Fabricación híbrida de componentes metálicos mediante la combinación de la fabricación aditiva basada en láser y la fabricación sustractiva

Abstract

La fabricación aditiva es una de las tecnologías clave dentro del desarrollo
industrial debido al alto potencial que conlleva. Sin embargo, el potencial que
tiene de forma global proviene de las familias tecnológicas que la componen, las
cuales a nivel individual difieren tanto en la tecnología utilizada, el proceso de
aporte y los materiales utilizados como en la calidad, productividad y eficiencia
del componente fabricado.
Es en una de estas tecnologías en la que se centra la presente tesis. En concreto
en la fabricación aditiva por láser mediante aporte de polvo metálico. Aunque
esta tecnología es todavía conocida por el término “Laser Metal Deposition”
(LMD), tanto este como otros términos utilizados son marcas registradas por lo
que la normativa actual se refiere a él como “powder-fed Directed Energy
Deposition” (powder-fed DED) pudiendo usarse también el término “Laser
Cladding” si se utiliza para la aplicación de recubrimientos. Esta tecnología ha
mostrado una gran facilidad de hibridación con el mecanizado convencional en
máquinas herramientas multiprocesos, siendo actualmente varios los modelos
ofertados por fabricantes a nivel mundial. Sin embargo, la hibridación requiere
de un alto conocimiento del proceso de aporte y de las diferencias que se deben
tener en cuenta durante el mecanizado del material aportado por fabricación
aditiva.
El presente trabajo de tesis doctoral se ha desarrollado dentro del proyecto
europeo “PARADDISE: A Productive, Affordable and Reliable solution for large
scale manufacturing of metallic components by combining laser-based Additive
and Subtractive processes with high Efficiency” [PARADDISE, 2016], financiado
por el programa “Photonics and Factories of the Future”, para fortalecer la
competitividad y sostenibilidad de la industria europea dentro del marco de
investigación y desarrollo “Horizon 2020”. El objetivo de este proyecto es estudiar
y optimizar el proceso para la fabricación de componentes de grandes
dimensiones mediante la combinación de la fabricación aditiva por aporte láser
de polvo metálico y el mecanizado convencional.
El material central de esta tesis es una aleación base níquel químicamente
equivalente al Inconel®718. Esta superaleación es ampliamente utilizada en
industrias como la aeronáutica y la petroquímica debido a su combinación única
de propiedades como una alta resistencia en aplicaciones a temperaturas
elevadas, resistencia a la degradación química y resistencia al desgaste. Sin
embargo, los resultados obtenidos no son solo aplicables a este material.
La optimización del proceso, que ha sido realizada en la máquina híbrida
multiprocesos IBARMIA ZVH45/1600 Add+Process, se ha basado inicialmente
en una sucesión de estudios experimentales con el fin de conocer mejor el
proceso y caracterizarlo, obteniendo una ventana de parámetros en función de
la estructura y características geométricas del material aportado. Además de las
ecuaciones que relacionan los parámetros principales del proceso con las
características geométricas del cordón simple, también se han establecido los
límites geométricos de los componentes obtenidos mediante el proceso en
distintas disposiciones de trabajo, estrategias de aporte y boquillas.
Los resultados obtenidos en el estudio experimental han servido para desarrollar
un modelo geométrico que permite predecir las características geométricas de
los recubrimientos y de estructuras multicapa a través de las características del
cordón simple y que es aplicable con las boquillas utilizadas durante este trabajo.
Este modelo también ha demostrado buenos resultados con otros materiales y
equipos pudiendo predecir la geometría de la dilución, alturas de capa o
espesores del recubrimiento además del solapamiento límite en el que se inicia
la falta de fusión con el sustrato.
Por último, se ha desarrollado la estrategia de aporte multicapa basándose en la
información aportada por el modelo geométrico. Para validarla, se ha utilizado
un algoritmo desarrollado mediante el lenguaje de programación Python y se han fabricado varios componentes multicapa de geometría compleja. Los desarrollos realizados a lo largo de esta tesis se han validado a través de la fabricación de una sección basada en la carcasa de una turbina de baja presión.

Date of Award	2021
Original language	English
Awarding Institution	Universidad del País Vasco (UPV/EHU)
Supervisor	Aitzol Lamikiz Mentxaka (Supervisor) & Amaia Alberdi Gurrutxaga (Supervisor)