TAC para impresión 3D

WENZEL WENZEL America y NIDEC continúan su colaboración para explorar el potencial del sistema de tomografía computerizada exaCT U de en la investigación de fabricación aditiva con deposición de energía dirigida (DED). Este sistema, integrado con el sistema LAMDA de NIDEC Machine Tool America, utiliza tecnología punta para procesar incluso los metales más duros.

Desde la introducción de la fabricación aditiva en Japón en 1987, se han desarrollado numerosas aplicaciones nuevas que utilizan diversas tecnologías para transformar archivos CAD en objetos físicos en 3D. Hoy en día, incluso objetos y formas muy complejos son reconocidos y ampliamente utilizados en muchas industrias. En este artículo analizamos la deposición de energía dirigida (DED) y cómo puede utilizarse esta tecnología para garantizar la calidad de los productos.

LP-DED (deposición de energía dirigida por láser) es un potente proceso de fabricación aditiva (AM) en el que un rayo láser focalizado funde y une el polvo metálico capa a capa para crear el objeto 3D deseado. El polvo metálico se introduce en el baño fundido creado por el láser a través de una boquilla, lo que permite una colocación precisa del material y la producción de características de diseño complejas.

En comparación con otros procesos de AM, como la fusión de lecho de polvo, LP-DED ofrece una mayor flexibilidad, ya que puede trabajar directamente sobre componentes existentes. Esto hace que el proceso resulte ideal para reparaciones, añadir características a piezas existentes y producir estructuras funcionales graduadas en las que las propiedades de los materiales varían dentro del objeto. El LP-DED también puede procesar una gama más amplia de materiales, incluidos metales difíciles de procesar con otros métodos.

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Una gran ventaja

Una ventaja clave del sistema LAMDA LP-DED de NIDEC es su capacidad para realizar fabricación aditiva de metales a gran escala sin necesidad de utilizar una cámara ambiental completa. Esto se consigue mediante el blindaje localizado, un recinto de gas que rodea la zona de deposición. Este blindaje minimiza la interacción del láser y el polvo metálico con el entorno, reduciendo el riesgo de vapor, salpicaduras y oxidación.
Esto no sólo simplifica la configuración, sino que también reduce los costes y el consumo de energía en comparación con los sistemas de AM basados en cámaras. Un avance significativo es el uso de la monitorización y la retroalimentación en tiempo real por parte de NIDEC para controlar el proceso. Combinados con inteligencia artificial y aprendizaje automático, los sistemas LAMDA pueden detectar anomalías en una fase temprana y detener automáticamente el proceso antes de que se dañe el componente.

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La combinación de versatilidad de materiales, reparabilidad y capacidad de fabricación a gran escala convierte al LP-DED en una valiosa herramienta para diversas industrias, como la aeroespacial, la automovilística y la energética. A medida que la investigación y el desarrollo sigan mejorando el control de los procesos y la comprensión de los materiales, se espera que el LP-DED desempeñe un papel aún más importante en el futuro de la fabricación aditiva.

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La tomografía computerizada (TC) industrial es un avanzado método de ensayo no destructivo que permite obtener vistas internas detalladas de los componentes, incluso penetrando en materiales como el metal y el plástico. En combinación con el software adecuado, la TC industrial se convierte en una potente herramienta de ingeniería y metrología. La tecnología TC existe desde hace décadas y permite realizar inspecciones rápidas, revelando estructuras internas que permanecen ocultas con los métodos de medición convencionales, lo que mejora la rentabilidad y la productividad. A diferencia de otras máquinas de inspección, la TC ofrece un análisis en profundidad de las estructuras internas, las propiedades de los materiales y los posibles defectos.

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Los sistemas de TC tienen un valor incalculable en los ensayos de materiales y ofrecen una oportunidad única para revelar características ocultas en los metales. Con la tecnología de deposición de energía dirigida (DED) en particular, es crucial conocer la calidad del material cuando se añaden nuevas características a piezas ya existentes o se crean estructuras de gradación funcional en las que las propiedades del material varían dentro del objeto. Los sistemas CT miden con precisión la densidad del material, lo que permite sacar conclusiones sobre su resistencia y durabilidad. También pueden detectar poros que podrían afectar al rendimiento del material, así como grietas invisibles a simple vista pero que podrían provocar un fallo catastrófico del producto.

Otra aplicación importante de los sistemas de TC es la comprobación de la precisión dimensional de un componente para garantizar que se ajusta a las dimensiones y tolerancias especificadas. Esta capacidad es esencial en las industrias de precisión. Esto puede lograrse mediante una comparación nominal/real, en la que el dibujo CAD de la pieza se compara con el escaneado CT real de la misma pieza. En los casos en los que no se dispone de datos CAD, también pueden compararse los datos de escaneado de una pieza de referencia con los datos de escaneado de la pieza que se va a inspeccionar.

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Los defectos más comunes que se producen con DED (deposición de energía dirigida) son la porosidad y las grietas. Éstas pueden deberse a impurezas que quedan atrapadas en el componente durante el proceso de fabricación aditiva. Al analizar el proceso DED, pueden identificarse defectos potenciales como la formación de rebabas, huecos, grietas, porosidad, líneas superficiales y aumento de la rugosidad de la superficie. Estos defectos de deposición suponen un reto importante tanto en el proceso PBF como en el DED, y rectificarlos es una tarea compleja y difícil. Afortunadamente, al medir y detectar estos defectos, el software de TC más reciente proporciona una valiosa información sobre las correcciones necesarias para garantizar la máxima calidad de los productos.

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Porosidad y cavidades

La porosidad y las cavidades son problemas habituales en las piezas fundidas y moldeadas de fabricación aditiva. Suelen estar causadas por aire o gas atrapado en el metal durante la solidificación, o por la contracción del metal que deja huecos en su interior, lo que se conoce como porosidad por contracción. Dado que la porosidad consiste en aire atrapado, puede reconocerse como una zona de menor densidad durante el análisis por TC, lo que simplifica su detección.

Un software adecuado es crucial para determinar con precisión la porosidad debida a las fluctuaciones de densidad. WENZEL W M | PointMaster de es una herramienta de análisis de TC que identifica las porosidades con un simple clic. Permite al ingeniero de control de calidad medir y visualizar fácilmente el tamaño, la forma y los posibles grupos de porosidades. El operador puede definir un rango de tamaños de porosidad y codificarlos por colores para facilitar su identificación y evitar la detección de porosidades demasiado pequeñas. La TC es especialmente eficaz para detectar porosidades atrapadas en piezas impresas. Los tipos de porosidad incluyen la porosidad continua, que se extiende por toda la pieza, y la porosidad ciega, que suele producirse en una superficie de la pieza. La detección de la porosidad debe centrarse en las zonas mecanizadas y otras secciones críticas y sometidas a grandes esfuerzos.

El sistema de TC tiene ciertas limitaciones en cuanto a resolución y rendimiento de penetración. La selección del tubo de rayos X, el detector y la colocación del objeto en el área de exploración influyen considerablemente en el aumento y la resolución máximos. Algunos sistemas de TC ofrecen ampliaciones del campo de exploración que permiten combinar varios campos para captar un área de exploración mayor. La resolución también viene determinada por la precisión de la mesa giratoria, que determina el grosor del corte de la exploración.

El tamaño del vóxel (v) de una reconstrucción tomográfica puede calcularse mediante la fórmula v = p M (1), donde p es la distancia entre píxeles del detector y M es la relación entre SOD (Source-to-Object Distance) y SDD (Source-to-Detector Distance). Sin embargo, el valor real de v también viene determinado por factores como la deriva de la fuente de rayos X, la dilatación térmica de los componentes del TC, la inclinación del detector y el deslizamiento del objeto, así como otras influencias.

Con los ajustes óptimos, deberíamos poder detectar y medir cavidades, obstrucciones y grietas en el rango de 21µ a 26µ con un alto grado de certeza. Con un ángulo preciso, podemos detectarlas aún mejor. Al medir bordes, la transición de densidad no debe superar los tres píxeles y la nitidez de un borde debe ser idealmente de unos 3 a 4 píxeles.

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Grietas y fracturas internas

La búsqueda de las causas del agrietamiento y de la fase exacta en el proceso de fabricación puede ser extremadamente compleja. Encontrar la grieta y observar su propagación por el objeto puede proporcionar pistas cruciales para resolver el problema.

En muchos casos, se necesita tecnología de TC de alta resolución como el sistema exaCT para detectar con precisión grietas en piezas impresas. Las grietas son a menudo irregulares y pueden ir en diferentes direcciones a través de un componente. Es especialmente importante identificar las grietas causadas por un enfriamiento desigual durante el proceso de fabricación. Estas grietas, similares a las porosidades, pueden visualizarse y colorearse con el software WM | PointMaster para analizar las propiedades del material y el proceso de fabricación. La tecnología TC es especialmente útil para analizar la migración de grietas en piezas sometidas a ensayos de tracción.

Un ejemplo notable de la aplicación de la TC en el estudio de la migración de grietas es el análisis de las pruebas balísticas sobre chalecos antibalas. Aquí puede verse cómo las capas de poliuretano se separan tras una prueba balística mientras que la integridad general del material se mantiene y es capaz de resistir proyectiles como balas o esquirlas de metralla.

El software WM | PointMaster puede proporcionar mediciones de subvóxeles de tomografías computarizadas para evaluar la forma, la resistencia y los efectos de las grietas en el material.

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Desviaciones de la geometría interna

El escaneado por TC proporciona datos detallados del interior y el exterior de las piezas más complejas. Las piezas de plástico suelen sufrir deformaciones por contracción y alabeo tras el desmoldeo. Para contrarrestar estos efectos, se suele realizar un moldeo compensado durante el proceso de moldeo por inyección. La pieza de plástico se moldea inicialmente con una forma "errónea" para que, tras enfriarse, pueda encogerse y alabearse hasta alcanzar la forma final deseada y aproximarse lo más posible a la forma objetivo.

Tradicionalmente, la geometría del molde se adapta mediante repasos iterativos (fresado, rectificado o erosión). Sin embargo, este proceso lleva mucho tiempo y puede suponer que el molde ya no pueda reutilizarse.

Con la deformación virtual, las especificaciones de deformación pueden derivarse de sistemas de simulación o resultados de medición de componentes realmente escaneados. Esto permite a WM | PointMaster calcular automáticamente el resultado de la deformación, teniendo en cuenta factores como los volúmenes locales, la contracción y la experiencia del fabricante de moldes. Quartis A continuación, la geometría calculada automáticamente y compensada por la deformación se convierte en modelos de superficie CAD mediante las potentes funciones de ingeniería inversa de WM | PointMaster y WM |, en las que se integran los datos de herramientas existentes.

WENZEL Para componentes críticos de fabricación aditiva, la serie exaCT ofrece mediciones precisas de la geometría interna y externa y una detección fiable de defectos. Vea este breve vídeo para obtener una visión general gráfica de esta valiosa herramienta.

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