Fabricación aditiva
en metales

Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM)

La tecnología de fabricación aditiva mediante arco e hilo o wire arc additive manufacutring (WAAM) es un proceso de deposición directa de energía en el que se utiliza una fuente de soldadura al arco para fundir y depositar de forma continua un material de aporte en forma de hilo.

Esta tecnología permite la fabricación cordón a cordón de piezas en 3D mediante la superposición de capas, sin limitación de tamaño (la limitación depende del espacio de trabajo del equipo de soldadura) y con muy altas tasas de deposición (hasta 4 Kg/h para aceros y 2 Kg/h para aleaciones de aluminio y titanio).

En el proceso se pueden emplear fuentes de soldadura MIG-MAG, TIG y plasma y existen equipos que permiten la fusión y deposición simultánea de varios hilos a la vez, multiplicando x2 las tasas de deposición mencionadas anteriormente.

La tecnología permite trabajar con metales de aporte convencionales lo que reduce drásticamente los costes de material (hasta 10 veces menos que la misma aleación en formato polvo) y simplifica su manipulación. Asimismo, el proceso se puede llevar a cabo en células robotizadas y sistemas automáticos de soldadura convencionales, lo que minimiza los costes de inversión y formación.

Las principales limitaciones radican en la necesidad de aplicar un mecanizado final a la pieza debido a que se obtiene una preforma (near-net-shape) y en el control de las tensiones y distorsiones que se generan sobre todo en piezas muy másicas.

Esta tecnología presenta actualmente interés en diversos sectores entre los que destacan el aeroespacial, naval, automoción, moldes y matricería, energía y construcción (arquitectura). Destacan las aplicaciones con materiales de alto valor añadido donde la relación entre el material comprado y final (buy-to-fly ratio) es muy elevado. En esos casos es posible conseguir reducciones en el consumo de material del 70-90%, lo que justifica su uso como tecnología alternativa a procesos de fabricación convencionales como el fresado o torneado.

En qué estamos trabajando actualmente

  • Investigación en tecnologías de monitorización de proceso para detección temprana de defectos aislados (porosidades, faltas de fusión).
  • Investigación en tecnologías de inspección no destructiva (ultrasonidos, radiografía, tomografía) para la detección de defectos con tamaños inferiores a los exigidos por las normas (defectos por debajo de 0,5 mm).
  • Estudio de la integridad estructural (vida en fatiga, fractura, fluencia y corrosión) de las piezas fabricadas.
  • Simulación de proceso y herramientas CAD/CAM para la fabricación automática de piezas en 2.5D (secciones en 2D extruidas en eje z) y 3D.
  • Desarrollo de estrategias de deposición avanzadas que permitan reducir las creces de mecanizado necesarias y minimizar las distorsiones de las piezas fabricadas.
  • Optimización de los tratamientos térmicos necesarios posteriores a la fabricación para conseguir un buen balance de propiedades y eliminar las tensiones residuales.
  • Desarrollo de nuevos procesos WAAM con mayores tasas de deposición mediante la incorporación de tecnologías multi-hilo (p.e., CTM TWIN) y tecnologías de hilo caliente (p.e., TIGSpeed). El objetivo es llegar a depositar más de 8 Kg/h de aceros al carbono e inoxidables y 5 Kg/h de aluminio y titanio.
  • Desarrollo de nuevas aleaciones para WAAM (p.e., nuevas aleaciones de aluminio de alta resistencia).

Equipamiento específico

Fuentes de potencia de diferentes tecnologías de soldadura

  • MIG-MAG: Fronius TPSi y Fronius Transpuls (2) con diferentes curvas sinérgicas. incluida CMT.
  • MIG-MAG: Fronius CMT TWIN.
  • TIG: EWM TigSpeed con opciones de alimentación de hilo frío, hilo caliente con y sin oscilación.
  • Plasma: SBI con alimentación automática de hilo.

Células robotizadas WAAM

  • KUKA KR16 de 6 ejes.
  • 1 ABB IRB 4600-45/2.5 de ejes y 2 ejes externos adicionales.
  • 1 FANUC Arcmate 120iC de 6 ejes y 2 ejes externo adicionales.

CAD/CAM software

  • SKM DCAM.
  • Delcam PowerMill Additive.

Software para predicción y control de distorsiones

  • Abaqus.

Sistemas de protección para WAAM de materiales reactivos

  • Cámara inerte (250 x 150 x 150 mm).
  • Sistema de protección local desarrollado y patentado por LORTEK.

Equipamiento para control de proceso

  • Seguidores de junta SERVO-ROBOT y SCANSONIC.
  • Cámaras termográficas.
  • Sistemas de monitorización de temperatura: pirómetro y termopares.
  • Cámaras de visión artificial para soldadura.
  • Perfilómetros láser para inspección y registro de dimensiones de cordones.
  • Sistema de captación de datos.

Equipamiento para inspección de piezas

  • Ultrasonidos.
  • Termografía.
  • Colaboración con terceros para otros ensayos: metrología, rayos X y tomografía computerizada.

Publicaciones
y descargas

Publicaciones

L. Vázquez, N. Rodríguez, I. Rodríguez, E. Alberdi, P. Álvarez.
Influence of interpass cooling conditions on microstructure and tensile properties of Ti-6Al-4V parts manufactured by CMT-WAAM.
Presented at 2nd International Congress on Welding, Additive Manufacturing and Associated Non-Destructive Testing (ICWAM), Metz (France), June 2019.

N. Rodríguez, L. Vázquez, I. Huarte, E. Arruti, I. Tabernero, P. Álvarez.
Wire and arc additive manufacturing: a comparison between CMT and TopTIG processes applied to stainless steel. Welding in the World, 62(5), 1083-1096. Published in 2018.

A. Paskual, P. Álvarez, A. Suárez.
Study on arc welding processes for high deposition rate additive manufacturing. Procedia Cirp, 68, 358-362. Published in 2018.

L. Vázquez, I. Huarte, N. Rodríguez, P. Álvarez.
Influence of post-deposition heat treatments on microstructure and tensile properties of Ti-6Al-4V parts manufactured by CMT-WAAM.
Presented at 2nd Metallic Materials and Processes: Industrial Challenges, Deauville (France), October 2017.
Descargas

Casos de éxito

Fabricación mediante WAAM de piezas de Ti para aplicaciones aeronáuticas

Desafío

Fabricación mediante WAAM de piezas de Ti para aplicaciones aeronáuticas.

Solución

Desarrollo de proceso WAAM mediante tecnología CMT de aleación de Ti-6Al-4V en entorno abierto (con sistema de protección local) y alcanzando tasas de deposición de hasta 2,3 Kg/h. Los componentes desarrollados cumplen con especificaciones de calidad de productos forjados tras aplicar tratamientos térmicos optimizados.

Partners o alianzas estratégicas

Trabajo desarrollado en el marco del proyecto ADITARC y con colaboración de empresas de componentes aeronáuticos forjados.

Estudio de la vida a fatiga de piezas WAAM de Ti-6Al-4V

Desafío

Estudio de la vida a fatiga de piezas WAAM de Ti-6Al-4V.

Solución

Fabricación de probetas de fatiga a partir de paredes de WAAM y caracterización de probetas (tomografía computerizada) y ensayo.

Fabricación mediante WAAM de piezas de Al de alta resistencia

Desafío

Fabricación mediante WAAM de piezas de Al de alta resistencia.

Solución

Desarrollo del proceso WAAM de nuevas aleaciones de alta resistencia (2219, Al-Mg-Sc y Al-Li) incluyendo la optimización del programa de soldadura y tratamientos térmicos. Estrategias para reducción de la oxidación.

Partners o alianzas estratégicas

Trabajo desarrollado en el marco del proyecto EcoTECH con colaboraciones de Sonaca y la Universidad de Cranfield.

Fabricación mediante WAAM en sistema híbrido con tecnología aditiva y sustractiva

Desafío

Fabricación mediante WAAM en sistema híbrido con tecnología aditiva y sustractiva.

Solución

Estudio del proceso de fabricación mediante WAAM de piezas de aluminio en sistema híbrido del fabricante Diversified Machine Systems (DMS) con controlador numérico CNC de Fagor Automation.

Partners o alianzas estratégicas

Fagor Automation, Aotek, Goierri Eskola.

Retos

Desafíos que hay que afrontar en los próximos años:

Asegurar la calidad y el comportamiento estructural piezas fabricadas por WAAM y conseguir su certificación para diferentes aplicaciones.
Minimizar los tiempos y costes de fabricación.
Control de las distorsiones.
Desarrollar nuevos casos de éxito en colaboración con la industria: alternativas a piezas forjadas y reparación de piezas y moldes.
Industrialización de la tecnología.

Dr. Pedro Álvarez

Investigador Referente en WAAM, Uniones Arco y Láser.

Doctor en Ciencias por la Universidad de Navarra. Desde 2007 es investigador en el área de Procesos. Actualmente lidera proyectos de investigación relacionados con tecnologías avanzadas de unión y fabricación aditiva de componentes metálicos. Está especializado en metalurgia y soldabilidad, tecnologías de soldadura (arco, láser, resistencia, fricción-agitación, chisporroteo). recargue y procesos de fabricación aditiva. Ha liderado diferentes proyectos europeos (2) y participado en otros como investigador (7). A nivel nacional ha participado en más de 60 proyectos de investigación básica y de investigación aplicada e innovación con empresas. Ha participado en numerosas conferencias internacionales relacionadas con fabricación aditiva y tecnologías de unión (más de 30) y es autor de 26 artículos científicos indexados que han sido referenciados 356 veces.

Es miembro del comité Técnico de Normalización AEN/CTN 14.

Es delegado de LORTEK en las plataformas europeas AM Platform y Joining Platform. Tiene buenas competencias de comunicación en euskara e inglés (certificado CAE), compromiso pleno y pasión por la investigación, el aprendizaje continuo y el desarrollo de negocio.

Es profesor y coordinador del Curso de Ingeniero Internacional de soldadura (IWE) y del Master de Fabricación Aditiva Industrial (Universidad de Mondragón).

En noviembre de 2018 recibió el reconocimiento del Gobierno Vasco como investigador excelente por su labor investigadora y mérito científico tecnológico.