Tecnologies i aplicacions en fabricació additiva de materials metàl·lics

Les tecnologies de fabricació additiva, additive manufacturing en anglès, es defineixen com els processos d'unió de materials per crear objectes, usualment capa a capa, a partir de dades 3D d'un model, de forma oposada a les tècniques de fabricació sustractiva [1]. Aquestes tecnologies permeten la fabricació directa d'objectes 3D a partir de dades o models CAD (Computer Assisted Design).

En l'actualitat, aquestes tecnologies permeten fabricar peces 100% funcionals amb un alt valor afegit i constitueixen un conjunt de tecnologies emergents que s'estan convertint en serioses competidores dels processos de mecanitzat i conformat tradicionals. Aquest tipus de tecnologies s'estan introduint d'una manera creixent en sectors tals com el biomèdic, aeronaútica, automoció, motlle i matricería i cada vegada més en la fabricació de productes de consum general.

Principals avantatges de les tecnologies de fabricació additiva

• Reducció del temps de llançament al mercat a causa de la rapidesa del procés. Es poden reduir dràsticament moltes de les fases actuals de llançament i validació, així com flexibilitzar la seva adaptació a les demandes en constant canvi del mercat.
• Personalització de productes amb una total flexibilitat en el disseny i construcció. Es poden produir peces de pràcticament qualsevol forma i sense gairebé limitacions geomètriques. Un exemple clar és la fabricació d'implants o pròtesis adaptats a les particularitats de cada pacient.
• Estalvio màxim de material. S'elimina el desaprofitament de material en forma d'encenall de mecanitzat… Existeixen estudi on es conclou que és possible reduir fins a en un 40% el volum de material en brut [3].
• No es requereixen útils, motlles ni encunys. Les peces es produeixen directament d'un model CAD 3D amb absència total d'errors humans en producció i es poden fabricar sèries unitàries sense amb prou feines costos extres.
• Es produeixen peces totalment funcionals i sense porositat residual.
• Fabricació d'estructures tancades amb llibertat de disseny. És possible fabricar peces amb una gran complexitat de forma, amb canals interns o estructures reticulars alleugerides.
• Possibilitat de desenvolupar productes multimaterial, ergonòmics o amb diversos mecanismes integrats en una mateixa peça.

El treball aquí presentat està precisament dirigit a analitzar i aconseguir aquests reptes. L'avanç sobre l'estat de l'art radica en la definició de les condicions de la pols i del procés (paràmetres, estratègies de fabricació) que permetin evitar l'aparició de defectes, optimitzar la densitat de les peces fabricades i de la seva condició superficial i precisió.

cal assenyalar que actualment existeixen més d'11.500 patents i aplicacions publicades sobre els processos de fabricació additiva. Cada any es publiquen més d'1.400 noves patents que abasten totes les facetes de la tecnologia incloent: processos, materials i programari; diverses aplicacions en medicina, motlles…

El procés de fusió selectiva mitjançant làser, en engonals selective laser melting o SLM, és un procés de fabricació additiva desenvolupat recentment per a materials metàl·lics [4] [5] [6]. El procés es descriu detalladament en la Ref. [6]. Es basa en la fusió mitjançant l'acció d'un làser de pols metàl·lica predepositado en capes molt fines i uniformes sobre una plataforma de treball; el procés es repeteix capa a capa fins a completar-se la peça. El làser genera en cada capa el contorn de la peça a construir fonent la pols. La plataforma descendeix al llarg de l'eix z després de finalitzar cada capa una distància igual a l'espessor de la capa treballo (habitualment entre 20 i 50 micres). Els processos d'aplicació i fusió es repeteixen de forma successiva fins que es completen totes les capes que constitueixen la peça final.

Figura 1: Descripció el procés SLM.

A la tecnologia SLM s'utilitza un làser com a font d'energia per fondre la pols. Molt dels materials metàl·lics aptes per a aquest procés són susceptibles a l'oxidació. Per aquest motiu el procés SLM es duu a terme en càmeres tancades i habitualment en atmosferes protectores (no oxidants). És habitual treballar amb aliatges de titani o cobalt-crom en atmosferes inertes d'argón.

En l'actualitat existeixen diferents marques comercials d'equips SLM. Entre elles les més rellevants són Electro Optical Systems (EOS), Realizer GmbH, Renishaw i SLM Solutions GmbH, les dues últimes sorgides de MTT Machines [6]. La companyia americana Concept Laser comercialitza també aquesta tecnologia amb el nom alternatiu de Laser Cusing, si bé es tracta de la mateixa tecnologia. Encara que la gamma de materials procesable pot variar en funció de les característiques de cada equip, a dia d'avui es poden processar una gran varietat de materials metàl·lics entre els quals s'inclouen acers inoxidables, acers d'eina (H13), aliatges de titani (TiAl6V4 i TiAl6Nb7), aliatges de cobalt crom, aliatges d'alumini (AlSi12Mg i AlSi10Mg), aliatges de bronze i aliatges de níquel (INC625 i INC718).

Figura 2: Equipament SLM Realizer 250 d'IK4 Lortek.

En aquest apartat es mostren alguns exemples reals de peces i components fabricats mitjançant SLM en les instal·lacions d'IK4 Lortek. Els components fabricats es descriuen per sectors amb l'objectiu d'il·lustrar les capacitats i potencials aplicacions del procés SLM.

Els implants mèdics són una dels nínxols de mercat més importants de la tecnologia SLM. Igual que el cos humà, es tracta de peces personalitzades i úniques. La tecnologia SLM té un gran nombre d'avantatges en aquesta aplicació entre les quals destaquen: la possibilitat de fabricació de formes complexes i personalitzades, la immediatesa en el desenvolupament d'una solució (a partir d'una tomografia de la zona a reconstruir es pot dissenyar a mesura un implant), la reducció del temps i de les complicacions quirúrgiques (es pot ajustar l'implant en models abans de l'operació sobre motlles o esquelets fabricats en polímer a partir de la zona a reconstruir) i la possibilitat de fabricació d'estructures lleugeres i graduals amb una major compatibilitat biomecànica, confort i osteointegración.

IK4 Lortek ha treballat durant els últims anys en el desenvolupament d'implants i pròtesis maxilofaciales (corones i ponts dentals, reconstrucció de mandíbula), per traumotología (genoll, maluc) i neurocirugía (implants cranials i de corporectomía). Els treballs realitzats s'han dut a terme amb diferents grups mèdics de l'hospital de Basurto. Per a la fabricació d'aquests implants s'ha treballat amb aliatges cobalt-crom, titani i acer inoxidable.

Figura 3: Corones i ponts dentals, implants de columna i implant de maluc fabricats per IK4 Lortek.

A part dels propis implants i pròtesis, la fabricació d'instrumental quirúrgic és una altra de les aplicacions de la tecnologia SLM. En la següent Figura s'inclou un detall de guies de tall i plaques de fixació desenvolupades per a una intervenció de cirurgia maxilofacial reconstructiva en IK4 Lortek.

Figura 4: Guia de tall i fixació per a cirurgia maxilofacial fabricats per IK4 Lortek.

La llibertat de disseny que ofereix la tecnologia SLM es pot aplicar a la fabricació d'inserits i motlles. L'objectiu principal dels motlles d'injecció i bugada és assegurar un refredament adequat de la peça. Aquest refredament depèn de la transferència de calor entre el metall fos i el motlle. Per optimitzar aquest refredament es poden utilitzar components fabricats mitjançant SLM amb canals de refrigeració interns que discorrin prop de la superfície. El concepte més habitual és la fabricació d'inserits que es col·loquen sobre blocs de motlle prefrabicados. La utilització d'aquests inserits proporciona una transferència de calor homogènia (evita el sobrecalentamiento de parts del motlle), millora la qualitat superficial de les peces injectades i redueix considerablement els cicles d'injecció.

IK4 Lortek ha treballat en el desenvolupament d'aquests inserits per a motlles d'injecció de polímers i alumini.

Figura 5: Inserits per a motlles d'injecció fabricats per IK4 Lortek.

La tecnologia SLM permet fabricar estructures reticulars o de gelosia tant amb pell externa com sense pell. Aquest tipus d'estructures proporcionen un potencial enorme per aconseguir un aligeramiento estructural però fins ara era complicat fabricar-les mitjançant processos convencionals. No obstant això, les possibilitats que ofereix la tecnologia SLM s'estan aplicant d'una manera cada vegada més palesa en sectors on la reducció de pes i l'augment de la relació resistència enfront de pes suposen un avantatge.

En particular en el sector aeronàutic, aquesta tecnologia està suposant una veritable revolució i s'estan aconseguint reduccions importants del pes i dels costos de producció. IK4 Lortek ha aplicat aquesta tecnologia per a la fabricació de components d'instrumentació i motors d'aviació en superaleaciones basi Níquel del tipus INC718 [8] i titani (TiAl6V4). En aquestes aplicacions a més es compta amb l'avantatge de la reducció del volum de material de partida necessari i de la reducció del consum de combustible.

Figura 6: Detall d'estructures reticulars amb i sense pell fabricades per IK4 Lortek.

El sector d'automoció és un altre sector on s'estan identificant aplicacions i components que es poden fabricar mitjançant SLM i que poden arribar a integrar altres funcionalitats com a aïllament acústic, vibracions…

Finalment cal assenyalar que la indústria de la ciència és un mercat que demanda solucions capdavanteres i tecnològicament avançades. La tecnologia SLM s'està aplicant cada vegada més al desenvolupament de components la fabricació dels quals mitjançant tecnologies convencionals és impossible. Amb aquesta tecnologia s'està donant resposta a les necessitats de disseny, precisió i funcionalitat esperades per a aquest tipus de components.

Figura 7: Detall d'un component per ITER fabricat per IK4 Lortek.

Les tecnologies de fabricació additiva en general i SLM en particular, s'estan tornant molt atractives per a sectors en els quals ja estan introduïdes com el biomèdic, aeronàutic, automoció o motlle i matricería. En aquest treball s'han presentat diversos exemples de peces fabricades mitjançant la tecnologia SLM per a aquests sectors. És d'esperar que a causa dels avantatges inherents d'aquest procés i als desenvolupaments que s'estan duent a terme, el nombre d'aplicacions creixi de manera exponencial en aquests sectors i en altres nous substituint en part als processos de fabricació convencionals.

Referències

[1] ASTM F2792-10 “Standard Terminology for Additive Manufacturing Technologies”, www.astm.org: ASTM International.

[3] G. Levy, «The role and future of the Laser Technology in the Additive Manufacturing environment, » Physics Procedia, vol. 5, pàg. 65-80, 2010.

[4] J. Kruth, «Material Incress Manufacturing by Rapid Prototying Techniques, » CIRP Annals - Manufacturing Technology, vol. 40, pàg. 603-614, 1991.

[5] J. P. Kruth, G. Levy, F. Klocke i T. Childs, «Consolidation phenomena in laser and powder-bed based layered manufacturing, » CIRP Annals - Manufacturing Technology, vol. 56, pàg. 730-759, 2007.

[6] T. Wohlers, Wohlers Report 2012 Additive Manufacturing and 3D Printing State of the Industry, Fort Collins, Colorit: Wohlers Associates, 2012.

[7] [Online]. Available: http://www.merlin-project.eu/project/index.jsp.

[8] A. Gibson, D. Rosen i B. Stucker, Additve Manufacturing Technologies: Rapid prototyping to Direct Digital Manufacturing", Springer, 2010.