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Impresión 3D - Fabricación aditiva

El Instituto Fraunhofer de Tecnología Láser ILT participa en Formnext: pabellón 12, stand D41

EHLA 3D: la conquista de la tercera dimensión

Redacción Interempresas05/11/2021
La deposición de material por láser a extrema velocidad EHLA, desarrollada en el Instituto Fraunhofer de Tecnología Láser ILT, se considera una alternativa eficaz y respetuosa con el medio ambiente a los procesos de revestimiento convencionales. Ofrece importantes ventajas, especialmente para el revestimiento de componentes metálicos sometidos a tensiones extremas y que, por tanto, deben protegerse de la corrosión y el desgaste. Junto con Ponticon GmbH, los científicos de Fraunhofer ILT siguen trabajando en el proceso patentado, ahora denominado EHLA 3D, para avanzar en su aplicación en la fabricación aditiva y, de este modo, ampliar sus posibilidades en gran medida.
Los componentes metálicos suelen estar expuestos a condiciones extremas: por ejemplo, cuando se utilizan en la industria aeroespacial, en plataformas de perforación petrolífera en el mar, en forma de rodillos de papel, cilindros hidráulicos o como discos de freno en los coches. Por ello, se utilizan revestimientos especiales para proteger los materiales de la corrosión y el rápido desgaste. Sin embargo, con el progreso tecnológico, los requisitos del mercado internacional crecen constantemente. En consecuencia, la demanda se caracteriza cada vez más por la necesidad de tiempos de producción aún más cortos, de componentes individuales y de alto rendimiento, así como por la enorme presión de los precios.
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Impresión en 3D de letras Fraunhofer ILT a partir de tres materiales en polvo diferentes como componente de demostración del nuevo proceso EHLA 3D de alta productividad. Foto: Fraunhofer ILT, Aachen, Germany.

Sin embargo, ninguno de los procesos convencionales cumple estos requisitos. No son lo suficientemente flexibles, ni eficientes en cuanto a recursos, ni económicos para aplicar capas metálicas finas de alta calidad —unidas metalúrgicamente— a las superficies de los componentes. El cromado duro, hasta hace poco el proceso más común, solo ha sido aprobado por la UE en condiciones estrictas desde septiembre de 2017. Esto se debe a que la deposición electroquímica de cromo (VI) tóxico provoca daños duraderos en el medio ambiente.

Para cerrar esta brecha, los científicos de Fraunhofer ILT han desarrollado un proceso de recubrimiento alternativo: la deposición de material por láser a extrema velocidad EHLA. Desde 2015, se ha utilizado en la industria, especialmente para el recubrimiento, ahora EHLA da un paso hacia la tercera dimensión.

La base perfecta

En comparación con los métodos convencionales, EHLA puntúa en varios aspectos. No en vano, los científicos de Fraunhofer ILT ganaron el prestigioso premio Joseph von Fraunhofer por ello en 2017. El proceso que han desarrollado mejora la velocidad de avance con la que se procesa la superficie desde 0,5 a 2 metros por minuto en la deposición de material por láser convencional hasta 50 a 500 metros por minuto. Por lo tanto, hoy en día se puede recubrir un componente entre 100 y 250 veces más rápido. También es posible aplicar capas mucho más finas. Mientras que las capas de al menos 500 micrómetros eran el estado del arte con la deposición de material láser convencional, ahora es posible un mínimo de 25 micrómetros.

Otra ventaja es el bajo aporte de calor. En la deposición convencional de material por láser, el material de relleno en polvo se funde directamente sobre la superficie del componente en una piscina de fusión relativamente grande en el proceso de recubrimiento. Sin embargo, esto puede cambiar permanentemente las propiedades del material y cuesta mucha energía. No es el caso de EHLA: en este caso, las partículas de polvo sólido son fundidas por el láser mientras están en el aire. Llegan a la superficie del componente en estado líquido y no tienen que seguir fundiéndose con un elevado aporte de energía. Como resultado, la zona afectada por el calor se reduce a entre cinco y diez micrómetros, es decir, sólo una centésima en comparación con el proceso convencional.

Esto significa que ahora se pueden unir y procesar juntos pares de materiales incompatibles metalúrgicamente y sensibles al calor, como el aluminio y el titanio. En general, la superficie del componente también se vuelve mucho más suave. Su rugosidad es sólo una décima parte de la de la deposición convencional. Para los expertos del Fraunhofer ILT, esto proporciona una base perfecta para futuros pasos de desarrollo.

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Vista exterior del sistema de trípode pE3d de Ponticon GmbH en el laboratorio EHLA 3D de Fraunhofer ILT. Foto: Fraunhofer ILT, Aachen, Germany.

Nueva generación de fabricación aditiva

“En principio, el EHLA es adecuado para todo lo que es rotacionalmente simétrico y puede ser mecanizado en un sistema cinemático rotativo rápido”, dice Jonathan Schaible, investigador asociado en Fraunhofer ILT. “La única pregunta es por qué debemos limitarnos a simples piezas redondas cuando es concebible una gama mucho más amplia de posibles aplicaciones”.

Por esta razón, un equipo de científicos lleva desarrollando una nueva generación del proceso desde 2017. ¿Su objetivo? Utilizar la innovadora tecnología para la impresión 3D. El título de trabajo es “EHLA 3D”. El doctorado de Schaible sobre esto debería desenterrar hallazgos emocionantes. “Me centro en averiguar qué requisitos especiales debe cumplir la tecnología de máquinas y sistemas para que podamos combinar EHLA con la impresión 3D de alta velocidad”.

EHLA 3D permite varias ventajas únicas relacionadas con el proceso a la vez: altas velocidades de construcción, gran flexibilidad y diversidad de materiales, y alta precisión al mismo tiempo. “En un futuro próximo, la tecnología debería permitirnos producir incluso estructuras complejas de filigrana de forma fácil y rentable a gran escala”, afirma Schaible. “También son concebibles los componentes individualizados”.

Primeros proyectos iniciados

El primer prototipo del sistema ya se utiliza con éxito. Se realizó en 2019 en colaboración con Ponticon GmbH de Wiesbaden (Alemania). Su concepto se basa en el principio cinemático del trípode, una construcción con tres motores lineales que se conectan mediante barras de acoplamiento a la plataforma de construcción sobre la que se desplaza el componente a procesar. “Funciona de forma similar al tren de levitación magnética Transrapid”, explica Schaible. La estructura especial compensa en gran medida las fuerzas de inercia. En nuestro caso, esto permite a la plataforma de construcción realizar movimientos muy rápidos y precisos sin provocar grandes vibraciones". De este modo, a día de hoy, el sistema puede procesar componentes de hasta 25 kilogramos de peso, con hasta cinco veces la aceleración debida a la gravedad y velocidades de hasta 200 metros por minuto, al tiempo que alcanza una precisión muy alta de 100 micrómetros. Con la deposición convencional de material por láser, lo normal es que sólo se alcancen de 0,5 a 2 metros por minuto.
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La cinemática del trípode en acción: boquilla de alimentación de polvo estacionaria y plataforma de construcción móvil para la ejecución de movimientos de alimentación rápidos y precisos. Foto: Fraunhofer ILT, Aachen, Germany.

“Para poner las ventajas de EHLA 3D a disposición de un amplio grupo de usuarios en el entorno industrial, Fraunhofer ILT está llevando a cabo actualmente un trabajo de investigación específico”, afirma Schaible. “Por el camino, tenemos que encontrar formas de gestionar la complejidad”. Para ello son fundamentales, por ejemplo, los conceptos de monitorización de procesos y las herramientas de planificación automatizada de trayectorias, pero la variación de los parámetros sigue siendo, por el momento, la más importante en el laboratorio. Durante el desarrollo del proceso, todos los parámetros deben coordinarse con precisión: la velocidad, la potencia del láser y la cantidad de polvo en función de la combinación de materiales que se procese en cada caso. “Todavía queda mucho trabajo preliminar experimental y empírico por hacer. Sin embargo, los primeros interesados de la industria ya han tanteado el terreno”, afirma Schaible con optimismo. “Así que sabemos que vamos por el buen camino”.

Actualmente, en un proyecto del consorcio industrial ICTM International Center for Turbomachinery Manufacturing, numerosas empresas de renombre de los sectores aeroespacial y de turbomaquinaria están perfeccionando el EHLA 3D; se ha solicitado un proyecto de seguimiento para 2022. También se están planificando otros proyectos de consorcio bilaterales y con financiación pública, así como estudios de viabilidad. El abanico de posibilidades para la producción y el procesamiento de componentes se ampliará muchas veces con EHLA 3D, al tiempo que el proceso se vuelve más eficiente y compatible con el medio ambiente.

Conferencias sobre este tema

En la conferencia online ICAM 2021 - International Conference on Additive Manufacturing (ASTM International), del 1 al 5 de noviembre de 2021, Jonathan Schaible ofrecerá la presentación ‘Extreme High-Speed Laser Material Deposition for Additive Manufacturing’. Más información: www.amcoe.org/icam2021

Min-Uh Ko, Group Manager System Technology LMD en Fraunhofer ILT, dará la presentación ‘Extreme High-Speed Laser Material Deposition for Additive Manufacturing’ en AKL'22 - International Laser Technology Congress, del 4 al 6 de mayo de 2022, en Aachen. Más información: www.lasercongress.org/en/home/

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