Fabricación aditiva
en metales

Tecnología de deposición de metal (LMD)

“With permission of TRUMPF Laser- und Systemtechnik GmbH”

La tecnología de deposición de metal por láser o Laser Metal Deposition (LMD) es un proceso de deposición directa de energía en el que se utiliza una fuente láser para generar un haz concentrado que funde el material, el cual es dosificado a través de una boquilla, y que permite la fabricación aditiva capa a capa de piezas de geometría compleja, de mediano y gran tamaño, y con una alta tasa de deposición (hasta 2.5 Kg/h).

LORTEK ha apostado por la tecnología LMD-polvo, ya que existe una amplia variedad de materiales comerciales, nuevas aleaciones mejoradas, y además este proceso permite la fabricación de piezas multi-material o con composición gradual. Una de las ventajas del proceso LMD es que es posible controlar la densidad de energía aportada y el diámetro del haz láser, para controlar efectivamente el calor aportado por unidad de área y obtener piezas libre de defectos. Por otra parte, el LMD es un proceso bastante eficiente ya que el material aportado se funde en gran medida (eficiencia entre 70-90%) y se aporta sólo el material necesario en las zonas requeridas, lo cual minimiza el desperdicio del mismo y permite la obtención de piezas con geometría cercana a la final (near-net-shape).

Con LMD no sólo es posible fabricar piezas, también se ha usado para la reparación de piezas de alto valor, y para la adición de detalles o “features” en componentes fabricados mediante otros procesos. La combinación del LMD y el mecanizado CNC ha dado paso a nuevas posibilidades de fabricación en máquinas híbridas y celdas multiprocesos, en las que los procesos de fabricación aditiva y los procesos substractivos son convenientemente usados para la fabricación de componentes con excelente calidad superficial en diversos sectores, tales como turbomaquinaria, aeronáutica, automoción, eólico, oil and gas, entre otros.

El conocimiento de LORTEK en materiales, metalurgia, caracterización avanzada, y el proceso LMD permite realizar un acompañamiento 360º en estudios de viabilidad específicos para cada cliente y sector, soportado tanto financiera como tecnológicamente para la correcta implantación de ésta disruptiva tecnología de fabricación aditiva metálica.

En qué estamos trabajando actualmente

Procesado

Nuevas aleaciones base Fe, Co o Ni para aplicaciones a alta temperatura y/o resistentes al desgaste y a la fatiga mecánica.

Simulación y modelado

Proceso para entender los fenómenos físicos relevantes.

Monitorización y control

Proceso a través de estrategias Smart que permitan la optimización del proceso de deposición en dos líneas de actuación: on-line y off-line.

Industrialización

Tecnología y digitalización del proceso, en línea con la filosofía de la Industria 4.0.

Equipamiento específico

LORTEK dispone de tres fuentes láser de estado sólido: láser de disco de 6kW, láser Nd-YAG de 3kW y un láser de fibra de 1kW, y dispone de una fuente de semiconductores: láser de diodos de 3kW. Este amplio rango de longitudes de onda permite procesar un amplio rango de materiales y emplear el láser más adecuado para una aplicación particular. También se dispone de diferentes cabezales con óptica fija y con óptica flotante, los cuales permiten variar el spot láser durante el proceso, además de incorporar puertos para cámara o sensores on-axis para la monitorización del baño fundido o para medición de la temperatura. El haz laser es guiado al cabezal por fibras ópticas de diferentes diámetros. Para el aporte de polvo se dispone de alimentadores de polvo de dos tolvas calefactables y de diversos tipos de boquillas: coaxiales para polvo fino y polvo estándar, y boquillas three-jet con insertos de carburo para diferentes aplicaciones y grados de accesibilidad requeridos. Para la generación de trayectorias se dispone de diversos software CAM especializados para procesos de deposición directa, en los cuales es posible la virtualización de la cinemática y realizar simulaciones.

Dos estaciones de trabajo para LMD están disponibles, de acuerdo a los grados de libertad requeridos para la aplicación:


Estación cinemática cartesiana de 3 ejes

  • Estación cinemática cartesiana de 3 ejes con posibilidad de un cuarto eje (plato rotatorio), compuesta de una mesa CNC (500x500x800 mm) con control Fagor 8065 habilitada con adquisición de datos y conectividad remota.

Celda robotizada LMD

  • Celda robotizada LMD compuesta por un robot Fanuc ARC Mate 120iC indexado a un servo posicionador Fanuc de 2 ejes (mesa giratoria).

Publicaciones
y descargas

Publicaciones
2022
J.C. Pereira, F. Zubiri, M.J. Garmendia, M. Tena, H. Gonzalez, N. López de Lacalle
Study of laser metal deposition additive manufacturing, CNC milling, and NDT ultrasonic inspection of IN718 alloy preforms
Int J Adv Manuf Technol (2022). Volume 119, issue 5-6.
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2021
J.C. Pereira, R. Moreno, C. Tenbrock, A. Herget, T. Wittich, K. Hamilton
Advances in Multi-Process Hybrid Production Cells for Rapid Individualised Laser-Based Production
Applied Sciences. 2021; 11(4):1812. EISSN 2076-3417. DOI: 10.3390/app11041812
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2021
J.C. Pereira, H. Borovkov, F. Zubiri, M.C. Guerra, J. Caminos
Fabrico aditivo de paredes finas e cantos retos: otimização do processo LMD
InterMETAL, 2021, 9 (02), páginas 36-40.
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2021
H. Borovkov, A. Garcia de la Yedra, X. Zurutuza, X. Angulo, P. Alvarez, J.C. Pereira, F. Cortes
In-Line Height Measurement Technique for Directed Energy Deposition Processes.
J. Manuf. Mater. Process. 2021, 5(3): 85. EISSN 2504-4494
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2020
J.C. Pereira, H. Borovkov, F. Zubiri, M.C. Guerra, J. Caminos
Optimization of Thin Walls with Sharp Corners in SS316L and IN718 Alloys Manufactured with Laser Metal Deposition
J. Manuf. Mater. Process. 2021, 5, 5. Pages 1-17. EISSN 2504-4494. doi: 10.3390/jmmp5010005
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2019
J.C. Zambrano, J.C. Pereira, V. Amigó.
Influence of process parameters and initial microstructure on the oxidation resistance of Ti48Al2Cr2Nb coating obtained by laser metal deposition.
Surface & Coatings Technology, 2019 (358) 114-124. ISSN 0257-8972.
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2019
J.C. Pereira, A. Echeverría, J.C. Zambrano, C.R.M. Afonso, V. Amigó.
Microstructure assessment at high temperature in NiCoCrAlY overlay coating obtained by laser metal deposition.
Journal of Material Research and Technology. 2019; 8(2) 1761–1772. ISSN 2238-7854.
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2018
A. García de la Yedra, M. Pfleger, B. Aramendi, et al.
Online cracking detection by means of optical techniques in laser‐cladding process.
Struct Control Health Monit. 2019; 26:e2291. ISSN:1545-2263.
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Casos de éxito

Fabricación de álabes para Nozzle Ring

Desafío

Fabricación de álabes para Nozzle Ring (sector Turbomáquinaria) mediante LMD.

Solución

Desarrollo del proceso LMD en acero inoxidable 316L y en aleación base níquel IN718 para la fabricación de álabes near-net-shape.
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Partners o alianzas estratégicas

Trabajo desarrollado en colaboración con el FhG ILT, ABB Turbo y AUTODESK en el marco del proyecto HyProCell.

Fabricación aditiva mediante LMD de vanos (Top Core Vane, TCV) en IN718

Desafío

Fabricación aditiva mediante LMD de vanos (Top Core Vane, TCV) en IN718.

Solución

Desarrollo del proceso LMD para la fabricación de paredes delgadas en múltiples capas.

Partners o alianzas estratégicas

Trabajo desarrollado en colaboración con ITP en el marco del proyecto MERLIN.

Fabricación LMD de preformas near-net-shape

Desafío

Fabricación de preformas near-net-shape mediante LMD

Solución

Modelado, simulación y desarrollo del proceso LMD en Inconel 718 y en acero inoxidable SS316L para la obtención de preformas en 2.5D de 150x75x50mm3 (espesores de pared de 5 mm) con precisión geométrica de ±0.5 mm

Partners o alianzas estratégicas

Trabajo desarrollado completamente en LORTEK

Retos

Desafíos que hay que afrontar en los próximos años:

Digitalización del proceso.
Implementación de estrategias de control multivariante del proceso.
Desarrollo de sistemas de fácil verificación de la estabilidad del proceso.