Fabricación mixta de Rapid Manufacturing y mecanizado

El Rapid Manufacturing-de aquí en adelante RM- es una nueva tecnología de fabricación a la que algunos denominan la “nueva revolución industrial de la era digital”. De acuerdo con la definición oficial de la Plataforma Europea de Rapid Manufacturing: “RM es fabricar productos finales plenamente funcionales directamente desde datos digitales CAD utilizando tecnologías de fabricación por capas. Es interesante en particular para pequeños volúmenes de fabricación porque evita la inversión en utillaje.” Algunas tecnologías no han pasado del laboratorio, mientras que otras sí han llegado a consolidarse en producto comercial, en forma de máquinas de producción por RM, que lentamente van encontrado nichos de mercado que se caracterizan por los siguientes factores: Productos de alto o muy alto valor añadido (laboratorio, quirúrgico, aeroespacial), productos de gran complejidad de forma o con estructuras internas, productos fabricados en series pequeñas, incluso unitarias (personalizados), para las que el coste de utillajes sería prohibitivo.

En general se trata de nuevos productos, o una combinación de todos los factores anteriores. A pesar de todas las bondades de esta tecnología, para la mayoría de las aplicaciones se precisa de realizar operaciones de acabado debido principalmente a la eliminación de soportes de fabricación, ajuste de partes de las piezas por requerir tolerancias mas estrechas o mejorar el acabado superficial, es por ello que es preciso realizar operaciones de acabado mediante mecanizado con el fin de contribuir a la eliminación de estas dificultades y barreras técnicas que en su estado tecnológico actual presenta el RM para su inclusión en una cadena de producción industrial convencional, de modo que realmente se integre en la cadena de valor.

Introducción al Rapid Manufacturing
El RAPID MANUFACTURING (RM) es una nueva tecnología de fabricación que se define según la Plataforma Europea de Rapid Manufacturing como “La tecnología que permite fabricar productos finales plenamente funcionales directamente desde datos digitales CAD utilizando tecnologías de fabricación por capas”.
A nivel experimental se han desarrollado diversas tecnologías para fabricar piezas de distintos materiales a partir de datos digitales (ficheros CAD que representan tridimensionalmente los objetos) sin necesidad de utillajes (moldes, matrices, amarres, etc.). Todas ellas son tecnologías aditivas en las que se coloca y se une el material donde se necesita, en lugar de eliminarlo por erosión, como se hace en las tecnologías llamadas substractivas, como el mecanizado, el torneado, etc., en las que se retira el material sobrante.
La adición se realiza mediante capas finas de material que posteriormente es consolidado en las zonas de interés, contra las capas inferiores ya consolidadas, por diversos métodos, recibiendo por tanto el nombre de fabricación por capas o “layer manufacturing”. Hay muchos métodos de consolidación, desde la simple proyección balística de partículas sobre la capa inmediatamente inferior (cold spray y otras), hasta consolidación por fusión ultrasónica, pasando por sinterización bajo alta presión y temperatura, uso de binders o adhesivos, impresión mediante impresoras de chorro de tinta modificadas, etc.
Algunas de estas técnicas requieren pasos posteriores de curado, infiltrado de otros materiales, sinterizado térmico, etc., que afectan de modo muy importante a la eficacia del proceso y sobre todo a la precisión y calidad de las piezas finales obtenidas, creando contracciones, porosidad, y otros defectos.
Entre las tecnologías de RM que más éxito han tenido destacan las que utilizan el láser como fuente de energía, ya que el láser es relativamente fácil de manejar y permite aportar una gran cantidad de energía en muy poco tiempo en un espacio muy pequeño, sin transferencia de masa, y con gran precisión. El procesado con láser persigue la fusión de todos o parte de los componentes de la aleación o polímero en el lecho de construcción. De esta manera, se pueden procesar muy diversos materiales, desde polímeros y metales a metales preciosos o cerámicas. En todos estos casos, el rendimiento y la viabilidad técnica del proceso dependen de la longitud de onda del láser empleado y su absorción por el material en cuestión. En su inicio, la tecnología de fabricación por deposición de capas y consolidación por láser empleó con cierto éxito los de CO2, pero debido a la escasa absorción de energía de muchos metales a esa longitud de onda, el proceso de consolidación no pudo ser el de fusión total de los materiales. De este modo el proceso se denominó con distintos nombres según cada desarrollador de tecnología, siendo el más conocido el de SLS o sinterizado láser selectivo.
Posteriormente se desarrolló otra generación de máquinas que utilizan otras fuentes de láser, en longitudes de onda que se absorben por materiales de alto punto de fusión, de modo que se produce la fusión total de los materiales. Así, se obtiene un proceso equivalente a soldadura, capa a capa, en contraposición al proceso de sinterizado parcial. Los nombres que se dan a esta técnica que implica fusión total son nuevamente variados, hablándose de láser melting, láser fusing, o láser cusing, según el fabricante. Las diferencias pueden verse en la Figura 1.
Actualmente se emplean fuentes láser de 200W o más, de Yb bombeado por diodos en 1080nm y conducción por fibra óptica, mucho más robusto que los de gas (CO2). Gracias a estas características, se pueden fundir por completo aleaciones comerciales como aceros inoxidables, aceros maraging, aleaciones de Cr-Co, Ti puro y sus aleaciones comerciales, metales preciosos, e incluso ciertas cerámicas.
Las propiedades mecánicas de los productos obtenidos con estos materiales mediante el proceso de fusión por láser son muy similares a los de las aleaciones químicamente equivalentes, pero obtenidos por otros procesos metalúrgicos (fundición, acería convencional, forja, etc.), representando realmente un avance significativo en cuanto al rango de propiedades mecánicas de los productos obtenidos con respecto a la primera técnica de sinterizado.
En Fundación Prodintec se considera la fabricación por Rapid Manufacturing (RM) de piezas metálicas una tecnología fundamental a desarrollar, con el absoluto convencimiento de que llegará a ser un elemento clave para mejorar la competitividad a medio plazo de empresas productivas de diversos sectores, ya que se trata de una tecnología horizontal y por tanto transversal a todo tipo de empresas y productos.
Por ello, en febrero de 2007 se instaló nuestra primera máquina de fabricación por RM de piezas metálicas, concretamente una plataforma EOSINT M270 suministrada por Electro-Optical Systems GmbH (EOS). En todo este tiempo memos estado desarrollando estrategias de fabricación de piezas metálicas para la industria en distintos materiales, y hemos constatado que existen dificultades para introducir el Rapid Manufacturing como un sistema industrial que se pueda integrar en un proceso de producción. La existencia de multitud de factores complejamente relacionados entre sí y aún no bien determinados hace que no se pueda considerar RM a priori como una tecnología versátil y de fácil implementación, especialmente para la fabricación de grandes series de piezas. Así, en la fase actual de pre-industrialización en la que se encuentra esta tecnología, se puede definir no como un proceso flexible, sino como un proceso configurable, es decir, un proceso que se puede adaptar a muchos casos distintos, pero no de forma inmediata.
Con la experiencia adquirida previamente, PRODINTEC pretende en este proyecto convertir el RM de piezas metálicas en un proceso que realmente se integre en la cadena de valor, de manera que se introduzca como una tecnología de fabricación que gracias a su carácter flexible y reconfigurable pueda ser aplicada en numerosos sectores, desde automoción a productos de consumo, y tanto para pequeñas como para medianas y grandes series.