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Impresión híbrida: ¿Qué es y cómo se lleva a cabo?

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uso conjunto de tecnologías aditivas y sustractivas

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Aunque los procesos de fabricación aditiva y sustractiva parecen estar en un terreno totalmente opuesto, en realidad, a medida que estas tecnologías se desarrollan, las ventajas de la fabricación híbrida son cada vez más evidentes. Los sistemas de fabricación híbridos, dotados de una tecnología aditiva y otra sustractiva simultáneamente, podrían representar un gran avance tecnológico para la industria. De este modo, estas dos tecnologías pueden considerarse complementarias entre sí y aprovechar las ventajas de cada una.

1. Fabricación híbrida

El uso conjunto de tecnologías aditivas y sustractivas no es un concepto nuevo. Por ejemplo, el procesamiento posterior de las piezas metálicas fabricadas mediante impresión 3D suele incluir el mecanizado CNC para darles precisión mecánica y un mejor acabado superficial. Sin embargo, existe otra forma de combinar estos dos procesos, dando lugar a lo que llamamos fabricación híbrida (Figura 1).

La fabricación híbrida consiste en unir una tecnología aditiva y otra sustractiva en la misma máquina con el objetivo de aprovechar las ventajas de cada una de estas tecnologías: la complejidad geométrica de los procesos aditivos con la alta precisión de los procesos sustractivos. De este modo, es posible obtener una pieza aditiva y mecanizada en un solo paso, acelerando todo el proceso de producción. Naturalmente, el diseño de una pieza híbrida debe tener en cuenta los requisitos de cada una de estas tecnologías.

Las aplicaciones de los sistemas híbridos pueden ser muy variadas, como la fabricación de pequeñas series de piezas metálicas o la reparación de piezas dañadas o desgastadas.

Tejido híbrido

Figura 1 - Tejido híbrido (Crédito: DMG Mori).

2. Deposición directa de energía

La deposición directa de energía (DED) es uno de los procesos aditivos que pueden utilizarse en las tecnologías híbridas. Este proceso consiste en fusionar el material mediante un rayo láser o de electrones mientras se deposita a través de una boquilla en la plataforma de construcción. A continuación, el material depositado puede mecanizarse para obtener un mejor acabado superficial y una mayor precisión mecánica. También es posible añadir material sobre una pieza mecanizada para aumentar la complejidad geométrica de la pieza.

Otra de las ventajas del proceso aditivo DED tiene que ver con el hecho de que es posible utilizar un sistema de 5 ejes en el cabezal de impresión, lo que permite imprimir zonas geométricamente complejas sin necesidad de colocar estructuras de soporte.

El DED es adecuado para la producción de piezas grandes y la reparación de componentes mecánicos, y estas dos características son bastante ventajosas si comparamos este proceso con la fusión de polvo metálico por láser. Por otra parte, la fusión del polvo metálico permite obtener piezas con mejor acabado y precisión dimensional.

3. Impresión híbrida

Con el objetivo de realizar una pieza híbrida iniciamos este proyecto, utilizando una pieza mecanizada por CNC a la que añadimos un castillo mediante el proceso de fusión de polvo metálico por láser. No podemos llamarlo fabricación híbrida, sino impresión híbrida, ya que utilizamos dos equipos diferentes, una fresadora CNC y una impresora 3D, para hacer esta pieza.

Otro aspecto que queríamos estudiar con este experimento era la capacidad de unión entre dos aceros con diferentes composiciones químicas. Utilizamos una construcción de acero 1.1730 para la pieza mecanizada por CNC y el castillo híbrido se imprimió con polvo metálico de acero inoxidable 1.4404 (316L).

A continuación describiremos los pasos que llevaron a la fabricación de la pieza mostrada en la figura 2.

Pieza híbrida formada por una base mecanizada por CNC y un castillo aditivo

Figura 2 - Pieza híbrida formada por una base mecanizada por CNC y un castillo aditivo.

El proyecto comenzó con el modelado 3D de la pieza y el estudio de su fijación a la oblea de construcción de la impresora 3D. Se optó por una geometría sencilla de un paralelepípedo con una caja interior, a la que se añadió un castillo aditivo, es decir, una pieza que habría que fabricar mediante impresión 3D. En el interior, este castillo está formado por una serie de finas láminas de 1 mm de grosor (Figura 3) que, a pesar de ser una geometría sencilla, sería muy difícil de ejecutar de otra manera.

Sección interior del castillo híbrido

Figura 3 - Sección interior del castillo híbrido.

Otro aspecto importante de este estudio fue la forma de ajustar las piezas híbridas a la oblea de construcción. Por un lado, la impresora no dispone de un sistema de enderezamiento de las piezas, como ocurre en las máquinas de control numérico y, por otro lado, sería difícil añadir un sistema de apriete que no interfiriera en la dinámica de funcionamiento de la impresora. Además, la oblea de construcción se fija a la impresora mediante cuatro tornillos, lo que no garantiza su funcionamiento.

Se decidió hacer varios agujeros en la oblea pensando en las distintas posibilidades de fijación en futuras impresiones híbridas (Figura 4).

Preparación de la oblea de impresión

Figura 4 - Preparación de la oblea de impresión.

La oblea de construcción (y todos sus agujeros) es simétrica respecto a su eje central. Para evitar errores de posicionamiento durante su apriete en la impresora, se ha añadido una flecha que indica su posición con respecto a la recubridora, es decir, con respecto al mecanismo móvil que transporta el polvo metálico desde el cilindro de alimentación hasta la oblea de construcción, tal como se muestra en la figura 5

Figura 5 - Estudio del posicionamiento y orientación de las piezas en la oblea de construcción.

La figura 6 nos muestra una de las etapas de preparación de la oblea de construcción, a saber, la apertura de roscas con un macho.

Preparación de la oblea de construcción

Figura 6 - Preparación de la oblea de construcción.

En la figura 7 podemos ver la oblea de construcción en la impresora 3D, cubierta con polvo metálico y lista para empezar a imprimir el castillo híbrido

Preparación de la impresora

Figura 7 - Preparación de la impresora (Impresa por Eplus3D EP-M150)

Una vez finalizada la impresión, es necesario retirar el polvo metálico que no fue fundido, como se muestra en la figura 8. Sólo después de retirar este polvo podemos sacar la oblea de construcción de la impresora. El polvo no fundido se tamiza y se reutiliza para futuras impresiones

Retirada del polvo metálico no fundido

Figura 8 - Retirada del polvo metálico no fundido (Impreso por Eplus3D EP-M150)

Después de eliminar todo el polvo metálico, la oblea de construcción se retira de la máquina y el resultado de la impresión se muestra en la figura 9.

Resultado final después de la impresión

Figura 9 - Resultado final después de la impresión (Impreso por Eplus3D EP-M150)

La figura 10 muestra tres piezas que son el resultado de este experimento. A la izquierda vemos la pieza base sin la adición del castillo híbrido. En la pieza del medio podemos ver el castillete híbrido y en la de la derecha el resultado tras el fresado CNC del castillete híbrido. Este mecanizado de acabado permitió eliminar la rugosidad superficial que quedaba en las paredes exteriores del castillo híbrido, resultante del proceso de impresión

Pieza mecanizada

Figura 10 - Pieza mecanizada, pieza mecanizada con capó híbrido, pieza mecanizada con capó híbrido mecanizado por fresado CNC.

4. Conclusión

Nuestro primer proyecto de impresión híbrida fue un éxito. Podemos decir que el proyecto tuvo un 70% de preparación y un 30% de ejecución, siendo la fase de estudio de fijación de las piezas a la oblea de impresión la que más trabajo nos dio para definir.

Aunque el proceso de fusión de polvo metálico por láser no es tan versátil como el proceso DED, podemos demostrar que es posible combinar el fresado CNC y la fusión de polvo metálico por láser con éxito.

Sin embargo, es importante señalar que tenemos algunas limitaciones que hay que tener en cuenta. Los casquillos híbridos deben crecer a partir de un plano perfectamente horizontal y rectificado para garantizar que los casquillos se suelden a su base (Figura 11). No sería posible realizar este experimento si el plano de impresión fuera una superficie con un determinado perfil tridimensional

Indicación del plano de impresión

Figura 11 - Indicación del plano de impresión.

También es fundamental asegurarse de que no hay piezas que estén por encima del plano de impresión para que no interfieran con el movimiento del recuperador. En otras palabras, si queremos imprimir de forma híbrida una pieza con una geometría más compleja, tenemos que pensar en cómo asegurar la conexión entre las piezas sin interferir con la dinámica de la impresora.

También se pudo demostrar que es posible realizar una impresión híbrida utilizando metales similares, pero con diferentes composiciones químicas.

Nuno Boavida - Técnico de Formación del Núcleo CENFIM de Marinha Grande