Precisión para sectores críticos

La complejidad de algunas de las piezas que se requieren para la tecnología de sectores críticos como el aeroespacial, el médico o el automovilístico hace necesaria una gran personalización de su diseño, pero complica también sobremanera su creación, que con sistemas tradicionales sería muy cara o directamente imposible. Ahí la fabricación aditiva (la creación de las piezas con impresoras en 3 dimensiones) ofrece una posibilidad de desarrollo enorme. Y abre también un gran campo a la investigación para mejorar todos los procesos que intervienen en ella.

En este entorno se centra la investigación que en los últimos años lleva a cabo Sara Giganto Fernández, primero con sus trabajos de fin de grado y fin de master, y ahora con su tesis doctoral, que realiza en la Unidad de Fabricación e Impresión 3D del Grupo de Investigación de Tecnologías Avanzadas de Fabricación e Inspección (Tafi) de la Universidad de León. Bajo la dirección de Joaquín Barreiro y Susana Martínez Pellitero, Giganto avanza en la optimización de los procesos de fabricación aditiva de piezas metálicas mediante fusión selectiva por láser (SLM), y su posterior inspección óptica avanzada.

«La fabricación aditiva se caracteriza por la posibilidad de elaborar piezas de forma libre, personalizadas y de alta complejidad. Respecto a la comprobación del resultado, sería mu difícil de medir con sistemas de contacto por eso utilizamos sistemas ópticos», explica la investigadora.

En cuanto a la posibilidad de fabricar piezas metálicas de alta complejidad y gran personalización, destaca que la técnica SLM es una de las de impresión 3D más interesantes, por su capacidad de responder a los retos que plantean sectores tecnológicos críticos. «La motivación de esta investigación es conseguir optimizar y mejorar la calidad de las piezas, para lograr una alta precisión tanto geométrica como dimensional, un buen acabado superficial y buenas propiedades mecánicas.

En el grupo de investigación utilizan una máquina de impresión 3dsystens prox100 y como material el acero inoxidable 17.4ph (endurecido por precipitación).

«Para realizar las piezas partimos de un modelo tridimensional que el software lamina en capas, en función del parámetro de capa que utilicemos. Normalmente es de 30 micras de capa. La impresora sabe así qué geometrías debe cumplir en cada capa, el láser dibuja la geometría correspondiente a cada una de ellas, funde el polvo de acero y va dando lugar a las piezas. Que con este sistema tienen grandes tensiones residuales, por lo que es necesario eliminarlas con post tratamientos de arenado o térmicos».

El acero que utilizan en el laboratorio «tiene propiedades muy adecuadas, resistencia a la corrosión, mecánicas, de resistencia a las altas temperaturas,... Por eso se investiga ahora mucho su utilización para fabricar piezas especializadas en sectores que demandan este tipo de piezas, como el aeroespacial o el médico».

El proceso de impresión consiste en extender una capa de polvo de acero en la impresora que la reparte en capas finas. «El láser pasa dando forma y funde la geometría elegida, reparte de nuevo el polvo, y así sucesivamente hasta que tenemos la pieza».

Todo el polvo sobrante se aspira y se reutiliza, tras tamizarlo para eliminar las partículas que se hayan fundido. «Una vez terminada la pieza se aplica un tratamiento térmico de relajación de tensiones: la placa se mete en un horno, nosotros lo tenemos dos horas a 650 grados. Eso permite que la pieza final no tenga puntos que puedan hacer grietas y que la pieza falle».

El elemento impreso se corta de la placa por electroerosión por hilo, y «posteriormente puede hacerse un nuevo tratamiento de arenado. Todos estos tratamientos a posteriori permiten que la pieza mejore, dependiendo de la aplicación que vaya a tener. Por ejemplo, si se necesita mucha dureza puede someterse a nuevos tratamientos térmicos».

La investigación

Precisamente el estudio de cómo esos post tratamientos térmicos cambian las propiedades de las piezas y cómo varían dimensiones y geometrías es una de las líneas de investigación que lleva a cabo actualmente.

«La investigación de la tesis doctoral pretende optimizar el proceso completo de fabricación, desde la optimización de los parámetros en la potencia y el desenfoque, una parte en la que ya hemos avanzado y logrado conclusiones,. Ahora investigamos la optimización del posicionamiento de las piezas en el proceso de fabricación, los ángulos de diseño y la reutilización del polvo (aquí ya hemos caracterizado el polvo de partida y estamos estudiando las piezas fabricadas a partir del reutilizado). En el post proceso recomendamos el arenado y un tratamiento térmico de relajación de tensiones, pero se están utilizando otros; y finalmente la inspección mediante sistemas ópticos, que tiene grandes ventajas». Giganto explica cada uno de los procesos de esta investigación.

«El proceso de optimización, se divide en seis grandes partes: optimización de los parámetros SLM, optimización de posicionamiento en placa, optimización del ángulo de diseño de geometrías, optimización de reúso de polvo de acero, para caracterizar el número de ciclos de reutilización óptimo, estudio de los post procesos y optimización de la inspección óptica».

Giganto, con la impresora con la que trabaja al fondo. JESÚS F. SALVADORES

En la optimización de los parámetros el objetivo es regular la potencia del rayo láser, su velocidad, la distancia de las pasadas, desenfoque (distancia entre la plataforma de fabricación y el sistema de escaneo láser). «Nosotros nos hemos centrado en la potencia, el desenfoque y la estrategia de escaneo».

Por lo que se refiere al estudio de la estrategia de escaneo, se ha analizado el exagonal (crear la placa mediante tramos hexagonales), «que es el más común en las máquinas. Lo hemos comparado con otras estrategias como la normal y la concéntrica».

En cuanto al posicionamiento en la placa diseñamos una placa de cubos, que ocupa todo el área de trabajo. Se observaron las diferencias en función del posicionamiento».

«En el análisis de la optimización del ángulo de diseño de geometrías, cilindros, esferas y cubos, lo que buscábamos era ver con qué precisión imprimíamos geometrías en diferentes ángulos». Se llegó hasta un ángulo de 45 grados, y un patrón de escaleras y ángulos. «Concluimos que las geometrías con mejor precisión geométrica y dimensional son las fabricadas en el ángulo de 15 grados».

Post procesos

Por lo que se refiere a la optimización de los post procesos, la investigación utilizó la placa de fabricación estudiada para el posicionamiento, tras el arenado y tras el tratamiento térmico. «Observamos que el arenado mejora la precisión geométrica y dimensional de estas geometrías, por eso es el que recomendamos. Y concluimos también que un tratamiento térmico que siempre se requiere para la eliminación de tensiones residuales de la fabricación, no cambiaba, no afectaba a la precisión geométrica y dimensional de la pieza».

Sara Giganto apunta que la investigación actualmente estudia el resultado de un tratamiento térmico completo, con relajación de tensiones, puesta en solución y envejecimiento en un horno convencional y un horno HIP, «que es un horno que aplica presión y temperatura a la vez, lo que nos permite reducir el tiempo del ciclo y también, según se ha estudiado, mejora la porosidad, eliminando la porosidad interna».

Inspección de las piezas

Otro de los aspectos de mejora que se investiga en la tesis es la optimización en la inspección de las piezas SLM. «Para ello diseñamos un patrón con esferas de diferentes geometrías y posiciones, se midieron mediante una máquina de medir por coordinadas, tomando esos valores como referencia. Se llevó a cabo la medición en diferentes sistemas ópticos, con la tecnología de triangulación láser, instalada en la máquina, esa misma tecnología con un brazo de medir por coordinadas y con un escaner de mano. También se utilizó la tecnología de sensor de holografía cromoscópica, y un escáner de luz estructurada».

En este punto, la ingeniera señala que «en uno de los estudios analizamos la idoneidad de estas diferentes tecnologías y obtuvimos que tanto en sensor de triangulación como el de luz estructurada en tiempo eran los más idóneos. En este último mejora la precisión, así que es el más idóneo para lo que buscamos».

En otro de los estudios «nos centramos en el post procesado y filtrado de las nubes de puntos procedentes del escaneo, para mejorar la precisión».