Proyecto ManSYS: Construyendo una plataforma de fabricación aditiva

El objetivo del proyecto europeo ManSYS es lograr que empresa pueda encargar una pieza y, a través de la plataforma online denominada, pueda conocer desde los tiempos de producción hasta confirmar los materiales elegidos, todo ello bajo los estándares de calidad exigidos por mercados como el biomédico y aeronáutico. El ahorro de costes para las empresas viene de la mano del aprovechamiento de una infraestructura trasnacional, ya que al unir en una misma plataforma a proveedores de materiales, fabricantes y técnicos especialistas en AM, el cliente puede prescindir de la adquisición de estas máquinas de fabricación aditiva. El proyecto estimó que el ahorro en costes de fabricación de las piezas puede reducirse entre un 30 y un 50%.

El proyecto pretende poner a disposición de los usuarios finales la plataforma desarrollada, que les permitirá mejorar sus productos y reducir los tiempos de producción gracias a la ingeniería concurrente en la que participan todos los agentes necesarios: fabricantes de materia prima, suministradores de piezas por fabricación aditiva, talleres de mecanizado, instalaciones de tratamiento térmico, etc.

Tres aspectos clave están siendo desarrollados en el proyecto ManSYS:

• Software de toma de decisiones, de apoyo a usuarios finales, para ayudarles a decidir si sus piezas/productos pueden ser fabricados por tecnologías de fabricación aditiva.
• Sistema de gestión de la cadena de suministro, que permita una gestión sencilla de la fabricación aditiva en el proceso productivo.
• Red de apoyo para (re)diseñar productos por fabricación, aportando al usuario soluciones de alto valor añadido.

Para probar la plataforma ManSYS, ésta se utilizará para el desarrollo de varios demostradores pertenecientes a sectores tan críticos como el aeronáutico y salud. Los demostradores son aportados por las empresas Twocare, Wisildent, Smith & Nephew y GE Aviation.

Doce socios han unido sus esfuerzos para desarrollar y poner en marcha la plataforma ManSYS, permitiendo cubrir completamente la cadena de suministro. El proyecto ManSYS está financiado por la Comisión Europea dentro del Séptimo Programa Marco de Investigación y Desarrollo tecnológico, dentro de la convocatoria de ‘Factories of Future’ y está previsto que se concluya a mediados de 2016. Concretamente, el proyecto ManSYS cuenta con la participación de las empresas Smith & Nephew (Gran Bretaña), General Electrics Avionics (Turquía), Twocare (Italia) and Wisildent (Italia) que aportaran demostradores para validar la cadena de suministro. El trabajo de desarrollo e implementación es ejecutado por TWI (Gran Bretaña), TNO (Holanda) y Aimme - Instituto Tecnológico Metalmecánico como expertos en las tecnologías de fabricación aditiva de metal. Finalmente, el proyecto cuenta con otros agentes de relevancia para la cadena de suministro: Materialise (software), LPW (fabricante y distribuidor de materia prima), Polyshape (fabricante de piezas y tratamientos térmicos), Berenschot (consultoría) y BCT (expertos en mecanizado).

Las tareas del proyecto se agrupan en torno a los siguientes paquetes de trabajo:

• Desarrollo de la cadena de suministro de ManSYS: Este paquete de trabajo es fundamental, ya que tiene entre sus objetivos definir la arquitectura de la plataforma ManSYS, las especificaciones y la integración de los diferentes módulos en la red de ManSYS. ManSYS sólo interaccionará entre el proveedor de servicios de fabricación aditiva (service bureau) y el usuario final. Esto significa que el proveedor de servicios de fabricación aditiva interaccionará con sus proveedores por métodos convencionales.

La plataforma se plantea en tres pasos, y está formada por cinco módulos:

• Normalización: En la actualidad existen pocas normas relacionadas con procesos de fabricación aditiva, aunque sí existen grupos de normalización en EE UU y Europa. A través de ManSYS se va a contribuir a definir prioridades de normalización relacionadas con la cadena de suministro e incluso a desarrollar nuevos temas. Todo esto se está haciendo de manera coordinada con la hoja de ruta de normalización en fabricación aditiva del proyecto SASAM, financiado durante el Séptimo Programa Marco de la Unión Europea.
• Optimización del diseño: Al fabricar con tecnologías de fabricación aditiva se pueden cambiar las reglas de diseño vigentes para fabricación tradicional. Uno de los paquetes fundamentales del proyecto es el destinado a la optimización del diseño. Se centra principalmente en la optimización del material de diseño, la normalización de los posprocesos y análisis de las estructuras de soporte asociadas que se requieren utilizando SLM o EBM. Una tarea fundamental consiste en la optimización del diseño de los componentes, orientados a su función. El módulo de optimización topológica de Abaqus (ATOM) ha sido utilizado para los ciclos de optimización durante los cuales se ha estudiado la reducción de peso, requisitos estéticos, capacidad de carga y fatiga del componente. Dentro de la plataforma ManSYS se ofrecerá un servicio de optimización del diseño de las piezas a fabricar por AM.

• Control de calidad: Para asegurar que los productos cumplen con los requisitos del mercado y de los clientes se está prestando especial atención a todos los aspectos necesarios para asegurar el control de la calidad de las piezas así como en la cualificación de los procesos. Esto es crucial, ya que el proyecto se centra en sectores altamente regulados, como son médico y aeronáutico. Para apoyar el diseño del sistema de calidad se ha llevado a cabo un estudio previo para comprobar cuáles son los factores clave que afectan a las piezas fabricadas por fabricación aditiva en términos de calidad y qué pasos adicionales deberían ser llevados a cabo en la cadena de suministro (por ejemplo postprocesos, ensayos, …) para asegurar que todas las piezas cumplen con los requisitos deseados. Durante el estudio previo, se desarrolló el documento técnico de requisitos (TRD) de cada uno de los demostradores proporcionados por los usuarios finales, que recoge todas las características técnicas que dichas piezas deberán de cumplir. Uno de los principales objetivos es alcanzar la cualificación de las tecnologías de fabricación aditiva de piezas metálicas para los sectores anteriormente mencionados, demostrando que pueden cumplir con todas las especificaciones de las piezas y que el proceso de fabricación es robusto y repetitivo. Para lograr dicho objetivo, se han desarrollado una serie de procedimientos de calidad e instrucciones operativas centrados en toda la cadena de valor, desde que llega el diseño de la pieza hasta que dicha pieza es entregada al cliente final. este respecto se está prestando especial atención a los aspectos relacionados con la trazabilidad de la materia prima y las piezas finales. Para ello se han tomado como referencia las normas ASTM F2924-14 ‘Standard Specification for Additive Manufacturing Titanium-6 Aluminium-4 Vanadium with Power Bed Fusion’ para aplicaciones aeronáuticas, y ASTM F3001-14 ‘Standard Specification for Additive Manufacturing Titanium-6 Aluminium-4 Vanadium ELI (Extra Low Interstitials) with Power Bed Fusion’ para aplicaciones relacionadas con el sector salud. Cabe mencionar que el sistema de calidad ha tenido en cuenta también con especial detalle la necesidad de establecer un procedimiento de validación de proveedores, bien sean de material, aspectos relacionados con el diseño, fabricantes o laboratorios de ensayo, con el objeto de seleccionar únicamente proveedores capaces de cumplir con todos los criterios dados. En este paquete de trabajo también se han recopilado estudios llevados a cabo para validar el procesado de Ti-6Al-4V, Ti-6Al-4V ELI, CoCrMo F75 con estas tecnologías SLM y EBM para que puedan ser utilizados para la fabricación de productos para la industria biomédica y aeronáutica.

• Aseguramiento de la robustez del modelo: Otra parte clave del proyecto va orientada a analizar los riesgos que pueden provocar que la plataforma no cumpla con las expectativas debido a eventos inesperados en una cadena de suministro compleja como ManSYS. Por ello, se están considerando todas las contingencias posibles y validar múltiples proveedores para conseguir la mejor relación calidad-precio, robustez y fiabilidad de la plataforma.
• Integración del sistema ManSYS: El proyecto ManSYS dispone de un paquete de trabajo destinado a integrar los resultados obtenidos de la integración de la cadena de suministro, la optimización del diseño y todo lo relacionado con la gestión de calidad dentro del software ManSYS. Por tanto, este paquete constituye una etapa clave del proyecto. Se implementará una interfaz avanzada de usuario, que permitirá a terceros utilizar la red de la cadena de suministro, herramienta de toma de decisiones y las características técnicas del sistema ManSYS. La interfaz de usuario permitirá subir archivos de diseño, requisitos específicos relativos a la pieza y calidad de material requerida y dar feedback al usuario relativo a la comprobación de la fabricabilidad.
• Demostración del sistema y validación: Una vez esté desarrollado el sistema ManSYS, se procederá a la validación del mismo mediante la fabricación de los demostradores comentados anteriormente. Así se podrá validar el sistema completo, comprobando entre otras cosas la calidad de las primeras piezas producidas, la robustez del sistema, evaluación del análisis de costes y las predicciones de fábrica virtual. Se llevarán a cabo ensayos de los parámetros clave de cada demostrador, para comprobar que, habiendo sido fabricados por fabricación aditiva, se cumple con los requisitos técnicos exigibles.
• Difusión y explotación: La parte del proyecto relativa a la difusión y explotación de los resultados del proyecto es fundamental, ya que se debe conseguir que el conocimiento generado sea difundido fuera del proyecto ManSYS. Está siendo desarrollado un plan de uso y difusión que será constantemente actualizado durante toda la vida del proyecto. Es fundamental incluir el modelo de negocio desarrollado y una visión de conjunto de la explotación de los resultados y uso potencial.

El proyecto acaba de concluir su primer año, por lo que durante estos doce meses los esfuerzos han ido enfocados identificar los aspectos clave de definición y diseño de la plataforma ManSYS.

Concretamente, se ha definido la arquitectura de la plataforma ManSYS, sus especificaciones y la integración de los diferentes módulos en la red. Se ha desarrollado un diagrama de flujo que detalla todas las relaciones entre suministrador de material, proveedor de servicios de fabricación aditiva y usuario final, de manera cronológica. Dicho diagrama se compone de 11 subdiagramas:

1. Suministro de material
2. Registro de usuario final
3. Registro de proveedor de servicios de fabricación aditiva
4. Decisión de tecnología de fabricación aditiva
5. Búsqueda de proveedores para optimización
6. Búsqueda de proveedores para fabricación
7. Validación del diseño
8. Orden del diseño validado
9. Fabricación de la pieza
10. Recepción de la pieza
11. Pago

Además, a lo largo de este primer año se han identificado y establecido requisitos y necesidades para normalización relacionada con la fabricación aditiva y gestión de la calidad para la plataforma ManSYS.

Por lo que respecta a la optimización del diseño de las piezas, se han rediseñado los demostradores anteriormente comentados, con resultados bastante espectaculares, ya que se ha conseguido una reducción de masa de hasta el 75%, manteniendo las propiedades mecánicas exigibles a dichos productos. Esto ratifica la necesidad de ofrecer dentro de la plataforma ManSYS un servicio de optimización del diseño de las piezas a fabricar por fabricación aditiva.
Con el objetivo de alcanzar la cualificación de las tecnologías de fabricación aditiva de piezas metálicas se han desarrollado una serie de procedimientos de calidad e instrucciones operativas centrados en toda la cadena de valor, desde que llega el diseño de la pieza hasta que dicha pieza es entregada al cliente final.

Por lo que respecta al aseguramiento de la robustez del modelo, se están analizando en profundidad los riesgos que pueden provocar que la plataforma no cumpla con las expectativas.
Una vez desarrollada completamente la cadena de suministro, la optimización del diseño y el sistema de calidad, se llevará a cabo la integración de todos estos factores dentro del software ManSYS y se fabricarán los demostradores para comprobar el óptimo funcionamiento de la plataforma.

Una vez acabado el proyecto, se espera poder poner la plataforma a disposición de los usuarios finales. El proyecto está pensado, en una primera fase, para uso industrial, principalmente para los sectores aeronáutico y biomédico, aunque, una vez esté en marcha, la Comisión Europea busca que pueda abrirse a otros sectores, como el juguete y, finalmente, al consumidor final.
Al finalizar el proyecto, una empresa o un particular, podrá encargar cualquier pieza que desee fabricar en 3D, totalmente personalizada y podrá hacer un seguimiento de su pedido de un modo sencillo, a través de la plataforma creada. ManSYS tiene una duración de tres años, y actualmente acaba de concluir su primer año.