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Impresión 3D - Fabricación aditiva
Entrevista a cuatro expertos sobre nuevos procesos híbridos que combinan métodos de fabricación tradicionales, LMD y tres robots

Proyecto ‘ProLMD’: producción híbrida de grandes componentes por deposición de metal por láser

Nikolaus Fecht, por encargo de Fraunhofer ILT19/10/2020
Hasta ahora, mucha gente no creía que los robots pudieran ser utilizados en la fabricación aditiva (AM). ‘ProLMD’, un proyecto financiado por el Ministerio Federal de Educación e Investigación (BMBF), demuestra exactamente lo contrario: en este proyecto, se desarrollaron nuevos procesos híbridos en trabajo de equipo, procesos que combinan los métodos de fabricación convencionales con la deposición de metal por láser (LMD) y tres robots para formar un nuevo enfoque de fabricación. La receta del éxito la explican cuatro expertos del BMBF, del Instituto Tecnológico de Karlsruhe, de KUKA Industries y del Instituto Fraunhofer de Tecnología Láser ILT.
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Sistema robótico con cabeza LMD y escáner de línea láser integrado, realizado en el proyecto financiado por el BMBF ProLMD: Escaneo del volumen de reparación fabricado aditivamente en el componente. Gracias al uso de un sistema guiado por fibra, el robot KUKA puede operar casi sin restricciones y también puede fabricar formas geométricas complejas. Foto: Fraunhofer ILT, Aachen / Ralf Baumgarten.

El Dr. Helmut Bossy es consultor y jefe adjunto del departamento 521 ‘Futuro del Trabajo y Creación de Valor; Industria 4.0’ en el Ministerio Federal de Educación e Investigación, BMBF, Bonn.

Dr. Bossy, ¿qué fue lo que más llamó la atención de ProLMD?

Desde el principio, el proyecto se distinguió por el hecho de que todos los socios del proyecto abordaron el trabajo de investigación de una manera muy motivada y bien coordinada. Sobre la base del trabajo realizado en el Fraunhofer ILT junto con las empresas usuarias, los socios lograron rápidamente un éxito inicial en la deposición de material láser de pequeñas estructuras sobre componentes de gran superficie. Me pareció innovador que se fusionaran aquí dos enfoques: la deposición de polvo y la de alambre. Otro aspecto positivo es el enfoque híbrido, que combina las ventajas de otros procesos de fabricación convencionales, como el mecanizado o la conformación primaria y secundaria, con esta tecnología aditiva.

¿Y cuál fue la razón del apoyo financiero, gracias al cual se construyeron un total de tres plantas?

Dr. Bossy: En primer lugar, el grupo de expertos que nos aconsejó sobre qué proyectos seleccionar, clasificó este proyecto como altamente innovador y lo recomendó para su financiación. Además, los hallazgos científicos sobre la producción aditiva sólo se aplicarán en la práctica si los procesos investigados y desarrollados funcionan de forma fiable en condiciones industriales. Para lograr esto, tanto paso a paso como en un período de tiempo razonable, se necesitaron tres demostradores. La ILT de Fraunhofer pudo profundizar su comprensión científica de los procesos y realizar las mejoras necesarias en las cabezas de polvo y alambre de la tecnología de plantas existentes. Se necesitaba otro sistema para vincular los diversos componentes de la planta, como la soldadura robotizada en una atmósfera controlada y la tecnología de medición sin contacto para asegurar la calidad, todo lo cual se llevó a cabo en condiciones industriales. La experiencia adquirida por los asociados con ambos sistemas se utilizó luego para incorporar los resultados en un nuevo diseño de sistema en la Fraunhofer ILT. Este sistema está especialmente adaptado a las necesidades de las empresas medianas, por ejemplo, en lo que respecta a la disponibilidad y el fácil manejo de los procesos bastante complejos de fabricación aditiva.

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Ajuste del componente en la celda de gas protector del sistema ProLMD en el socio de proyecto KUKA en Würselen/Alemania. Foto: Fraunhofer ILT, Aachen / Ralf Baumgarten.

Günter Neumann es el director de la unidad de negocio KUKA Aplicaciones láser de KUKA Industries GmbH & Co. KG, Würselen.

Sr. Neumann, su unidad de negocio Lasertec de la sede de KUKA en Würselen se encargó de la gestión del proyecto y de la integración celular del robot en el proyecto ProLMD del BMBF. ¿Qué lo motivó a participar?

Neumann: Cuando Kuka se hizo cargo de Reis Robotics en 2015, también se hizo cargo de Reis Lasertec en Würselen, cerca de Fraunhofer ILT en Aquisgrán, para ampliar aún más los buenos contactos ya existentes en ese momento. Por eso tenemos tanta afinidad con este tipo de proyectos. Vemos la fabricación aditiva como un mercado objetivo para el que estamos tratando de establecer un estándar con nuestra tecnología robótica. Ya hay máquinas herramientas altamente especializadas para este propósito, herramientas que ahora están entrando en el mercado. Pero queríamos hacer todo menos costoso y desarrollar una célula robótica estandarizada. Nunca lograremos la precisión de una máquina-herramienta, pero esta precisión no es necesaria en todas partes. Pero mucha gente no creía que los robots pudieran ser utilizados en el campo de la fabricación aditiva...

Neumann: Gracias a ProLMD hemos demostrado que el robot es capaz de implementar la fabricación aditiva de láser después de todo. Este es un punto muy importante que ha surgido ahora del proyecto.

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De cerca: boquilla del Fraunhofer ILT para el depósito de material láser en la celda de gas protector del sistema ProLMD del socio de proyecto KUKA en Würselen/Alemania. Foto: Fraunhofer ILT, Aachen / Ralf Baumgarten.

Con el apoyo financiero adicional del BMBF, Fraunhofer ILT también ha desarrollado una versión menos costosa del sistema de robot ProLMD para pequeñas y medianas empresas. ¿Significa esto que la fabricación aditiva con el robot también es adecuada para la pequeña empresa?

Neumann: Sí, exactamente. Por supuesto, fue una circunstancia afortunada que el BMBF se dirigiera a nosotros para averiguar si ya podíamos construir algo para las pequeñas y medianas empresas. Para ellos, se creó una solución que puede ser utilizada en principio de la misma manera que en un sistema de alta tecnología. En Würselen, tenemos una planta con una caja completa en la que podemos construir piezas altamente sensibles en una atmósfera de gas inerte. Pero no siempre es necesario tener eso; para ello hemos reducido nuestros componentes principales a realizar las funciones esenciales. Ahora podemos decir: “Hola empresas medianas, incluso nuestra versión básica de la célula puede ser una solución económica para numerosas aplicaciones”.

El profesor Johannes Henrich Schleifenbaum es titular de la cátedra ‘Producción aditiva digital DAP’ en la Universidad RWTH de Aquisgrán.

Profesor Schleifenbaum, ¿cómo valora en general la importancia de la impresión metálica en 3D en vista de las numerosas áreas en las que el Fraunhofer ILT está activo?

Prof. Schleifenbaum: La Fraunhofer ILT ya tiene una importancia destacada aquí en Aquisgrán. Por ejemplo, fue el primer instituto de Alemania que se ocupó de forma completa y exhaustiva de los temas de la digitalización, la AM y la impresión en 3D. Esto se ha convertido en una comunidad creciente que también piensa en el tema desde una perspectiva de diseño.

¿Qué papel jugó el proyecto ProLMD del BMBF en el gran número de proyectos de AM?

Prof. Schleifenbaum: El proceso LMD es bien conocido en las aplicaciones de revestimiento, pero es una tecnología relativamente nueva en el campo de la AM con un potencial prometedor con muchas ventajas porque sólo suministramos material localmente, lo que resulta en componentes mucho más grandes. La fabricación aditiva se realiza normalmente capa por capa y, por lo tanto, sólo lentamente. En comparación con el proceso clásico de fundición o formación, suele ser bastante costoso. Es un paso gigantesco que el proceso puede producir ahora de forma rápida y rentable. También puede integrarse sin problemas en las cadenas de procesos existentes.

¿Contribuye el proyecto a pensar más en las cadenas de procesos?

Prof. Schleifenbaum: Creo que este es un punto muy importante. Se crea valor añadido a lo largo de las interfaces de los dominios. Ahora cubrimos toda la cadena de procesos y definimos las interfaces a lo largo de los niveles de madurez de los procesos. Esta es la única manera de crear una cadena de procesos genuinamente funcional que también puede ser utilizada en la industria, lo cual es una situación verdaderamente única. Es casi como la cuadratura del círculo; que ahora estamos haciendo que esta tecnología esté completamente disponible para la industria en tal proyecto.

Un proverbio dice que “demasiados cocineros estropean el caldo”. Ahora, con ocho socios, un gran número de chefs estaban involucrados aquí. ¿Cuál fue la receta del éxito?

Neumann: Todos teníamos ya mucha experiencia en trabajar juntos en grandes proyectos de investigación. Era un buen ajuste que todos los socios tuvieran la misma actitud profesional y que todos tuvieran los mismos derechos.

Dr. Bossy: Vemos la investigación industrial colaborativa más como una orquesta, una en la que todos los instrumentos y jugadores se llenan correctamente y que los coordina bien. Transferido a ProLMD, esto significa que la correcta composición del consorcio y un plan de investigación coherente hacen que el proyecto sea un éxito. Lo que proporcionó al consorcio la mezcla adecuada para su trabajo de proyecto con visión de futuro fue tener como socio de investigación a Fraunhofer ILT, a varias empresas a lo largo de la cadena de valor añadido de la tecnología de automatización, láser y medición, y a usuarios de los sectores automovilístico, aeroespacial y aeronáutico. KUKA Industries de Würselen, como coordinador del proyecto y más tarde proveedor de sistemas, desempeñó un papel importante en el trabajo de investigación específico.

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Oportunidad para las pequeñas y medianas empresas: Con el apoyo financiero adicional del BMBF, Fraunhofer ILT también ha desarrollado una versión menos costosa del sistema robótico ProLMD para la fabricación de aditivos híbridos por LMD, adaptada a sus necesidades. Foto: Fraunhofer ILT, Aachen / Ralf Baumgarten.

El ingeniero diplomado Stefan Scherr es el representante del proyecto y responsable del área temática ‘Fabricación aditiva - ProMat_3D’ en la Agencia de Gestión de Proyectos de Karlsruhe (PTKA), Producción, Servicios y Trabajo en el Instituto Tecnológico de Karlsruhe (KIT), Eggenstein-Leopoldshafen.

Sr. Scherr, ¿cómo lo ve como supervisor de proyectos?

Scherr: La cooperación fue muy buena. El proyecto contó con el apoyo de empresas innovadoras muy experimentadas y participantes en la investigación a lo largo de la cadena de valor añadido.

¿A qué se debe prestar atención en esta forma de trabajo técnico en equipo?

Neumann: La química entre las personas debe ser correcta. Y creo que esto se habría puesto rápidamente de manifiesto si alguien “no siguiera el juego”. Creo que este es un aspecto muy importante de un proyecto de investigación.

Cuando mira atrás, ¿qué es lo que más le sorprende?

Neumann: Colaboramos muy bien juntos; cada uno podía confiar en los resultados de los proyectos tecnológicos del otro. Ahora tenemos algo que mostrar, que no se ha quedado sólo en la teoría. También hemos construido una solución adicional en Fraunhofer ILT, que también es una alternativa interesante para las empresas medianas.

Después de este proyecto, ¿cómo ve la oportunidad de Alemania de mantener o incluso ampliar su posición de liderazgo en el campo de la impresión 3D metálica?

Prof. Schleifenbaum: Creo que, efectivamente, nos va bien en Alemania, pero también nos enfrentamos a una competencia masiva. Con proyectos como ProLMD, siempre podemos dar a nuestra competencia pinchazos individuales muy bien situados y también muy dolorosos para ellos.

Dr. Bossy: Tenemos un buen panorama de investigación y financiación de proyectos. Ahora es cuestión de seguir con ello.

Scherr: Es importante mantener nuestra posición de liderazgo. Por ejemplo, como un desarrollo positivo, veo la deposición de materiales difíciles de procesar como tipos especiales de acero, aleaciones de níquel o titanio. Las empresas están cada vez más seguras y pueden acercar sus respectivas carteras de productos y de producción a las tecnologías aditiva a gran escala. Y hubo un buen comienzo no sólo con el proyecto ProLMD, sino también con los otros doce proyectos del área temática ProMat_3D.

Profesor Schleifenbaum, ¿el espíritu de Aquisgrán también jugó un papel en el éxito del proyecto?

Prof. Schleifenbaum: Me gusta dirigir mi mirada lejos del Fraunhofer ILT y hacia la Universidad RWTH de Aquisgrán, que este año celebra su 150 aniversario bajo el lema ‘Aprender. Investigar. Hacer’. Hay mucho en este lema tan llamativo: todos estamos conectados en red aquí y ya hemos entendido bien que sólo somos fuertes juntos y que esta red es uno de nuestros puntos esenciales. Y si combinas eso con una actitud de hacer que las cosas sucedan, tienes un buen trampolín. Todavía tienes que saltar, obviamente, pero es un buen trampolín.

¿Qué papel juega el campus en esto? ¿Resuena aquí el espíritu de Stanford y Silicon Valley?

Prof. Schleifenbaum: Aquí hacemos posibles cosas similares ofreciendo espacio, tierra e infraestructura de investigación, atrayendo así a las empresas hacia nosotros. Sólo en el campus, hay ahora más de 400 empresas matriculadas que desarrollan, investigan y dan forma al futuro junto con nosotros. Junto con nuestros socios, formamos un ‘Valle de la Ingeniería’ europeo.

¿Cuáles son los próximos pasos para KUKA? ¿Cuál sería el resultado ideal?

Neumann: Espero que podamos usar los hallazgos para armar un paquete para los clientes en el que las características estén ‘listas para usar’. Eso es en realidad todavía raro. Los empresarios pueden juntar muchas cosas, pero todavía es difícil para ellos comprar todo de una sola fuente. En estrecha cooperación con los institutos, tal cosa tiene éxito. Y para implementar esto para la industria y usarlo aquí. ¡Ese debe ser el objetivo!

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Sistema de LMD con soporte de robot y célula de gas protector para aplicaciones aeroespaciales, en el socio del proyecto ProLMD KUKA en Würselen/Alemania. Foto: Fraunhofer ILT, Aachen / Ralf Baumgarten.

¿Así que las empresas están buscando proveedores generales para la fabricación aditiva?

Neumann: Eso es cierto. En el proyecto ProLMD mostramos ahora que todas las funciones pueden ser combinadas con una máquina de tal manera que puedan ser operadas sin problemas: el usuario sólo necesita un conocimiento básico de la manipulación de materiales y de los requisitos técnicos, especialmente en la fabricación de láser aditivo. Pero todo debe encajar. Nuestro objetivo es, entre otras cosas, ofrecer un paquete despreocupado y completo, una célula estándar para empresas medianas.

Dr. Bossy, ¿cuál es el siguiente paso?

Dr. Bossy: El BMBF también quiere apoyar proyectos para introducir métodos de inteligencia artificial en la producción y difundirlos más. Actualmente estamos analizando y evaluando los borradores recibidos para esto. También hemos invitado a la comunidad de fabricantes aditiva a presentar propuestas. Considero que la inteligencia artificial es un buen enfoque para hacer los procesos de planificación y producción más estables y controlables.

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