¿Imprimir, cortar o usar lo mejor de ambos?

Apr 29, 2023

Manufacturing Engineering cubrió por última vez las ventajas y desventajas de combinar el mecanizado aditivo y sustractivo en detalle en julio de 2017. La motivación básica sigue siendo la misma: no importa qué enfoque aditivo utilice, producir una pieza satisfactoria casi siempre requiere un mecanizado de seguimiento. Y aunque quedan situaciones en las que tiene más sentido usar una fresadora o un torno separados para ese posprocesamiento, una máquina híbrida cuesta menos que varias máquinas, ocupa menos espacio, requiere menos programación y reduce el manejo y el trabajo en proceso. Además, un híbrido le brinda la capacidad de inspeccionar y mecanizar las características interiores a medida que las construye. Pero sabíamos todo esto hace tres años. ¿Qué ha cambiado?

Un avance emocionante en los híbridos es la capacidad de combinar materiales, creando así aleaciones especializadas o zonas de transición. Por ejemplo, las máquinas de la serie LASERTEC de DMG Mori USA, Hoffman Estates, Illinois, tienen dos alimentadores de polvo que pueden depositar dos materiales diferentes a lo largo de la construcción, midiendo con precisión el flujo. Como explicó Nils Niemeyer, gerente de ventas y servicio de la división de fabricación aditiva de la compañía, "los materiales clasificados funcionalmente se han discutido en la academia por un tiempo, pero los hemos comercializado. Por ejemplo, puede usar 100 por ciento de acero para herramientas en un área de la pieza, y luego, si es necesario un área de mayor dureza, mezcle un poco de acero de alta velocidad. Capa por capa, el proceso pasa de ese material a otro hasta que quizás haya un 100 por ciento de acero de alta velocidad y 0 por ciento de acero para herramientas". En el pasado, agregó, los operadores tenían que escribir manualmente el código NC para que los dosificadores de polvo cambiaran su alimentación en cada capa. Pero DMG Mori y Siemens se asociaron para agregar una función al software Siemens NX que permite al usuario programar una curva de transición sin problemas.

Niemeyer ofreció otro beneficio a la capacidad de controlar la transición entre materiales: los métodos convencionales para el revestimiento duro de una pieza crean un aumento de tensión en el área entre el material duro y el blando. "Pero ahora, debido a que tenemos la capacidad de nivelarlo fácilmente, podemos crear una o dos capas de transición, con una transición suave del material blando al material duro. De repente, disminuye ese aumento de tensión".

Admitió que debido a que todavía es una tecnología disruptiva, los casos de uso de materiales clasificados (incluida la clasificación en el comportamiento magnético) aún se están investigando. Una historia de éxito del mundo real es la de un fabricante de rodamientos de rodillos que trabajó con DMG Mori para construir jaulas de rodamientos con diferentes grados de dureza. Específicamente, una jaula tiene una rigidez y una dureza muy altas a lo largo de la línea recorrida por el rodamiento, pero se funde con un material menos rígido y más dúctil en el lateral para absorber mejor los impactos.

Al igual que en 2017, las máquinas híbridas se justifican más fácilmente para la reparación y modificación de piezas existentes. Pero mientras que el negocio de reparación de álabes de turbina parecía ser el mercado más importante en ese momento, Niemeyer dijo que la fabricación de moldes y herramientas tiene un potencial mucho mayor ahora. Por un lado, observó, las geometrías de los álabes de las turbinas son más simples "y existen aplicaciones de nicho muy especializadas para repararlas". Hay una gran variación geométrica entre las herramientas y los moldes y "no hay un proceso especializado. La industria los ha estado reparando manualmente y la calidad de la soldadura no es consistente".

Por ejemplo, Bodine Aluminium, Troy, Mo., utiliza el LASERTEC 65 3D híbrido para reparar moldes de fundición a presión de aluminio y ha triplicado la vida útil de un troquel reparado en comparación con el proceso manual, igualando la vida útil de una herramienta nueva. Además, estas reparaciones son más rápidas que el método convencional y, en general, correctas a la primera. El proceso de reparación de un molde de fundición a presión de aluminio en Friedrich Deutsch Metallwerk GmbH, Innsbruck, Austria, involucró dos horas de precalentamiento, ocho horas de soldadura manual, dos horas de enfriamiento y 30 minutos de fresado. Los cuatro pasos del proceso se extendieron durante dos días. Hacer la reparación en un LASERTEC 65 3D requiere una configuración, con una hora de programación y dos horas de deposición y mecanizado láser, un ahorro de tiempo del 80 por ciento.

Jason Jones, PhD, cofundador y director ejecutivo de Hybrid Manufacturing Technologies, McKinney, Texas, se hizo eco de la evaluación de Niemeyer de que la reparación de moldes y matrices es un gran negocio ahora. En 2017, ME informó que la técnica de fusión de lecho de polvo (PBF) era mejor que la deposición de energía dirigida (DED) para aplicaciones de moldes, debido a la mayor densidad de piezas de PBF. Pero tanto Niemeyer como

Jones dijo que sus sistemas DED logran las densidades de piezas necesarias de más del 99 por ciento (según el material y los parámetros). Jones agregó que la capacidad de mezclar materiales discretos es inherente al proceso DED alimentado con polvo y no tiene por qué limitarse a dos, diciendo que "dado que podemos variar el polvo que fluye a través de las boquillas sobre la marcha, podría ser cualquier número de materiales" y que cualquier configuración de máquina podría incluir dos, tres, cuatro o incluso más suministros de polvo.

Hybrid no construye máquinas CNC. Ofrece una selección de cabezales DED intercambiables (marca AMBIT) que encajan en cualquier husillo de máquina herramienta estándar. La empresa se ha asociado con usuarios finales que desean agregar capacidad AM a sus máquinas y con OEM de máquinas herramienta que desean ofrecer esa capacidad. La última categoría ha crecido a 10 empresas en los últimos años, incluidas Haas Automation, Mazak, Hurco, Sugino, Georg Fischer, ELB y ROMI.

Otro cambio desde 2017 es un aumento en el rango de posibles tamaños de cuentas. Los cabezales AMBIT ahora van de 0,5 a 6 mm (~0,02 a 0,24"), y Jones señaló que el volumen de construcción aumenta por el cuadrado del cambio de ancho.

En algunos casos, la capacidad de mezclar y adaptar materiales hace que las máquinas híbridas también sean la solución adecuada para la creación de piezas nuevas. Por ejemplo, dijo Jones, algunos clientes "no solo quieren reparar moldes. Quieren hacer moldes que sean mejores que nuevos. Están acostumbrados a hacer moldes con un solo material y ahora se pueden usar múltiples materiales".

Jones dijo que ha visto muchos casos de constructores de moldes que usan la tecnología para agregar un revestimiento duro a lo largo de bordes complejos, "como la línea de separación u otras áreas de desgaste. Y cuando se aplica localmente un material de alto rendimiento en esas áreas, a menudo puede duplicarse o triplicarse". la vida útil del molde".

Niemeyer señaló un estudio de caso en el que un cliente construye moldes fundidos a presión con acero para herramientas sobre un núcleo de bronce. La mejor conductividad térmica del núcleo mejora el rendimiento de enfriamiento del molde en aproximadamente un 20 por ciento sin degradar la vida útil del molde, lo que aumenta el rendimiento.

Niemeyer dijo que la industria espacial también está mostrando un mayor interés en las máquinas híbridas, en parte debido a los costos de los materiales. "Por ejemplo, Inconel. Es difícil de mecanizar. Por lo tanto, en lugar de mecanizar una gran cantidad de material a partir de palanquilla, puede producir una forma casi neta y solo terminar la superficie donde se necesita". Las aleaciones de cobre utilizadas en las naves espaciales son otro buen ejemplo, agregó, y a veces se combinan con Inconel, como las boquillas de los cohetes con revestimiento de Inconel sobre cobre.

"El plazo de entrega de estas toberas de cohetes puede ser de nueve meses", explicó Niemeyer. "Si de repente puede construir una boquilla en cuatro semanas, permite [a los ingenieros] mejorar el diseño de esa boquilla de cohete. Eso da como resultado una mayor productividad y eficiencia de la boquilla. No verá ahorros de costos en el mecanizado, pero verá una mayor eficiencia de las piezas, lo que eventualmente conduce a una reducción de costos en el ciclo de vida”. Niemeyer argumenta que se debe considerar toda la cadena de suministro al decidir si una máquina híbrida es una buena inversión. "Aislar los costos de la máquina no es suficiente. Debe mirar de principio a fin y tener en cuenta cosas como los largos plazos de entrega para importar piezas".

Una adición a las últimas ofertas de Hybrid Manufacturing es la impresión de polímeros y compuestos de polímeros. Como dijo Jones, cada proceso aditivo tiene que hacer una elección fundamental entre la tasa de deposición volumétrica y la fidelidad de la superficie al modelo real, y las máquinas híbridas están diseñadas para resolver este problema. Pero aunque el lado de los plásticos de AM tenía de todo, desde "máquinas estilo escritorio hasta máquinas a escala de sala para la extrusión de polímeros que literalmente pueden imprimir un automóvil", no había soluciones híbridas eficientes. El equipo de Jones creó una solución de cabezal y control que deposita "entre 200 y 2000 veces más rápido que las típicas máquinas de extrusión de polímeros. Toma lo que está en una máquina de escritorio ahora y lo escala para que quepa en el husillo de una máquina CNC o en un robot". Esto significa imprimir piezas a escala de un metro rápidamente y acabar la superficie con mecanizado convencional.

Una aplicación clave es la creación de plantillas y accesorios alrededor o dentro de una pieza de metal. "Suponga que está mecanizando una pieza que es alta y delgada y tiende a traquetear o vibrar", dijo Jones. "Normalmente, se sujetaría con algo resistente, fuerte y rígido, y habría preocupaciones de que los cortadores se toparan con eso. En su lugar, podemos imprimir polímero alrededor de la pieza para reducir la vibración y no preocuparnos de que el cortador se tope con ella. Hacemos un componente de sacrificio que pretendemos eliminar". Jones agregó que los álabes de turbina y los blisks son ideales para este enfoque.

Las opciones para fabricar piezas más grandes son otro cambio reciente en el universo de las máquinas híbridas. La nueva LASERTEC 125 3D Hybrid de DMG Mori tiene un volumen de construcción de 49 × 29" (1244 × 737 mm) y una carga máxima en la mesa de 4409 lb (2000 kg), mientras que la LASERTEC 6600 3D Hybrid fresado/torneado maneja piezas de hasta 41" (1.050 mm) de diámetro y hasta 19,7' (6 m) entre centros.

Hybrid Manufacturing participó en el proyecto Open Hybrid de la Unión Europea (UE) y se asoció con el fabricante alemán de pórticos Güdel para crear lo que Jones describió como una "máquina a escala de habitación. Trabajamos en piezas fundidas de componentes de bombas Weir que tienen varios metros de ancho".

Hybrid también desarrolló un sistema de deposición alimentado por alambre para esta empresa, a diferencia de su sistema habitual alimentado por polvo. Jones dijo que el alambre es deseable, especialmente en formatos de máquina más grandes, porque puede costar menos que la materia prima en polvo y es más seguro. "Con el alambre, no hay polvos de los que tenga que preocuparse por inhalar, no hay posibilidad de explosión de materiales reactivos como el titanio o el aluminio", dijo.

¿No suficientemente grande? Hable con la gente de la Federación Europea de Soldadura, Unión y Corte (EWF), Porto Salvo, Portugal. Dirigieron el proyecto de tres años de la Unión Europea, de 4 millones de euros (4,5 millones de dólares) de la Máquina modular grande aditiva y sustractiva (LASIMM). Concluido en 2019 y ahora comercializado, LASIMM combinó los esfuerzos de los fabricantes de máquinas herramienta, las instituciones académicas y los usuarios finales para crear un concepto de máquina de tamaño casi ilimitado.

Como el Dr. Ing. Eurico Assunção, subdirector de EWF, explicó que la parte AM se basa en un método DED patentado de aditivo de alambre y arco (WAAM) desarrollado por la Universidad de Cranfield y capaz de tasas de deposición de hasta 8,8 lb (4 kg) de metal por hora. "Es transferencia de metal en frío, que es un proceso MIG/MAG", agregó Assunção. "Pero dependiendo de la aplicación, también podemos ofrecer un proceso de plasma". El esfuerzo también validó la capacidad de proporcionar protección local en toda la construcción para permitir la deposición de materiales reactivos como el titanio. La lista de metales viables se extiende desde varios aceros hasta Inconel, aluminio, titanio, tungsteno, molibdeno, bronce, cobre y otros.

La función sustractiva es manejada por un módulo LOXIN Tricept. Ahora, parte del grupo Aritex, LOXIN se refiere a esto como una máquina de cinemática paralela (PKM) porque se basa en un trípode de tres actuadores de movimiento paralelo que se unen en el extremo de un tubo deslizante central. Una cabeza giratoria y una muñeca en el extremo llevan la unidad a una interpolación de cinco ejes. "El módulo Tricept combina una dinámica extrema, alta rigidez y un alcance muy largo. De hecho, es lo suficientemente rígido como para permitir el granallado y laminado en frío a alta presión para refinar la microestructura del metal", dijo Assunção. Además, la unidad Tricept puede usar un cabezal intercambiable para cambiar entre mecanizado y WAAM o soldadura por plasma AM.

David Barbosa, gerente de proyectos de EWF, agregó que "el largo alcance del PKM permite el espacio necesario para robots separados para el mecanizado aditivo y sustractivo. Y los muchos grados de libertad del PKM hacen posible llegar a varios puntos con la rigidez y precisión adecuadas". para el mecanizado sustractivo".

La máquina de demostración LASIMM construida en LOXIN incorpora dos robots FANUC gigantes articulados sobre un conjunto de rieles (todos diseñados por Global Robots), una unidad PKM Tricept sobre una columna móvil (paralela a los rieles del robot) y un rotador parcial con dos columnas y accionamientos sincronizados situados entre los robots y el PKM. Cada uno de los robots está equipado con cabezales WAAM y el PKM está configurado como se describió anteriormente.

Sin embargo, esta es solo una configuración posible. El equipo de LASIMM prevé líneas de ensamblaje aún más largas con varios juegos de rotadores de piezas y sistemas gigantes con ocho o más robots en dos juegos de rieles, además de la unidad PKM en un pórtico elevado que se mueve hacia abajo en la línea. "El proyecto nos enseñó que la arquitectura de una sola máquina no se adapta a todas las necesidades", dijo Assunção. "La máquina es modular, por lo que podemos agregar y eliminar robots o funciones. LOXIN se especializa en estos sistemas integrados, por lo que estamos listos para crear soluciones a medida".

Barbosa dijo que EWF y Autodesk desarrollaron un software que opera las funciones aditivas y sustractivas desde una interfaz de usuario. "El software incluye un modelo digital de la máquina. Usted configura la pieza en una computadora y el posprocesador crea un archivo para controlar la máquina. Básicamente, es PowerMill más LASIMM", dijo.

¿Cuál es el caso de negocios para un LASIMM? Assunção dijo que depende de la geometría de la pieza. Y al igual que las máquinas más pequeñas, una justificación clave podría ser si existe la necesidad de mecanizar características mientras se construye una pieza. Otro podría ser el volumen parcial y el rendimiento. Dijo Barbosa: "BAE Systems era uno de los usuarios finales del consorcio. Querían reducir el tiempo y el costo de fabricación de sus productos, incluidas cosas como los largueros de alas grandes, y querían la capacidad de producir piezas a pedido, hechas a la medida para una aplicación específica. Hybrid es el mejor enfoque para ambos objetivos".

Los proveedores de mecanizado híbrido también han mejorado la capacidad de monitorear y mantener la calidad de las piezas. Niemeyer dijo que las máquinas de DMG Mori incluyen un sensor que rastrea la distancia entre la boquilla y la pieza y advierte al operador si se necesita un ajuste. Los algoritmos incorporados también detectan la posible adhesión de la boquilla. La alimentación de polvo está automatizada y monitoreada para garantizar un flujo constante. Las máquinas monitorean la temperatura ambiente más la temperatura de la pieza, mesa de trabajo, husillo y equipo dentro de la máquina. "Tomamos lo que aprendimos durante los últimos siete años y lo incorporamos en un software y un kit de sensores", dijo.

Jones de Hybrid Manufacturing va un paso más allá y argumenta que el mecanizado híbrido ofrece la oportunidad infrautilizada de validar tanto la geometría de la pieza como la microestructura in situ. En los CNC tradicionales, la microestructura de la pieza está determinada principalmente por la acería. "Desde una perspectiva de corte CNC tradicional, en realidad solo está influyendo [y luego midiendo] las 10 o 15 micras exteriores de la superficie de la pieza", dijo. En AM, la máquina crea tanto la forma de la pieza como la microestructura a medida que se construye. Por lo tanto, uno de los objetivos de la fabricación híbrida es inspeccionar la densidad de las piezas en la máquina, tanto durante el proceso como después de la finalización. Utiliza una sonda de corriente de Foucault para hacer esto, que crea un campo eléctrico y mide la conductividad a través del material.

"La cabeza simplemente roza la superficie", dijo Jones. "Donde existen grietas o vacíos, no hay un camino continuo para que fluyan los electrones, por lo que tienen que dar la vuelta, y el sistema mide esto". Para un molde típico, el proceso toma de 20 a 30 segundos en comparación con los 20 a 30 minutos de una prueba convencional de líquidos penetrantes.

Las máquinas aditivas requieren nuevas consideraciones y procedimientos de seguridad. Las máquinas LASER EX de Okuma, una combinación de un centro de mecanizado estándar de cinco ejes de Okuma (serie MU) o una máquina multitarea de cinco ejes (serie MULTUS), incorporan un láser Trumpf para la deposición de metal por láser. Además de las consideraciones de seguridad láser estándar proporcionadas por Trumpf, Okuma ha creado la siguiente lista de verificación de seguridad:

Administrativo

EPI (Equipo de Protección Individual)

Equipo

—Michael Lail, gerente de cumplimiento de control de calidad, Okuma America Corp.

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