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Impresión 3D - Fabricación aditiva

La compañía alemana está implementando actualmente la tecnología de Depósito de Material Láser de Alta Velocidad Extrema patentada por Fraunhofer ILT

La pyme Toolgraf AG confía en la tecnología de impresión 3D en metal EHLA

Nikolaus Fecht para Fraunhofer ILT21/12/2020

Inventada en Aquisgrán, lanzada en los Países Bajos, utilizada en China y Turquía; y ahora con éxito en Alemania: estamos hablando de Depósito de Material Láser de Alta Velocidad Extrema, o EHLA para abreviar, un proceso patentado y premiado varias veces, desarrollado por el Instituto Fraunhofer de Tecnología Láser ILT en Aachen. Actualmente, está siendo implementado en Toolcraft AG, uno de los pioneros alemanes más activos en la impresión metálica en 3D y ubicado en una moderna fábrica de alta tecnología en Georgensgmünd en Franconia Central. Desde que se fundó en 1989, la empresa familiar ha demostrado lo innovadoras que pueden ser las empresas medianas

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Sede de Toolcraft AG en Georgensgmünd, cerca de Nuremberg, Alemania. Foto: Fraunhofer ILT, Aachen, Germany / Ralf Baumgarten.

Una década de experiencia con la impresión metálica en 3D

Dado que Toolcraft ha estado posprocesando piezas 3D desde 2005, todo hablaba a favor de que entrara en la fabricación aditiva. El comienzo de este nuevo mundo ocurrió en 2011 cuando compró un sistema de lecho de polvo para la impresión metálica en 3D. Se requirió perseverancia porque la empresa familiar sólo procesó pedidos por alrededor de 30.000 euros con la primera máquina en los primeros seis meses. Hoy, sin embargo, la compañía informa que sus 13 máquinas de producción aditiva están bien utilizadas.

La empresa debe su entrada en la impresión 3D a Christoph Hauck, que se autodenomina un alborotador positivo dentro del trío de directivos. Como ‘Mister 3D Printing’, él vincula a los usuarios, fabricantes e investigadores de la industria de la impresión en 3D a través de muchos puestos de honor, por ejemplo, como presidente de la junta del Grupo de Trabajo de Fabricación Aditiva de la VDMA o como uno de los portavoces del Panel de Expertos de Fabricación Aditiva en Baviera. Esto también ha sido reconocido por grandes empresas como Siemens y Trumpf, con las que la compañía trabaja muy estrechamente en el campo de la fabricación aditiva (AM).

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Los expertos debaten sobre la impresión 3D metálica: el miembro de la junta de Toolcraft Christoph Hauck, y el Dr. Thomas Schopphoven, líder del grupo Depósito de Material Láser en Fraunhofer ILT. Foto: Fraunhofer ILT, Aachen, Germany / Ralf Baumgarten.

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Christoph Hauck, miembro de la junta directiva de Toolcraft: “El mensaje de la EHLA a los clientes y a las partes interesadas es claro: denos tareas y comprobaremos su viabilidad y las pondremos en práctica - incluyendo un informe de laboratorio”. Foto: Fraunhofer ILT, Aachen, Germany / Ralf Baumgarten.

Clientes de diferentes industrias

El éxito demuestra que Toolcraft tiene razón. Hauck no puede dar detalles y nombres porque está obligado a mantener la confidencialidad del cliente. Pero una cosa es segura: los clientes provienen de una amplia gama de industrias como la aviación, la tecnología médica, la energía, la ingeniería mecánica, los semiconductores y la automoción. Además del gran parque de máquinas en el campo del mecanizado (componentes de precisión, fabricación de herramientas) y del moldeo por inyección de plásticos, la empresa dispone de una enorme gama de sistemas AM para materiales metálicos basados en los procesos de fusión en lecho de polvo con láser LPBF, de deposición de material láser LMD y de deposición de material láser de alta velocidad extrema EHLA.

La compañía está particularmente orgullosa de dos sistemas Trumpf, ya que son primicias: la TruPrint 1000 Green Edition de Trumpf y una TruLaser Cell 3000 personalizada. La Green Edition lleva el número de serie 001; la TruLaser Cell 3000 es el único sistema híbrido de EHLA en todo el mundo hasta la fecha. Mientras que la empresa de Franconia Central sigue la tendencia de la electromovilidad con la Green Edition, en la que, entre otras cosas, se sueldan principalmente cobre puro y aleaciones de cobre como CuCr1Zr, el nuevo sistema, hecho a medida para la fabricación de herramientas, tiene como objetivo cubrir más lagunas finales en su cartera AM. “Trumpf ha construido para nosotros el ‘jack-of-all trades’ (un mil usos) sobre la base de la TruLaser Cell 3000”, dice Hauck, satisfecho.

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El Dr. Thomas Schopphoven, jefe del grupo de Depósito de Material Láser en Fraunhofer ILT, inspecciona un componente de metal. Foto: Fraunhofer ILT, Aachen, Germany / Ralf Baumgarten.
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Pura impresión en 3D: el centro de fusión de metales por láser, que ahora tiene 13 instalaciones de fabricación aditiva, está bien utilizado. Un punto culminante es la TruLaser Cell 3000 personalizada, gracias a la cual Toolcraft ha dominado dos tipos diferentes de deposición láser, tanto LMD como EHLA. Foto: Fraunhofer ILT, Aachen, Germany / Ralf Baumgarten.

EHLA amplía la máquina universal al láser multitalento

Pero, ¿por qué es un ‘jack-of-all trades’? Para entender esto, sólo hay que mirar más profundamente en su interior: la TruLaser Cell 3000 viene de serie con un gran espacio operativo de 800 mm x 600 mm x 353 mm, en el que se puede realizar el corte y la soldadura por láser en dos y tres dimensiones, así como la deposición de material por láser. El cabezal de trabajo EHLA integrado adicionalmente, que aumenta la velocidad de deposición anterior de un máximo de 2 a varios cientos de metros por minuto en comparación con el proceso estándar, acelera la deposición de material por láser.

Puede utilizarse para depositar muy rápidamente capas con espesores de 0,05 mm a volúmenes multicapa con espesores de capa de varios centímetros en componentes simétricos de rotación. Para ello, el sistema Trumpf fue equipado con un eje A adicional para componentes de hasta 1.490 mm de longitud con un diámetro máximo de 320 mm y un escáner de perfil láser 3D retráctil para medir y posicionar las piezas de trabajo sujetadas. “Sin embargo, el uso del escáner nos permite hacer mucho más”, explica el Dr. Thomas Schopphoven, jefe de grupo de Laser Material Deposition en el Fraunhofer ILT. “En combinación con un software adecuado, los datos geométricos registrados por el escáner pueden utilizarse para planificar automáticamente las trayectorias de las herramientas para aplicar el material con la deposición de material por láser”.

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El sistema de control está conectado a un entorno de software Siemens NX, que permite el escaneo en 3D de los componentes dañados y por lo tanto hace posible la reparación aditiva. Foto: Fraunhofer ILT, Aachen, Germany / Ralf Baumgarten.
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El director de proyectos de LMD, Florian Schlund, se alegra del libre acceso al espacio de trabajo de la TruLaser Cell 3000, que facilita su trabajo diario. Foto: Fraunhofer ILT, Aachen, Germany / Ralf Baumgarten.

Alternativa al cromado duro

Toolfraf utiliza el EHLA para reparar las áreas dañadas en los componentes simétricos de rotación y para recubrirlas. El sistema EHLA ha sido probado en Holanda y China, entre otros, donde aplica protección contra la corrosión y el desgaste a cilindros offshore de varios metros de largo. Por ejemplo, el revestimiento de EHLA con revestimientos duros con ligantes metálicos es muy solicitado como alternativa al cromado duro con sustancias cancerígenas que contienen cromo (VI), que en muchas áreas sólo se permiten después de una autorización especial debido a directivas legales como la Directiva de la UE sobre vehículos al final de su vida útil y la Directiva sobre restricciones a la utilización de determinadas sustancias peligrosas (RoHS).

La deposición rápida con láser se ha convertido en una opción viable para muchas industrias, no sólo porque puede producir revestimientos más respetuosos con el medio ambiente, sino también porque puede funcionar de manera mucho más eficiente. “El mensaje a los clientes y las partes interesadas es claro: denos tareas, comprobaremos su viabilidad y nos pondremos manos a la obra, incluyendo un informe de laboratorio”, dice Hauck. “Hay mucho que hacer en el área de los rodillos, por ejemplo”. Los primeros pedidos provienen de fabricantes de máquinas de construcción e impresión, para los cuales la empresa termina las piezas rotativas con EHLA. Pero el pionero de la impresión 3D quiere más. “A menudo se trata de la protección contra la corrosión y el desgaste”, explica. “Pero si tengo que usar carburo caro, ¿no puedo encontrar una solución híbrida en su lugar? También podría tomar un cuerpo básico hecho de acero para herramientas y luego terminarlo parcialmente con EHLA con una capa ultrafina de protección contra el desgaste”. Esta es una de las razones por las que Toolcraft hizo que Trumpf personalizara una máquina que puede manejar varias tecnologías láser.

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Un escáner de línea comprueba un recubrimiento. Foto: Fraunhofer ILT, Aachen, Germany / Ralf Baumgarten.

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Se puede reducir el costoso tiempo improductivo porque varios empleados de herramientas; aquí Jonathan Krauß y Florian Schlund, pueden trabajar en la TruLaser Cell 3000 al mismo tiempo. Foto: Fraunhofer ILT, Aachen, Germany / Ralf Baumgarten.

El posprocesamiento también funciona con el jefe de trabajo del EHLA

Una pieza fabricada con EHLA también suele requerir un posprocesamiento para conseguir una rugosidad superficial muy baja, por ejemplo, mediante el mecanizado, el rectificado cilíndrico o el microtorneado. Mientras experimentaban, los pioneros de la impresión en 3D se sorprendieron al descubrir que a veces basta con volver a pasar la boquilla del EHLA por la superficie, pero con el suministro de polvo metálico apagado. En otras palabras: Toolcraft también ha dominado el aún joven y nuevo campo de la refundición láser para mejorar la calidad de la superficie.

Pero, ¿qué piensan los empleados del nuevo multitalento del láser? Jonathan Krauß, ingeniero de procesos y director de Sistemas de LMD, se alegra de las nuevas posibilidades de combinar inteligentemente diferentes materiales: “Se crean soluciones completamente nuevas que no se podrían conseguir de forma convencional”. Krauß trabaja en estrecha colaboración con el director de Proyectos de LMD, Florian Schlund, que está fascinado no sólo por las posibilidades de reparación, sino especialmente por los nuevos proyectos híbridos: por ejemplo, soldando dos materiales diferentes en un nuevo componente.

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Gracias a un eje A adicional, el cabezal de aplicación del EHLA puede recubrir componentes de hasta 1.490 mm de longitud con un diámetro máximo de 320 mm. Foto: Toolgraf.

¿Fabricación híbrida con robots a la vista?

Cualquiera que haya experimentado y conozca a Hauck sabe que el alborotador positivo ya está pensando en el futuro: “En este momento, el matrimonio entre la robótica y la impresión 3D está en discusión”. Por ello, recientemente ha analizado los resultados del proyecto de investigación ProLMD del BMBF junto con su asesor externo, el Dr. Thomas Schopphoven en el Fraunhofer ILT: la combinación de la deposición de material por láser con procesos de fabricación convencionales y robots para crear una forma completamente nueva de fabricación híbrida aditiva.
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Trabajo en equipo con estilo de ciencia-ficción: Florian Schlund y Jonathan Krauß, de toolcraft, usan respiradores para protegerse de las diminutas partículas de metal en procesos de impresión 3D como el EHLA. Foto: Fraunhofer ILT, Aachen, Germany / Ralf Baumgarten.

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