2024/4 -92 METALMECÁNICA EN EÓLICO, MÉDICO, FERROVIARIO... www.interempresas.net DESAFÍOS DEL MECANIZADO DE SUPERALEACIONES: PROPIEDADES EXCEPCIONALES EN CONDICIONES EXTREMAS PARCHE POLIMÉRICO FABRICADO CON REDES DINÁMICAS DE POLÍMEROS ECORES WIND IMPULSA EL DESARROLLO DE RESINAS SOSTENIBLES PARA AEROGENERADORES MÁS RECICLABLES
SUMARIO Director: Ibon Linacisoro Coordinación Editorial: Esther Güell Coordinación Comercial: Víctor Zuloaga, Hernán Pérez del Pulgar, Yuri Barrufet Edita: Director Ejecutivo: Aleix Torné Director Comercial: Marc Esteves Director Área Industrial: Ibon Linacisoro Director de Área Agropecuaria: Ángel Pérez Director Área Construcción e Infraestructura: David Muñoz Directora Área Tecnología y Medio Ambiente: Mar Cañas Directora Área Internacional: Sònia Larrosa www.interempresas.net/info comercial@interempresas.net redacción_metal@interempresas Director General: Albert Esteves Director de Desarrollo de Negocio: Aleix Torné Director Técnico: Joan Sánchez Sabé Director Administrativo: Xavier Purrà Director Logístico: Ricard Vilà Controller: Elena Gibert Director agencia Fakoy: Alexis Vegas Amadeu Vives, 20-22 08750 Molins de Rei (Barcelona) Tel. 93 680 20 27 Delegación Madrid Santa Leonor, 63, planta 3a, nave L 28037 Madrid Tel. 91 329 14 31 Delegación Lisboa (Induglobal) Avenida Defensores de Chaves, 15, 3.º F 1000-109 Lisboa Portugal www.grupointerempresas.com Audiencia/difusión de www.interempresas.net auditada y controlada por: Interempresas Media es miembro de: DL B 30686-2012 ISSN Revista: 2014-8305 ISSN Digital: 2462-6090 «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, la Editorial, a los efectos previstos en el art. 32.1 párrafo 2 del vigente TRLPI, se opone expresamente a que cualquier fragmento de esta 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 bimensual MAKINO Y FRAUNHOFER ILT AMPLÍAN LAS POSIBILIDADES DE LA FABRICACIÓN ADITIVA 14 Desafíos del mecanizado de superaleaciones: propiedades excepcionales en condiciones extremas 4 Bicicleta ultraligera de una sola velocidad impresa en 3D 16 Aidimme y Meltio crean por primera vez en España implantes biomédicos de titanio con tecnología de hilo de soldadura por láser 18 El acabado de implantes ortopédicos de Rösler cumple las normas a lo largo de todo el proceso de producción 22 La precisión en la práctica médica 24 De la aviación a la ortopedia: parche polimérico fabricado con redes dinámicas de polímeros 28 Aimen desarrolla una nueva generación de palas de turbinas eólicas y maremotrices más eficientes 30 Mayor fiabilidad y rentabilidad: Schaeffler optimiza los aerogeneradores aplicando el enfoque ‘closed loop engineering’ 32 36 ECORES WIND IMPULSA EL DESARROLLO DE RESINAS SOSTENIBLES PARA AEROGENERADORES MÁS RECICLABLES La industria química confía en los fabricantes de tubos y tuberías para cumplir con los requisitos ambientales 40 Schaeffler presenta tecnologías y servicios para maximizarla fiabilidad, sostenibilidad y disponibilidad en el transporte ferroviario 44 Siemens Moblity presenta en InnoTrans el primer tren de alta velocidad Velaro para Egipto 47 Stäubli proporciona soluciones de conexión para el sector ferroviario 49
AERONÁUTICA 4 Incrementar la eficiencia energética de los motores impulsa activamente la búsqueda de materiales en el diseño de componentes clave de las aeronaves DESAFÍOS DEL MECANIZADO DE SUPERALEACIONES: PROPIEDADES EXCEPCIONALES EN CONDICIONES EXTREMAS Aumentar la eficiencia energética de los motores aeronáuticos es fundamental para mitigar el impacto del consumo de combustibles fósiles y las emisiones contaminantes vertidas al cielo. El desarrollo de nuevos materiales de propiedades mecánicas excepcionales busca incrementar la temperatura del motor para optimizar su rendimiento en las flotas del futuro. G. Martínez de Pissón y F.J. Amigo, del Dpto. de Ingeniería Mecánica de la Universidad del País Vasco (UPV/EHU) y el Centro de Fabricación Avanzada Aeronáutica (CFAA) En la era moderna de la ingeniería y la fabricación, las denominadas superaleaciones han surgido como un pilar fundamental en sectores críticos como la aeronáutica, la energía y la industria química. Estos materiales son reconocidos por su capacidad para mantener propiedades mecánicas excepcionales a altas temperaturas y en ambientes corrosivos, representando así un avance significativo en la ingeniería de materiales. Sin embargo, detrás de estas impresionantes características y aplicaciones yace un desafío técnico formidable: el mecanizado. Este proceso es crucial para dar forma y preparar componentes de precisión a partir de superaleaciones como el Inconel 718, el Waspaloy o el Haynes 282. Requiere no solo habilidades especializadas y herramientas avanzadas, sino también abordar las complejidades inherentes que hacen de estas aleaciones materiales tan valiosos, ya sea empleando técnicas avanzadas de refrigeración o estrategias novedosas de mecanizado. El presente artículo explora los desafíos únicos del mecanizado de superaleaciones, destacando las técnicas actuales, las áreas que requieren mejoras y las innovaciones que podrían allanar el camino hacia una manufactura más eficiente y efectiva de estos materiales de vanguardia. SUPERALEACIONES Las superaleaciones son materiales metálicos de alta resistencia, diseñados para funcionar en condiciones extremas de temperatura, presión y corrosión. Las superaleaciones suelen estar compuestas por una matriz de níquel, cobalto o hierro, reforzada con elementos de aleación como cromo, tungsteno, molibdeno, titanio, entre otros para alcanzar las características deseadas. Algunas de las más conocidas son el Inconel 718, el Waspaloy, el Haynes 282, el Nimonic, el Incoloy entre otras pertenecientes al grupo de superaleaciones, que se clasifican bajo el grupo S de la normativa ISO de materiales utilizada en la industria
AERONÁUTICA Características de distintos materiales utilizados en mecanizado. Distribución de materiales en el motor aeronáutico. 5 del mecanizado. Estos materiales son conocidos por sus excelentes características, especialmente su capacidad para mantener altas propiedades mecánicas a altas temperaturas durante su funcionamiento en servicio en comparación con otros materiales más fáciles de trabajar y conformar. En la categoría ISO S, además de las superaleaciones, se incluye también las aleaciones de titanio por su dificultad de mecanizado. La distribución de los materiales a lo largo de la estructura de la turbina obedece principalmente a dos características: ligereza y resistencia a la temperatura. Las aleaciones de titanio son ligeras y resistentes a temperaturas bajas, por lo que forman parte de las etapas frías de compresión, mientras que las superaleaciones son más pesadas pero resistentes a altas temperaturas, por lo que aparecen en las etapas calientes de las turbinas, a partir de la cámara de combustión. Superaleaciones termorresistentes Las superaleaciones tienen su origen en la década de 1940, debido a la necesidad de encontrar materiales más fuertes y resistentes que los aceros para ser utilizados en la mayor contienda bélica de la historia. Desde entonces se han ido desarrollando de manera continua hasta la actualidad. Pueden
AERONÁUTICA 6 identificarse cuatro etapas o grupos importantes que han ido mejorando sus prestaciones: • Superaleaciones forjadas, tenían elevados costes de producción y grandes desperdicios. • Superaleaciones fundidas, con mucho mejor rendimiento de producción y coste bajo. • Superaleaciones de grano columnar, enfocadas a la fabricación de álabes de turbina debido a su solidificación direccional que aumenta su resistencia a cargas axiales. • Superaleaciones monocristalinas, con la mayor resistencia posible al eliminarse los límites de grano. Suelen clasificarse metalúrgicamente en función de su componente mayoritario, como base hierro, base cobalto y base níquel. Estos tres elementos son consecutivos en la tabla periódica y poseen características similares, por lo que los precipitados de refuerzo son similares en los tres grupos de superaleaciones. Su uso es propicio en las zonas calientes de los motores aeronáuticos debido a su resistencia bajo fluencia y corrosión, especialmente las aleaciones de níquel [2]. • Las superaleaciones base níquel son las más utilizadas en los motores aeronáuticos debido a la plasticidad y estabilidad de la estructura cristalina centrada en las caras (fcc) del níquel. Un alto porcentaje de cromo le aporta una gran resistencia a la oxidación. La clave de estas aleaciones es la combinación de diferentes estructuras resistentes, como la matriz de austenita gamma, la presencia de carburos metálicos o la estructura gamma prima de precipitados. Algunas aleaciones como el Inconel 718 constituyen una fase gamma prima segunda, por la presencia de niobio. • Las superaleaciones base cobalto, a diferencia de las de níquel, no se refuerzan por precipitación de fase gamma, por lo que es importante combinar el endurecimiento por solución sólida con la formación de carburos metálicos precipitados en una fina distribución dentro de los granos para aumentar su resistencia. Al no poder soportar esfuerzos tan grandes como las superaciones de níquel, se emplean principalmente en piezas estáticas y su contenido en cromo, las hace resistentes a la corrosión. • Las superaleaciones con base hierro tienen bastante similitud con las de base níquel debido a su alto contenido de este elemento, de, al menos, un 25% para estabilizar la matriz fcc. Aleaciones de titanio Las aleaciones de titanio son muy apropiadas para su uso aeronáutico debido, principalmente, a su ligereza y a su gran resistencia a la corrosión a temperaturas inferiores a 400 °C, no así a temperaturas elevadas donde su resistencia empeora considerablemente, debido a su afinidad por elementos intersticiales como el oxígeno o nitrógeno. Por tanto, se emplean en la zona fría de los motores aeronáuticos. Su mecanizado es complejo, ya que posee una alta reactividad a temperaturas elevadas y una Evolución histórica de las superaleaciones [1]. Álabes de turbina con estructuras granulares equiaxial, grano columnar y monocristalina [4].
AERONÁUTICA 7 muy baja conductividad térmica. La aleación más común es la Ti6Al4V, de tipo α + β debido a su combinación de propiedades mecánicas y baja densidad [3]. Superaleaciones de grano columnar La solidificación en la dirección axial hace que este tipo de piezas sean ideales para su empleo en álabes. Los límites de grano son paralelos a la carga de tracción, lo cual mejora la resistencia de fluencia. Superaleaciones monocristalinas Las superaleaciones monocristalinas presentan mayor capacidad de resistencia y una mejor combinación de propiedades a temperaturas elevadas que cualquier otro material estructural, por lo que algunos elementos de las turbinas, como los álabes, se fabrican con estos materiales. Estas prestaciones se deben a la solidificación orientada unidireccionalmente, que mejora la resistencia a la fatiga térmica y a la ausencia de límites de grano, que actúan como lugares de iniciación de fallo. Estas altas propiedades hacen aumentar su dificultad de mecanizado. Uno de los objetivos con estos materiales es aumentar aún más el contenido de aleación refractaria para mejorar la resistencia a la fluencia [5]. Es interesante apuntar que las superaleaciones base níquel han ido mejorando su resistencia en lo que se ha considerado en clasificar como sucesivas generaciones evolutivas. Esta mejora de la resistencia con la temperatura ha sido posible, en parte, gracias a la adición de pequeñas cantidades de elementos como el renio (Re) y el rutenio (Ru), sin embargo, estos elementos son de los más escasos en la corteza terrestre, por lo que, en la actualidad, la quinta y sexta generaciones se centran en reducir los porcentajes de estos elementos, ya que su utilización presenta un alto riesgo estratégico para la producción industrial debido a su escasez y consiguientes dificultades de suministro, coste elevado y fluctuante [6]. PROPIEDADES DE LOS ELEMENTOS PRINCIPALES Las superaleaciones termorresistentes están formadas fundamentalmente por elementos que forman parte del bloque de los llamados metales de transición, que son aquellos cuyos electrones ocupan los orbitales d. Haciendo un breve recordatorio, en los orbitales s caben 2 electrones, en los orbitales p caben 6 electrones y en los orbitales d caben 10 electrones. El elemento con número atómico 20, el calcio, es el último cuyos electrones se limitan a orbitales s y p. La configuración electrónica del calcio, siguiendo las flechas del diagrama de Moeller, es 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 4s2 o abreviadamente [Ar] 4s2. A partir del elemento 21, el escandio, se empiezan a ocupar los orbitales d y a medida que aumenta el número atómico nos encontramos además con el bloque de los lantánidos y actínidos, denominados metales de transición interna, que son elementos cuyos electrones empiezan a ocupar los orbitales f, donde caben 14 electrones [7]. Dentro de un mismo grupo los elementos tienden a tener similares características debido a la configuración en sus últimas capas electrónicas. Así, por ejemplo, el cobre, la plata y el oro, considerados metales nobles por Resistencia específica frente a temperatura de algunas aleaciones aeroespaciales. Diagrama de Moeller.
AERONÁUTICA 8 su brillantez, resistencia a la corrosión y otras propiedades, pertenecen al mismo grupo. Las configuraciones electrónicas de cobre, plata y oro se abrevian utilizando el símbolo del gas noble inmediatamente anterior, argón, kriptón y xenón respectivamente. Las terminaciones deberían ser d9 s2, sin embargo, obtienen mayor estabilidad donando un electrón del orbital s al d, quedando d10 s1. Pero no solo existe una similitud entre elementos del mismo grupo, sino que dentro del mismo periodo algunos elementos pueden tener características similares. La existencia de los orbitales d hace que existan saltos de electrones entre diferentes capas, lo que permite que exista una similitud en sus estados de oxidación y una buena reactividad entre ellos, permitiendo que se puedan alear con facilidad. Este es el caso del hierro, el cobalto y el níquel que encabezan los grupos 8, 9 y 10 respectivamente. Los tres elementos son ferromagnéticos y disponen de valencias +2 y +3. Además, presentan similitudes en sus puntos de fusión y ebullición, densidad, conductividad térmica o electronegatividad. Sin embargo, existe una diferencia muy notable entre ellos, la abundancia en la naturaleza. De los diez metales de transición del periodo de cabecera, el 4, el metal más abundante con gran diferencia es el hierro, por lo que su disponibilidad es grande y su coste bajo y es el metal más utilizado para la mayoría de los propósitos. Con mucha probabilidad esta abundancia se debe a que es el último elemento que puede ser creado en una reacción de fusión con liberación de energía [8]. En el gran reactor nuclear que es una estrella, se fusionan núcleos de hidrógeno liberando energía que es contenida por la propia fuerza gravitatoria del astro. A medida que el hidrógeno se va agotando, se fusiona helio, litio, berilio, etc. El último elemento en fusionarse liberando energía es el hierro, por lo que en ese momento la estrella pierde energía y es comprimida por la fuerza gravitatoria. En este punto, algunas estrellas explotan y expulsan material al convertirse en una supernova. La energía de esa expulsión de material es aprovechada para la creación de otros elementos mediante reacciones de fisión. En definitiva, se puede decir que, si se dispone de materiales tan valiosos como los metales de transición, esto se debe a la muerte de las estrellas. En la tabla periódica de la figura se resaltan los elementos principales de aleación de las superaleaciones. Entre ellos se encuentran, remarcados en rojo, los ya mencionados hierro, cobalto y níquel como elementos principales de las aleaciones termorresistentes y el titanio. El resto de los elementos remarcados en azul son aleantes utilizados en mayor o menor medida. Como se puede observar, no solo Propiedades de los principales metales de transición.
AERONÁUTICA 9 Principales elementos constitutivos de las superaleaciones y su situación en la tabla periódica. encontramos metales de transición, sino también elementos de los grupos 13 y 14, entre ellos, algún metal no ferromagnético como el aluminio, galio, indio o estaño; metaloides como el boro o el silicio y no metales como el carbono. Aunque todos estos son los más representativos, puede haber otros elementos minoritarios. DESAFÍOS DEL MECANIZADO DE SUPERALEACIONES El mecanizado de piezas aeronáuticas limita los tiempos de producción debido a sus especiales características e influye en factores como la productividad, el calentamiento de la pieza y herramienta, los desgastes, la estabilidad del proceso o la calidad de los componentes fabricados. El elevado valor añadido de los componentes fabricados para el sector aeronáutico, hacen necesario alcanzar un profundo conocimiento de los procesos y los materiales e implican una necesidad de mejora ante los diferentes desafíos que supone el mecanizado de este tipo de materiales: • Dureza y resistencia al desgaste: la dureza de las superaleaciones termorresistentes está en el orden de unos 40 HRc por lo que son necesarias herramientas de corte con elevados índices de dureza, que muestren una gran resistencia al desgaste. Resumidamente, los materiales típicos en las herramientas de corte, ordenados de menor a mayor resistencia al desgaste, son el acero rápido, metal duro, metal duro con recubrimientos y cerámicas. Por lo general, una mayor resistencia al desgaste va acompañada de una menor tenacidad, por lo que en cada caso concreto hay que analizar la posibilidad de utilizar unas herramientas u otras. • En el mecanizado de carcasas aeronáuticas, las operaciones de ranurado son críticas, ya que suelen ser de las últimas operaciones, cuando la pieza ya ha adquirido un gran valor añadido. Por otro lado, la aspiración del sector hacia los procesos de fabricación avanzada conlleva una mejora constante de la productividad, reduciendo los tiempos de mecanizado y mejorando la vida útil de las herramientas. Teniendo en cuenta que el ranurado es un proceso de corte continuo y estable, se ha realizado una investigación de ranurado en Inconel 718 con plaquitas de alúmina con refuerzos, que permiten una gran velocidad de corte de 300 m/min. El estudio se ha centrado, concretamente, en la influencia del radio de filo, ya que cuanto mayor sea este radio, mayor será la deformación y aplastamiento del material, pero, por el contrario, contribuye a reforzar el filo de corte, haciéndolo más resistente. Por lo tanto, la preparación de los filos se ha realizado teniendo en cuenta que un filo más afilado es frágil para mecanizar una superaleación, mientras que un filo poco afilado aumenta considerablemente las fuerzas de corte. Los resultados mostraron que todas Situación de algunas ranuras en carcasa aeronáutica y ensayos de ranurado en barra [9].
AERONÁUTICA 10 las herramientas tuvieron un bajo desgaste de flanco, que asegura la tolerancia geométrica del corte y se comprobó un ligero efecto de reducción del desgaste al utilizar radios de filo mayores. Por otro lado, los radios de filo mayores presentan mayores fuerzas radiales, pero la variación del radio de filo parece no afectar a las fuerzas tangenciales. • Conductividad térmica baja: uno de los problemas que se presentan al mecanizar las superaleaciones es la degradación del material de la herramienta de corte por las altas temperaturas del proceso, el calor durante el mecanizado no se disipa debido a la baja conductividad térmica del material. El principal modo para combatir este problema es el uso de refrigeración a alta presión, aunque la refrigeración criogénica muestra cada vez mayores ventajas. En un estudio reciente se ha comprobado la influencia de la presión y el volumen de taladrina sobre la vida de la herramienta de torno en una aleación de titanio. Los resultados son favorables tanto al aumento de la presión como del volumen, aunque no en la misma medida dependiendo de las condiciones de ensayo, como se muestra en el ejemplo de este artículo: “La importancia de una buena refrigeración en el mecanizado de Ti6Al4V”. • Formación de virutas continuas y largas: la adecuada fragmentación de la viruta repercute positivamente en la vida de la herramienta y en la estabilidad de las operaciones de mecanizado. El torneado es un proceso de corte ininterrumpido, por ello la viruta generada durante el mecanizado de materiales de alta ductilidad, como pueden ser las aleaciones empleadas en los motores aeronáuticos, tiende a ser continua y a no fraccionarse, originando problemas de calidad superficial o en la propia vida útil de la herramienta [10]. Además, la viruta juega un papel fundamental a la hora de extraer el calor que se genera durante el proceso de corte, ya que si se elimina de manera fraccionada se evita que dicha energía se transfiera a la herramienta. Los rompevirutas cumplen esta función ya que, al poder redirigir y facilitar la extracción de la viruta, existe una menor fricción entre pieza y herramienta, haciendo que la vida útil de esta última aumente en comparación con una herramienta desprovista de rompevirutas. Por medio de ensayos en Inconel 718 realizados con una herramienta de torneado dinámico se ha comprobado la efectividad del rompevirutas. El torneado dinámico plantea mayores retos que un torneado convencional, ya que la viruta se evacua en direcciones distintas y con dimensiones diferentes según se disponga el ángulo de posición Kr. En el siguiente cuadro se muestra cómo el rompevirutas moldeado sobre la cara de la herramienta cumple su cometido cuando se utilizan ángulos de posición elevados y profundidades de corte mayores. Para los casos restantes sería necesario un rediseño del rompevirutas o bien hacer variar otros parámetros de corte como la velocidad de avance, que está directamente relacionada con el espesor de viruta. • Tendencia a la deformación y endurecimiento: en el mecanizado de materiales dúctiles, como las superaleaciones, el cizallamiento se produce Morfología de virutas en función del ángulo de posición y la profundidad de corte con herramienta de torneado dinámico [11].
AERONÁUTICA 11 LA IMPORTANCIA DE UNA BUENA REFRIGERACIÓN EN EL MECANIZADO DE TI6AL4V El Centro de Fabricación Avanzada Aeronáutica realiza pruebas de vida útil de insertos de torneado para superaleaciones con el fin de optimizar el rendimiento de diferentes operaciones. Se ha comprobado cómo influyen la presión y el volumen de taladrina sobre la vida de la herramienta de torno en una aleación Ti6Al4V. Con el fin de intentar aumentar la vida útil de las herramientas se ha aprovechado la posibilidad del aporte de taladrina externa disponible en el cabezal de la máquina. Para ello se ha desviado el flujo externo del cabezal, de manera que incida sobre el inserto al mismo tiempo que el flujo de taladrina interno. Los resultados muestran que el aumento de la presión de taladrina interna tiene un efecto positivo en los ensayos de acabado, con un aumento de hasta el 42% en la duración de la herramienta. Sin embargo, el efecto no es tan claro en los ensayos de semiacabado, con un aumento del 63% en la duración de la herramienta a presiones intermedias pero un descenso al 53% a altas presiones. La presión de taladrina y el caudal son variables parcialmente dependientes, ya que a mayor presión también aumenta el caudal, por lo que a presiones intermedias aumenta el rendimiento. Sin embargo, a presiones más altas se produce una dispersión del flujo producida por un mayor diámetro de salida, ya que el portaherramientas de semiacabado dispone de orificios de refrigeración de 2 mm mientras que los de acabado son de 1 mm. Por otro lado, la adición de taladrina externa tiene un efecto positivo en todos los casos, ya que el aporte de taladrina externa es constante y no depende del nivel de presión. En condiciones de acabado la mejora oscila entre un 41% y un 67%. En semiacabado los resultados son más drásticos, entre un 198% y un 145%. Los márgenes de mejora son en este caso mucho más grandes debido a que la profundidad de corte es mayor y se genera más calor que se disipa con el refrigerante. Con taladrina interna, el mejor rendimiento en semiacabado se encontraba a presiones intermedias, sin embargo, al añadir el flujo externo hay una buena refrigeración desde las presiones bajas y al ir aumentando la presión, la dispersión del flujo interno va reduciendo el rendimiento. En resumen, en acabado, donde el calor puesto en juego es menor, el mayor beneficio viene de un aumento de la presión y en menor medida del aporte de refrigeración externa. En cambio, en semiacabado, el aumento del caudal es muy beneficioso ya que retira mucho calor, pero presiones altas de taladrina dispersan el flujo, por lo que la solución idónea es optar por presiones bajas y aporte de taladrina externa.
AERONÁUTICA 12 al entrar el material en régimen plástico. Sin embargo, debido a la resistencia con la temperatura, son necesarias elevadas fuerzas de corte que acortan la vida de la herramienta. Además, la deformación produce un endurecimiento de las capas de la superficie del material mecanizado, tanto más cuanto más desgastada está la herramienta, generando tensiones residuales en la pieza. Esta capa endurecida dificulta aún más el proceso de corte y genera entallas en la herramienta en un proceso acelerado de degradación. El concepto ‘Near Net Shape’ surge como posible solución a este tipo de problemas. La forja, la fundición y más recientemente la fabricación aditiva, son procesos con los que se pueden alcanzar buenas preformas. Fabricando piezas con tamaños y geometrías lo más cercanas posible al componente final se consigue no solo reducir la cantidad de residuos, sino disponer de un material poco afectado superficialmente. Esto permite trabajar con demasías pequeñas, sin embargo, el nivel de precisión que se requiere es muy alto ya que el material sobrante es mucho menor, las tolerancias son pequeñas y no hay margen para correcciones, por lo que es fundamental un correcto posicionamiento en máquina [12]. La sensorización y la simulación de procesos y máquinas y la incorporación de gemelos digitales son cada vez más útiles para trabajar con precisión en este tipo de piezas. El CFAA colabora en proyectos de desarrollo de elementos de utillaje para la sujeción de piezas en procesos de mecanizado que ayuden en la precisión de las operaciones de acabado. Uno de los elementos en desarrollo son las garras sensorizadas, que permiten obtener información en tiempo real sobre la presión a la que está sometida la pieza por el amarre. En análisis preliminares, previo a su introducción en procesos de mecanizado, se aplicó una fuerza puntual conocida a través de una roldana a distintas alturas sobre la pieza. La pieza está apoyada y sujeta por dos garras sensorizadas dispuestas a 90º y otras dos garras no sensorizadas en los lados opuestos. Los valores más bajos se obtuvieron en la zona alta, ya que la distribución de esfuerzos se reparte por la estructura de amarre. La mayor diferencia entre las dos fuerzas se produce cuando la garra sensorizada y la fuerza están alineadas en sentidos opuestos. A través de la sensorización del amarre se persiguen dos objetivos: por un lado, monitorizar el proceso de mecanizado, el cual puede servir como indicador de desgaste de la herramienta según su evolución; y por otro lado, controlar el estado de la pieza, analizando sus condiciones antes y después de cada operación para identificar posibles relajaciones de tensiones, dilataciones térmicas o desajustes en el posicionamiento de esta. PROYECTOS DE RELEVANCIA El CFAA, en su compromiso con la innovación y la mejora continua, ha focalizado varios de sus proyectos en la investigación y solución de los problemas asociados con el mecanizado de superaleaciones. A través de una combinación de enfoques teóricos y aplicados, el CFAA busca desarrollar métodos y tecnologías que permitan un mecanizado más eficiente y preciso de estos materiales, reduciendo costos, mejorando la calidad de las piezas y prolongando la vida útil de las herramientas de corte. Algunos de estos proyectos son: [CORTEX] Precision in critical Ultra Near Net Shape components obtained by 2030 processes. HAZITEK ZE-2022/0029 financiado por el Gobierno Vasco. [CRESCENDO] Sistemas de producción para control exhaustivo de calidad en componente mecanizados desde nuevos procesos primarios. Proyecto CPP2021-008932 de acrónimo CRESCENDO, financiado por MCIN/ AEI/10.13039/501100011033 y por la Unión Europea ‘NextGenerationEU’/PRTR. Set-up experimental de garras sensorizadas para el torneado de carcasa aeronáutica de Inconel 718.
AERONÁUTICA 13 [ERAGIN] Una nueva ERA en la fabricación avanzada de módulos de presión intermedia para la Generación de INnovación y conocimiento. HAZITEK ZE-2024/00024 financiado por el Gobierno Vasco. [HATASU] High Breakout Rate Tooling with Surface Integrity Safeguarding: New Designs and Comprehensive Process Monitoring. HAZITEK ZE-2024/00024 financiado por el Gobierno Vasco y la Unión Europea a través del Fondo Europeo de Desarrollo Regional 2014-2020 (FEDER). CONCLUSIONES Las superaleaciones fueron concebidas como materiales altamente resistentes, tanto a los efectos de la corrosión, como para soportar las altas temperaturas. El precio a pagar a cambio de esas características es la dificultad en la manufactura de piezas mediante cualquier tipo de tecnología, siendo especialmente complejo el mecanizado. Actualmente el conocimiento en el mecanizado de superaleaciones es bastante profundo, se conocen bien las características de los materiales, los elementos químicos principales son lo suficientemente abundantes para disponer de ellos con cierta facilidad y los elementos aleantes, aunque algunos muy escasos en la naturaleza, se utilizan en diferentes proporciones de las que se han obtenido gran cantidad de superaleaciones con características diferentes, y se sigue investigando para encontrar elementos que refuercen la estructura del material sin perjudicar otras propiedades y que sean de abundancia suficiente en la naturaleza para una fácil obtención. Sin embargo, a pesar de toda la ciencia acumulada, la experiencia nos dice que todo lo que sabemos no es más que el punto de partida, el primer escalón a superar. Cada vez que se acomete el mecanizado de una pieza concreta, con unas características geométricas determinadas, el proceso cambia, se necesitan nuevas herramientas y una superaleación muy específica, por lo que sólo se dispone de una primera aproximación de lo que puede suceder. Es necesario realizar muchas pruebas que ajusten y optimicen el comportamiento esperado, se hace necesario probar velocidades de corte y avance que minimicen el desgaste de las herramientas, evitar vibraciones y chatter en paredes delgadas, encontrar precisión en las operaciones de acabado para trabajar con piezas cercanas a la geometría final y generar pocos residuos o utilizar refrigerantes adecuados para cada proceso, además, cada innovación tecnológica abre la puerta a un gran universo de posibilidades que es necesario explorar.n REFERENCIAS [1] Haibo Long, Shengcheng Mao, Yinong Liu, Ze Zhang, Xiaodong Han, Microstructural and compositional design of Ni-based single crystalline superalloys - A review, Journal of Alloys and Compounds, Volume 743, 2018, Pages 203-220, ISSN 0925-8388. [2] John K. Tien, Thomas Caufield, Superalloys Supercomposites Superceramics, Academic Press, 1989, Pages ibc1-ibc2, ISBN 9780126908459, https://doi.org/10.1016/B978-0-12-690845-9.50030-0. [3] C. 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Ann. Phys. 1967, 44, 426–478, doi:10.1016/0003-4916(67)90100-5. [9] Fernández-Lucio, P., Urbikain-Pelayo, G., Plaza, S., Pereira-Neto, O. (2024). Influence of the cutting-edge preparation in ceramic tools for grooving of Inconel® 718 and force prediction. Engineering Science and Technology, an International Journal, Volume 54, ISSN 2215-0986. (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/ S2215098624001125) [10] Amigo, F.J., Urbikain, G., de Lacalle, L.N.L. et al. On the effects of cutting-edge angle on high-feed turning of Inconel 718© superalloy. Int J Adv Manuf Technol 125, 4237–4252 (2023). https://doi.org/10.1007/ s00170-023-10974-5 [11] Francisco Javier Amigo, Asier Fernandez Valdivielso, Pablo Fernandez De Lucio, Octavio Pereira Neto, Gorka Urbicain Pelayo, Freddy Corrales Lacayo, Luis Norberto Lopez de Lacalle Marcaide. ‘Influence of side Cutting Edge angle on the design of the chipbreaker: study of dymanic and high feed turning tools in Inconel718’. DYNA 98, no. 4 (2023). DOI: https://doi.org/10.6036/10876 [12] https://www.interempresas.net/MetalMecanica/Articulos/480423-Losretos-en-la-fabricacion-de-los-componentes-Near-Net-Shape-Sencillo-pero-complejo.html
14 FABRICACIÓN ADITIVA La tecnología láser desempeña un papel central en el sector manufacturero, especialmente en el campo de la fabricación aditiva. En este contexto, el Instituto Fraunhofer de Tecnología Láser ILT y Makino, fabricante mundial de máquinas-herramienta con sede en Japón, se aventuraron a realizar un emocionante avance tecnológico: querían transferir el revestimiento láser de alta velocidad extrema EHLA a una plataforma CNC de cinco ejes. Para ello, sin embargo, había que desarrollar una cinemática que permitiera un movimiento rápido y dinámico del cabezal de mecanizado para el proceso EHLA. Esto permitiría procesar con flexibilidad una amplia gama de formas geométricas y recubrir los componentes con una enorme variedad de materiales. Al principio, los socios del proyecto sólo pensaban en la fabricación aditiva, pero pronto surgió el tema de las reparaciones: “Las reparaciones son muy interesantes”, explica Min-Uh Ko, jefe de grupo de fabricación aditiva y reparación LMD en Fraunhofer ILT. “Hay que sustituir muchos componentes caros, incluso por defectos menores. Un sistema flexible como el de Makino con mesa giratoria e inclinable ofrece buenas opciones de reparación, lo que ahorra costes de nueva producción, evita tiempos de transporte y entrega y minimiza los tiempos de inactividad. Además, el tema de la reparación es el requisito básico para una futura economía circular”. La tarea de Makino en el proyecto no solo se limitó al hardware CNC, sino también al control del proceso, ya que este tuvo que rediseñarse por completo. El reto consistía en adaptar técnicamente la máquina a altas aceleraciones y optimizar el control del proceso y la cinemática de la máquina para controlar con precisión la interacción entre el rayo láser y el material. La máquina-herramienta desarrollada por la filial de Makino en Singapur alcanza una velocidad de avance efectiva de hasta 30 metros por minuto, lo que supone un aumento significativo en comparación con los sistemas convencionales. Esta velocidad es especialmente ventajosa cuando se mecanizan componentes grandes y complejos, ya que reduce significativamente el tiempo de producción. Las mejoras técnicas se traducen en una alta calidad constante de los productos finales y una mayor eficacia del proceso de producción, lo Makino y Fraunhofer ILT amplían las posibilidades de la fabricación aditiva Min-Uh Ko, del Instituto Fraunhofer de Tecnología Láser ILT (izquierda), y el Dr. Johannes Finger, de Makino (derecha), dirigen la cooperación investigadora en la que la deposición de material por láser de alta velocidad extrema EHLA se transfirió a una plataforma CNC de cinco ejes. Foto: Fraunhofer ILT, Aquisgrán. Makino y el Instituto Fraunhofer de Tecnología Láser ILT están utilizando EHLA y EHLA3D para redefinir los límites de la fabricación aditiva. Mediante la integración de EHLA3D en una plataforma CNC de cinco ejes, han desarrollado un proceso que puede producir, revestir o reparar eficientemente geometrías complejas con materiales de alta resistencia. Resultado de la colaboración: tiempos de producción más cortos y mayor vida útil de los componentes en industrias críticas, al tiempo que se sientan las bases para la innovación futura en la economía circular.
FABRICACIÓN ADITIVA que es especialmente importante para los componentes de alta calidad de las industrias aeroespacial y de fabricación de herramientas. Johannes Finger, director del proyecto de Makino, afirma: “Makino es conocido en todo el mundo por sus sistemas CNC de alta precisión. El paso a la fabricación aditiva, especialmente LMD de alta velocidad, representa una expansión estratégica de la cartera de Makino. La máquina CNC de cinco ejes desarrollada conjuntamente nos permite ahora producir con rapidez y precisión formas geométricas complejas con materiales difíciles de soldar, como aceros de alta resistencia o carburo. Es algo único”. La optimización conjunta aumenta la eficiencia y la precisión Fraunhofer ILT aportó su amplia experiencia en el campo de los procesos de fabricación basados en láser y aportó al proyecto su completa infraestructura y sus instalaciones de laboratorio especializadas. Gracias a sus décadas de experiencia en el desarrollo de procesos y componentes para LMD, el instituto contribuyó de forma decisiva a optimizar los parámetros del proceso para procesar diversos materiales y, en última instancia, transferir la nueva tecnología al cliente piloto industrial toolcraft AG. Esto incluyó el ajuste de los parámetros del láser, la puesta a punto de la alimentación de polvo y la optimización del control de movimiento de la máquina CNC. “La optimización de la entrada de calor es un aspecto crítico del proceso EHLA3D”, explica el prestigioso experto en materiales Min-Uh Ko. “La velocidad de alimentación y el chorro de gas en polvo desempeñan un papel crucial en el control del calor que se introduce en el material. Ajustando la velocidad de alimentación y los flujos de masa de polvo, podemos controlar con precisión la entrada de calor, reducir la zona afectada por el calor y garantizar una calidad de recubrimiento uniforme”. Según Johannes Finger, la alta velocidad de acumulación es un avance significativo. “Utilizando altas velocidades de avance y una alimentación de polvo optimizada, podemos conseguir una eficacia considerablemente mejorada de la aplicación de material con la misma precisión o incluso mayor. De este modo, la tasa de acumulación con HS-LMD puede incrementarse significativamente, lo que mejora la eficiencia global del proceso de producción”. REPARACIÓN Y RECUBRIMIENTO DE COMPONENTES DE ALTO RENDIMIENTO Uno de los objetivos del proyecto era la reparación y el mantenimiento de piezas de máquinas y herramientas de alta calidad expuestas a grandes cargas durante su funcionamiento normal. Los socios pudieron lograrlo con la tecnología EHLA3D adaptada. Además, la tecnología EHLA3D se utilizó con éxito para recubrir piezas de desgaste, lo que mejora significativamente la vida útil de estos componentes. Al poder aplicar ahora revestimientos resistentes al desgaste de forma precisa y eficaz, EHLA3D se ha convertido en una solución rentable para prolongar la vida útil de componentes de diversos sectores, como la minería y la industria pesada. El hecho de que Makino haya podido aplicar los resultados tan rápidamente en la nueva máquina de mecanizado AML 500 demuestra, por un lado, lo flexibles que son los sistemas CNC del fabricante de máquinas. Por otro, las aplicaciones prácticas también demuestran que la tecnología EHLA3D no es sólo un concepto teórico, sino una tecnología avanzada, robusta y aplicable industrialmente que ofrece ventajas significativas en términos de coste, eficiencia y rendimiento. Así pues, la colaboración entre el cliente industrial y Fraunhofer ILT ha dado lugar a mejoras tangibles en la tecnología de fabricación que van mucho más allá del entorno de laboratorio. Un aspecto clave de los desarrollos futuros será identificar y validar nuevas áreas de aplicación para el proceso EHLA3D. Dado que los sistemas de materiales que pueden procesarse son ahora tan flexibles, este proceso EHLA ampliado puede transferirse ahora a aplicaciones que normalmente no podrían investigarse, ya que el proceso LMD tiene tales limitaciones. Esto se aplica en particular a las aplicaciones con sistemas multimaterial y a la impresión de estructuras finas. n El nuevo proceso de producción con tecnología EHLA3D permite producir, revestir o reparar eficazmente geometrías complejas con materiales de alta resistencia. Foto: Makino. Makino ha implementado los resultados del proyecto conjunto en la nueva máquina de procesamiento AML 500. La flexible máquina-herramienta alcanza una velocidad de avance efectiva de hasta 30 metros por minuto. Foto: Makino. 15
Bicicleta ultraligera de una sola velocidad impresa en 3D La fabricación aditiva y la impresión 3D son ya elementos permanentes en la industria y la ingeniería mecánica. El equipo de desarrollo de la empresa pionera en software CoreTechnologie muestra ahora que incluso objetos complejos de uso cotidiano pueden fabricarse de forma rápida, sencilla y barata con la impresora 3D, poniendo como ejemplo una bicicleta. Por primera vez, el equipo del fabricante de software CoreTechnologie (CT) ha creado una bicicleta especialmente ligera y económica fabricada con componentes de aluminio impresos en 3D y tubos de carbono estándar. La versión de una sola velocidad totalmente operativa de la bicicleta pesa sólo 7,1 kilogramos y está lista para montar. A diferencia de la fabricación convencional de cuadros de carbono, los sencillos pasos de trabajo permiten una producción rápida, sin complicaciones y automatizada. GEOMETRÍA DE CUADRO ÓPTIMA, CONSTRUCCIÓN SENCILLA Y DISEÑO DESENFADADO Los desarrolladores del software CT combinaron piezas de unión autoconstruidas e impresas en 3D, fabricadas en La primera bicicleta de una sola velocidad de la impresora 3D. Foto: CoreTechnologie GmbH. 16 FABRICACIÓN ADITIVA
aluminio (AlMgSi10) y tubos de carbono extremadamente ligeros fabricados a máquina por la empresa Carbonforce. Los tubos se unieron con adhesivo bicomponente de alta resistencia de la industria aeronáutica. El proyecto se realizó en un tiempo récord de sólo dos meses, desde la idea hasta el prototipo listo para rodar. El equipo de CT optimizó el diseño basándose en una geometría de cuadro existente de 56 centímetros y lo perfeccionó en numerosos renders 3D. Gracias a un inteligente diseño de las piezas del cuadro, la versión de una sola velocidad también puede equiparse con marchas. Gracias a los grados de libertad que permite el diseño asistido por ordenador (CAD) junto con el proceso de impresión 3D SLS, se consiguió un diseño especialmente ligero y sencillo que, gracias a sus características de conducción, Detalles nobles en la estructura de la superficie de la primera bicicleta de la impresora 3D. Foto: CoreTechnologie GmbH. representa una tendencia contraria a las bicicletas eléctricas técnicamente complejas y pesadas. En este proyecto, el fabricante utilizó su software 4D_Additive para optimizar el grosor de las paredes, generar texturas superficiales y realizar la producción sin problemas de las piezas impresas en 3D en la máquina SLM del socio de servicios FKM. En numerosos recorridos de prueba, la bicicleta impresa en 3D ha demostrado que es muy robusta y resistente y que puede desplazarse fácilmente por distintos tipos de caminos. Con el proyecto y el prototipo resultante, el equipo de CoreTechnologie ha demostrado que, con la ayuda del software y el hardware actuales, la producción de artículos cotidianos y de consumo complejos es posible de forma rentable, rápida y sencilla, independientemente de las frágiles cadenas de suministro. “Además del diseño desenfadado y el placer de conducción, la bicicleta superligera de CoreTechnologie puso una sonrisa de incredulidad en los rostros de los probadores en cuanto la cogieron”, afirma el visionario y CEO de CT, Armin Brüning, encantado con el último desarrollo de CT. n 17 FABRICACIÓN ADITIVA
18 SECTOR MÉDICO Aidimme y Meltio crean por primera vez en España implantes biomédicos de titanio con tecnología de hilo de soldadura por láser El proyecto de investigación Atila ha anunciado un importante avance tecnológico: el centro de investigación valenciano Aidimme ha instalado un prototipo de tecnología de impresión 3D para crear por primera vez en España implantes biomédicos de aleaciones de titanio con la tecnología única de impresión 3D de metal que desarrolla la multinacional española Meltio con sede en Linares (Jaén). Este proyecto de investigación, formado por un consorcio de distintas entidades, investiga los diferentes usos y aplicaciones de implantes biomédicos con titanio, del tipo Ti64-ELI, gracias a la tecnología única de impresión 3D de metal aportada por la multinacional española con sede en Linares, Meltio. La principal novedad destaca en que por vez primera en España se está investigando las aplicaciones que pueden crearse con este titanio en Imagen de miembros del proyecto Atila en la instalación del prototipo Atila, personal técnico y de investigación de Aidimme, de Meltio y de Sicnova.
El nuevo proceso va a permitir controlar mejor los gradientes térmicos para poder asegurar una metalurgia adecuada a las exigentes normas que aplican para el procesado de Ti6Al4V ELI 19 SECTOR MÉDICO piezas impresas en 3D por tecnología de hilo de soldadura, que a diferencia de otras tecnologías como el polvo metálico para crear piezas en 3D es mucho más eficiente, con procesos menos contaminantes y que generan menos residuos de material en su manipulación, con lo que contribuye a reducir la huella de carbono de esta tecnología. El proyecto de investigación Atila está financiado por el Ministerio de Ciencia e innovación y la Agencia Estatal de Investigación para Proyectos en Líneas Estratégicas del Plan Estatal de Investigación Científico, Técnica y de Innovación 2021-2023, en el marco del Plan de Recuperación, Transformación y Resiliencia. Está formado por un consorcio multidisciplinar liderado por Aidimme con la participación de la fundación de investigación del Hospital General Universitario de Valencia FIHGUV, el grupo de investigación de Aplicaciones del láser y fotónica de la Universidad de Salamanca ALF Usal y la multinacional española de soluciones de fabricación aditiva de metal Meltio. El proceso de fabricación aditiva de deposición directa de metal por láser (DED-LB/M) puede construir piezas con la adición de materia prima en forma de polvo o de alambre. Las ventajas de la tecnología DED-LB/M con alambre incluyen un proceso de contaminación más bajo que cuando se usa polvo, una buena tasa de deposición, un relativo bajo costo y un alto uso de la materia prima (cerca del 100%). Cuando se trabaja con polvo éste puede reutilizarse, pero debe controlarse su composición química la cual varía tras su uso. Un tema muy importante en este proceso es la interacción del metal con el oxígeno, que puede ocurrir en materiales altamente reactivos como el titanio. Imagen de miembros la Universidad de Salamanca (Usal), la fundación de Investigación del Hospital General Universitario de Valencia (FIHGUV) y de Aidimme durante la reunión técnica para observar el prototipo Atila fabricando demostradores en Ti6Al4V.
20 SECTOR MÉDICO Durante un proceso de fabricación aditiva existe una tendencia a captar oxígeno por parte del metal debido al aumento de temperatura durante la fusión y posterior deposición de capas sucesivas; el contenido de oxígeno no debe superar el límite máximo establecido en las normas de referencia para implantes UNE-EN ISO 5832-3:2017 (Implantes quirúrgicos. Materiales metálicos. Parte 3: Aleación forjada a base de titanio, aluminio 6 y vanadio 4, con un valor máximo de oxígeno de 0,2% para Ti6Al4V grado 5 y 0,13% de porcentaje de oxígeno para Ti6Al4V ELI, un límite de oxígeno más estricto en la norma de referencia ASTM F136-21). El uso de gas de protección de forma coaxial a la fusión es característica de la tecnología DED -que va creando la pieza fundiendo el material metálico sólido a un estado líquido creando la pieza capa a capa con la impresora 3D de Meltio- para garantizar una gran eficiencia de deposición de material y calidad de impresión. Sin embargo, debido al gran gradiente de temperatura producido durante el proceso, debe controlarse la microestructura del material y sus propiedades mecánicas para poder cumplir con las especificaciones más restrictivas. En el marco del proyecto Atila, se ha desarrollado e integrado un prototipo basado en tecnología DED-LB/M que está recibiendo sus últimas mejoras en 2024. Específicamente, el nuevo proceso va a permitir controlar mejor los gradientes térmicos para poder asegurar una metalurgia adecuada a las exigentes normas que aplican para el procesado de Ti6Al4V ELI. Durante el pasado mes de Junio de 2024 se realizó una reunión técnica del Proyecto en las instalaciones de Aidimme donde investigadores de Aidimme, Usal (Universidad de Salamanca) y la FIHGUV de Valencia se reunieron junto con Meltio para conversar acerca de las normativas, los posibles candidatos de implantes a fabricar y la simulación numérica en desarrollo por parte de la Usal, objetivos del proyecto Atila. Aidimme es un Instituto Tecnológico que, además, está registrado como Agrupación Empresarial Innovadora (AEI), siendo una asociación independiente, cuyo fin es contribuir a incrementar la competitividad de las empresas, fundamentalmente en el ámbito del diseño y desarrollo de producto, materiales innovadores, procesos avanzados y sostenibles de aprovisionamiento, fabricación, logística, distribución y servicios, tal y como se indica en sus Estatutos. La capacidad de adaptación de la Asociación en los últimos cuarenta años ha sido básica para el mantenimiento de su objetivo de incrementar la competitividad de las empresas. Con ellas, Aidimme ha ido modificando su modelo de negocio, desde un modelo más vertical orientado a sectores concretos a un modelo más abierto como la actual economía, donde se amplían y se redefinen los sectores objetivo, siendo estos: mueble, hábitat y edificación; metalmecánico y bienes de equipo; automoción y transporte; madera, metales y otros materiales; bienes de consumo, etc., sectores que están incluidos en el ámbito de los planes estratégicos regionales RIS3 (Estrategia de Especialización Inteligente en Investigación e Innovación). n
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