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Dr. Iñigo Iturriza, Dra. Maria San Sebastian, Dr. Jose Luis Gomez

07 de Junio de 2017

Casos de éxito en

aplicaciones avanzadas

de Fabricación Aditiva

Índice

• Diseño de POLVOS para FA

• Fabricación de una pieza aeronáutica mediante la tecnología SLM

• Ejemplos de aplicación de la FA con polímeros. Soluciones tecnológicas

2

Algunos de los métodos de FA más populares

3

Powder Bed Fusion (SLM, DMLS, EBM, …)

Laser Metal Deposition

• Complex shapes & internal cavities• Thin walls & lattice structures• Better furnace finish

• Both for cladding & freeform• Large part size possible• High powder deposition rates• Use of coarse powders

Todos estos métodos tienen en común la materia prima

Binder Jetting

• High tol, good surface finish & high res due to no melting

• Thin walls & channels• High productivity for small

complex components• Post-processing can add

significant time to overall process

POLVO METÁLICO

¿Qué pide el proceso al polvo?

• Que fluya bien

• Que llene de manera uniforme, reproducible, consistente con el espesor de capa deseado

• Que tenga un tamaño compatible con la precisión deseada a la hora de definir las piezas

• Que sea soldable, no forme defectos (poros, grietas …)

• Que sea reutilizable

• Precio bajo

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REPETITIVIDAD

Producción de polvo: Atomización con gas

5

6

¿Por qué Atomización con gas?

• Control de las propiedades, D50, PSD, Fluidez, Porosidad Interna, Forma

• Elevada productividad

Porque entendiendo el proceso de atomización y estudiando como afectan las variables del mismo en el proceso final

Se puede conseguir

• Aplicable a una gama muy amplia de materiales• Mínima oxidación de los polvos• No suelen hacer falta post-tratamientos. Solo clasificación• Controlando el proceso se consiguen formas bastante esféricas• La microestructura es fina, se minimizan segregaciones

Y además

Proceso de atomización: variables

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Presión del gas

Tipo de gas

Geometría del atomizadorFlujo de gas

Sobrepresión

Diámetro de la buzaFlujo de metal

Velocidad del gas

Sobrecalentamiento del caldo

Metal o aleación

Densidad, viscosidad, tensión superficial, temperatura de fusión, calor latente de

fusión, capacidad calorífica y conductividad térmica

Relación entre los flujos másicos de

gas y de metal

GMR

Densidad, viscosidad y conductividad térmica del

gas

Proceso de atomización

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Ligamentos y grandes gotas

Atomización secundaria y colisiones

entre partículas.

ATOMIZACIÓN PRIMARIA

SOLIDIFICACIÓN DE LAS PARTÍCULAS

Proceso de atomización: ecuaciones

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Hay un conjunto de ecuaciones que sirven para entender cada etapa del proceso y ayudan a la modelización

Predecir el D50 de los polvos partir de las diversas variables del proceso

Calcular el tiempo de solidificación

Calcular el tiempo de esferoidización

Proceso de atomización. Modelización

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VelocidadLA CÁMARA DE ATOMIZACIÓN

v (

m/s

)

Aplicación a la producción de polvo 316L

11

• ¿Cómo se controlan las características del polvo?• Entendiendo el efecto de los parámetros de atomización• Diseñando atomizaciones / atomizadores de acuerdo a ese

conocimiento

V (m/s)

¿Cómo se controla la DTP?

12

30 bar40 bar50 bar60 bar

No solo la presión importa

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20 bar (GMR=0.41)30 bar (GMR=0.35)40 bar (GMR=0.80)50 bar (GMR=1.22)50 bar (GMR=1.93)

50 bar (GMR=1.97)50 bar (GMR=2.86)50 bar (GMR=5.27)

No solo D50 importa. La PSD condiciona el costo €/kg

Fracción de polvo entre 20 y 50 µm

22%

+60%

14

FLUIDEZ - LLENADO MORFOLOGIA

15

POLVO CASI-ESFÉRICO

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Tª, GAS, SIST. ANTI-SAT

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Forma de las partículas - defectos

Gas atrapado Libre de defectos

Diseño de POLVOS para FA

Entendiendo el efecto de los parámetros de atomización en las propiedades de los polvos

Diseñando atomizaciones / atomizadores de acuerdo a ese conocimiento

Se puede optimizar las propiedades de los polvos para los diferentes requerimientos de las diferentes técnicas de FA

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Índice




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Casos de éxito en aplicaciones avanzadas de

Fabricación Aditiva

Fabricación Aditiva de Metales – Tecnología SLM

Caso de éxito: Fabricación de una pieza aeronáutica mediante la tecnología SLM

FABRICACIÓN

DISEÑO - ANÁLISIS

TEST - VALIDACIÓN

PRODUCTO -INDUSTRIALIZACIÓN

Material -Proceso-Maquina

Optimización de parámetros

In-situ monitoring

Rediseño -Optimización

Reglas de diseño

Simulación multi-física del proceso

Control de calidad con NDT y 3D scan (micro CT)

Big data de monitoring (aprendizaje, calidad)

Ensayos funcionales

Post procesado y acabado (HIP, TT, mecanizado, pulido,..)

Integración de cadena de

fabricación

Análisis viabilidad (económico-

técnico)

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FABRICACIÓN

Material characteristics

- Thermal conductivity- Absorption coefficient- Melting point- Coefficient of thermal expansion

Controlling parameters in SLM process

Process parameters

Laser Scan Powder Temperature

- Laser power- Spot size- Pulse duration- Pulse frequency

- Scan speed- Hatch spacing- Scan pattern

- Particle size- Particle shape & distribution- Powder bed density- Layer thickness- Material properties

- Powder bed temperature- Powder feeder temperature- Temperature uniformity

Optimización de parámetros

Los parámetros de proceso principales se pueden describir en el concepto: DENSIDAD de ENERGÍA

E = energy density (J/mm3)P = laser power (W)v = scanning speed (mm/s)h = hatch spacing (mm)t = layer thickness (mm)

E↑↑ Porosity E↓↓ Lack of fusion

Optimisation of process parameters

Very low scanning speed → long interaction time between laser and powder → high energy density

causing evaporation of powder and porosity

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FABRICACIÓN Optimización de parámetros

Determinación de propiedades mecánicas

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FABRICACIÓN Material –Proceso -Máquina

Propiedades mecánicas de piezas fabricadas por SLM están entre material forjado y fundición

Fatiga → Depende de la porosidad, faltas de fusión y acabado superficial

INCO 718

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FABRICACIÓNIn situ

monitoring

0,841 0,794 0,746

0,873 0,81 0,762

0,905 0,857 0,794

[391x351]; double;1.097.928 bytes

0 0 0

0 01

1 1 1

[391x351];logical;137.241 bytes

[2x1] ;double;16 bytes

y = 0,1318x + 87,435

-100

0

100

200

300

0 100 200 300 400 500 600

Áre

a (

Pix

els

/10

0)

Tiempo (s)

Area

CCD camera

• Coaxial

• 50 fps

• Increasing time, thus the thickness of the piece, the disipation of heat is worse,

increasing both temperature and area of the melt pool.

• Good correlation between the temperature and area measured

Melt pool

Weld pool geometry monitoring

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DISEÑO - ANÁLISISRediseño -

Optimización

Desarrollo de nuevos concepto de diseño

Soporte de motor de avión

•Funcionalidad•Aligeramiento•Minimización de soportes

Diseños optimizados

Diseños optimizados + Reglas de Diseño

Diseños fabricados

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FABRICACIÓNDISEÑO - ANÁLISISRediseño -

Optimización

Diseño de la estrategia de soportaje para garantizar tolerancias dimensionales e integridad del proceso

Recoating direction

Building direction

Control de distorsiones durante el proceso de fabricación

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DISEÑO DE LA ESTRATEGIA DE SOPORTAJE




FABRICACIÓNDISEÑO - ANÁLISISSimulación multi-física del proceso

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TEST - VALIDACIÓN 3D Scan

Antes de cortar de la placa base

Después de cortar de la placa base

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FABRICACIÓN

Fatigue limit•HIP 920 °C → 480-550 MPa•TT 850 °C → 450-468 MPa

Mejora de las propiedades a fatiga mediante HIP y tratamientos superficiales.

Aleación de Ti: Ti64

PRODUCTO -INDUSTRIALIZACIÓN

29

Índice




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Ejemplos de aplicación de la fabricación

aditiva con polímeros

EJEMPLOS DE GRADOS DE MATERIALES DE IMPRESIÓN 3D DESARROLLADOS

Elastómeros termoplásticos de Poliuretano Elastómeros termoplásticos estirénicos

PolipropilenoPolietileno

ABS modificado con carga mineralPET reciclado, PETG, PC

PLA, PHB, PCL,

Bobinas de filamentos de 1,75 y 2,85 mmPetR, PP , TPU

PolipropilenoPHB blends

PETG

Elastómero estirénico

TPU

PETReciclado

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Soluciones tecnológicas a los retos actuales


EVALUACIÓN DE LA FABRICACIÓN DE SERIES CORTAS CON MATERIALES DEFINITIVOS UTILIZANDO MOLDES IMPRIMIDOS

Termoconformado de film sobre molde imprimido

Combinación de Tecnologías de impresión 3D para obtener los moldes imprimidos ( FFF/

SLA)

Inyección sobre pastillas imprimidas

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Soluciones tecnológicas a los retos actuales


Molde imprimido de 280 x 490 mm

Colocación del prepreg

Contramolde de silicona

Pieza prototipo de vinílester-carbonomoldeada a vacío

Impresión de moldeplástico hembra en 6 piezas

MOLDE IMPRIMIDOS PARA LAMINACIÓN Y MOLDEO A VACÍO DE PREIMPREGNADOS DE CARBONO

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UTILLAJE PARA EL MOLDEO DE COMPOSITES

Mandrino de evaluación de arrollamiento de depósito que incluye elementos imprimidos

Obtención de estructuras tubulares, huecas de composite por filament winding

Diseño de mandrinoacodado destruible Impresión por partes del

mandrino acodadoBobinado con fibra de carbono

y resina vinílester

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OBTENCIÓN DE ESTRUCTURAS COMPLEJAS Y TUBULARES EN

COMPOSITE MEDIANTE LA UTILIZACIÓN DE PREIMPREGNADOS

Estructura multitubularcon preimpregnados

de carbono

Troquelado de preformas de prepregs carbono

Colocación del prepreg Aplicación de vacío

estructura imprimida

ESTRUCTURAS DE SOPORTE IMPRIMIDAS PARA OBTENER PIEZAS DE GEOMETRÍA COMPLEJA EN COMPOSITE

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MODELOS INTERMEDIOS IMPRIMIDOS PARA PROCESOS A LA CERA PERDIDA

Compuestos termoplásticos incinerables e imprimibles

Aplicación de revestimiento cerámico

sobre el modelo imprimido

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Muchas gracias por su atención

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