Medición inteligente de la altura de capa en procesos DED-LB con polvo metálico

El centro tecnológico Lortek y DGH, empresa que forma parte de Groupe ADF, han desarrollado, en el marco del proyecto Tecmadiva, una solución innovadora de control predictivo, adaptable a cualquier tipo de sistema de fabricación DED, ya sea robótica, CNC u otros, y diseñada para integrarse de forma flexible en distintos entornos industriales y requerimientos de producción. El resultado: una herramienta robusta capaz de ajustar automáticamente los parámetros clave del proceso y asegurar la estabilidad capa a capa.

La fabricación aditiva metálica avanza a un ritmo vertiginoso, y con ella surgen nuevas aplicaciones industriales y nuevos retos en el control del proceso. Entre los más críticos se encuentra la medición y control de la geometría de cada capa, un parámetro esencial para garantizar la calidad, estabilidad, la repetibilidad y la eficiencia en tecnologías de aporte de metal con energía dirigida con láser (DED-LB) conocida también a nivel industrial como Laser Metal Deposition (LMD).

Tradicionalmente, los procesos DED-LB / LMD se controlan mediante operadores experimentados o, en el mejor de los casos, controladores PID convencionales. Aunque eficaces en condiciones estables, estos sistemas pierden precisión cuando varían los parámetros del proceso, como la potencia láser, la velocidad de deposición, o el caudal de polvo, lo que requiere ajustes manuales laboriosos y poco eficientes.

Para ello se desarrolló e implementó un controlador predictivo basado en modelos (MPC, Model Predictive Control) para el proceso LMD polvo. Este enfoque, común en industrias como la química o la automoción, se adapta ahora a los desafíos de la fabricación aditiva metálica.

A diferencia del PID, el MPC predice el comportamiento futuro del proceso a partir de un modelo dinámico y optimiza continuamente las variables de control. Así, ajusta la potencia del láser y la velocidad de deposición en función del estado térmico y geométrico de la pieza, manteniendo estable el ancho del baño de fusión y evitando defectos de sobrecalentamiento o falta de material.

Las pruebas realizadas en la célula robótica flexible DED-LB de Lortek donde se combinan cinemática cartesiana de 4 ejes y robótica de 6+2 ejes con alimentador de polvo con capacidad multimaterial muestran resultados contundentes: piezas fabricadas con el controlador MPC presentan capas más uniformes, menor ondulación (por tanto, mejor acabado) y menor consumo energético y eficiencia del polvo en el proceso respecto a los controladores tradicionales. El MPC demostró una mayor capacidad de adaptación térmica y estabilidad dimensional, validando su idoneidad para geometrías complejas.

El siguiente paso fue desarrollar un sistema complementario capaz de medir la altura de capa en tiempo real, garantizando que el control de proceso disponga de datos fiables sobre la evolución geométrica de la pieza.

Para ello, Lortek integró un perfilómetro láser en el cabezal de fabricación y sincronizado con el movimiento de la cinemática. Este dispositivo escanea la superficie tras cada capa depositada, generando un mapa topográfico tridimensional del componente mediante un algoritmo propio, que es capaz de calcular de forma eficiente la altura de cada capa y sus desviaciones.

Conocer la altura real del componente en cada ciclo de deposición, capa a capa, permite ajustar dinámicamente el parámetro de standoff distance, la distancia entre el cabezal y la superficie de trabajo. Mantener esta distancia en su valor óptimo es fundamental no solo para preservar el enfoque del láser, sino también para garantizar la geometría adecuada del cono de deposición de polvo e incrementar al máximo la eficiencia de su uso durante el aporte (cada gramo bien usado cuenta). Cualquier desviación puede comprometer la densidad de energía sobre el material, la interacción efectiva entre polvo y haz láser, y alterar la eficiencia de fusión, geometría del cordón depositado y la calidad de adherencia y unión metalúrgica entre capas.

Por su parte, DGH adaptó su software para guiado de robots Trajectory Manager a los procesos DED-LB /LMD, para automatizar la gestión de trayectorias de los robots sin necesidad de programación avanzada. Además, Trajectory Manager se integró en la interfaz HMI de la instalación, permitiendo a los operarios controlar y ajustar en tiempo real parámetros como la potencia del láser o la velocidad y la posición del eje Z.

La solución desarrollada presenta una arquitectura modular y agnóstica respecto al tipo de equipo utilizado, lo que permite su implementación tanto en células robotizadas como en máquinas cartesianas y control CNC. En este caso, se ha construido sobre un PLC industrial, lo que facilita su extrapolación a otras instalaciones. Además, se ha diseñado una interfaz hombre-máquina (HMI) intuitiva que asiste al operario en la supervisión del proceso, en el ajuste del controlador y en la toma de decisiones, ofreciendo una visualización clara de los parámetros clave del proceso y del estado del sistema.

Asimismo, el sistema está preparado para integrarse con plataformas de recogida y visualización de datos de planta y entornos de cómputo digital Edge/Cloud/Hibrido, en línea con los objetivos de interoperabilidad y trazabilidad de Tecmadiva.

La combinación del control predictivo MPC con la medición de altura de capa ofrece ventajas significativas para la industria metalúrgica y de fabricación avanzada:

• Uniformidad dimensional: capas homogéneas reduciendo la necesidad de reajuste del proceso, reduciendo defectos por ondulación y por tanto postprocesos.
• Eficiencia energética y del uso de la materia prima: menor potencia promedio de láser sin pérdida de calidad y mejor aprovechamiento de la materia prima (eficiencia del uso del polvo).
• Automatización del ajuste térmico: el sistema adapta potencia y velocidad según la acumulación de calor y considera aspectos físicos del proceso.

El desarrollo alcanzado marca un avance sustancial hacia el control autónomo y digitalizado de procesos aditivos metálicos. Gracias a la integración de sensórica avanzada, explotación del dato, algoritmos predictivos y comunicación en tiempo real, Lortek y DGH sientan las bases de una nueva generación de sistemas de fabricación avanzada autoajustables, que posibilitan la economía circular y energéticamente eficiente.

En los próximos pasos, el equipo prevé ampliar la funcionalidad del sistema para incorporar un control multivariable avanzado que no solo ajuste la distancia standoff en función de la altura medida, sino que también regule activamente la altura de cada capa para alcanzar el valor deseado en cada ciclo de deposición bajo las condiciones de aporte específicas del material y geometría a fabricar. Además, se trabajará en la generalización del controlador para adaptarlo a distintos materiales y su extrapolación a otros procesos DED con arco, laser e hilo, lo que permitirá extender su aplicación a piezas funcionales en sectores como la aeronáutica, espacio, la energía o la maquinaria industrial y tooling.

Sobre Tecmadiva

El proyecto Tecmadiva, enmarcado en programas de I+D industrial colaborativa, busca impulsar tecnologías digitales avanzadas para la fabricación aditiva metálica. A través de la cooperación entre Lortek, DGH, Arcelormittal, Leading, ZYLK y otros socios industriales, el proyecto desarrolla soluciones de control, supervisión y análisis de datos que integran inteligencia artificial, interoperabilidad y seguridad operacional en entornos de fabricación avanzada y flexible.