabricación, optimizar el diseño de las piezas y, al mismo tiempo, alcanzar un gradomuy alto de reproducibilidad. En general, podemos decir que NX permite realizar una simulación exacta de la máquina. Esto significa en concreto: la posibilidad de controlar con precisión absoluta en función de la geometría de la pieza las velocidades de desplazamiento, el rendimiento de extrusión y las temperaturas.
24 OPTIMIZACIÓN MECANIZADO DE SUPERFICIES DE GEOMETRÍA LIBRE EN LA IMPRESIÓN CEM 3D Una palabra clave del mecanizado de superficies de geometría libre es ‘deposición multieje’. Desarrollada originalmente por DMG Mori para la soldadura por deposición láser, la herramienta se ha ampliado para FDM/FFF (moldeado por deposición fundida). En el proceso de moldeado por deposición fundida se aplican capas sobre una superficie. La aplicación de las capas se produce mediante la fusión térmica de un polímero y la extrusión continua mediante una boquilla, así como un posterior endurecimiento por refrigeración en la posición deseada del plano de trabajo. La construcción de un cuerpo suele realizarse confeccionando cada capa línea por línea y luego ‘apilando’ hacia arriba el plano de trabajo para crear así una forma capa a capa. NX permite crear las trayectorias de herramientas a lo largo de superficies curvas. De esa forma se generan auténticas trayectorias 3D que crean planos independientes. La aplicación de esta tecnología en el desarrollo de proceso permite evitar aquí el típico efecto escalera de la fabricación aditiva (AM). El resultado es un auténtico contorno 3D de un cuerpo volumétrico. INTEGRACIÓN DE LA EXAM 255 DE AIM3D EN EL ENTORNO NX Sebastian Kallenberg de Naddcon proyectó al efecto los pasos de trabajo a partir de una pieza de PA6 GF30estándar (producto de muestra) con el fin de optimizar su diseño mediante NX. Lo primero fue obtener unmodelo cinemático de la impresora 3D mediante la integración en NX del modelo CAD de la ExAM 255, así como definir los ejes cinemáticos y determinar el punto cero de la máquina. El modelo cinemático permite simular las trayectorias de las herramientas en la máquina antes de la fabricación propiamente dicha. A esto le siguió la generación de las trayectorias de las herramientas para la extrusora de la instalación AM. Para ello se generan recorridos de desplazamiento basados en las operaciones de mecanizado y la geometría de la pieza. El tercer paso fue la simulación de la ExAM 255, es decir, la simulación de la trayectoria de las herramientas con los respectivos movimientos de eje del modelo de máquina. Aquí también se pueden simular la aplicación del material y colisiones de máquinas. El punto clave aquí es la programación de un post-procesador que traduzca las trayectorias de las herramientas NX en un código G numérico que la impresora 3D sea capaz de interpretar, es decir, leer. Un código G consta de condiciones de trayectoria (palabra G) y funciones adicionales (palabra M), a Pieza de PA6 30GF: diseño básico (arriba) y diseño optimizado con NX (abajo). Foto: Aim3D GmbH. La pieza optimizada de PA6 GF30 en la representación del programa NX con estructura reticulada optimizada en cuanto al peso. Foto: Naddcon.
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