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Aunque los procesos de fabricación aditiva y sustractiva parecen estar en un terreno completamente opuesto, de hecho, a medida que se desarrollan estas tecnologías, los beneficios de la fabricación híbrida son cada vez más evidentes. Los sistemas de producción híbridos, equipados con tecnología aditiva y sustractiva al mismo tiempo, podrían representar un gran avance tecnológico para la industria. Estas dos tecnologías pueden considerarse complementarias y capaces de aprovechar las ventajas de cada una.
Producción híbrida
El uso conjunto de tecnologías aditivas y sustractivas no es un concepto nuevo. Por ejemplo, el posprocesamiento de piezas metálicas fabricadas con impresión 3D a menudo implica el mecanizado CNC para darles precisión mecánica y un mejor acabado superficial. Sin embargo, hay otra forma de combinar estos dos procesos, lo que da como resultado lo que llamamos fabricación híbrida.
La producción híbrida consiste en combinar tecnología aditiva y sustractiva en una 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 esta forma es posible obtener un aditivo y una pieza mecanizada en un solo paso, agilizando todo el proceso productivo. Por supuesto, 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 tan variadas como la producción de pequeñas series de piezas metálicas o la reparación de piezas dañadas o desgastadas.
Deposición directa de energía
La deposición directa de energía (DED) es uno de los procesos aditivos que se pueden utilizar en tecnologías híbridas. Este proceso consiste en fundir el material con un rayo láser o electrónico a medida que se deposita a través de una boquilla en la plataforma de construcción. A continuación, el material depositado se puede procesar para obtener un mejor acabado superficial y una mayor precisión mecánica. Alternativamente, también puede agregar material en una pieza mecanizada para aumentar la complejidad geométrica de la pieza.
Otra de las ventajas del proceso DED aditivo tiene que ser el hecho de que se puede utilizar un sistema de 5 ejes en el cabezal de impresión, permitiendo la impresión de áreas geométricamente complejas sin necesidad de colocar estructuras de soporte.
DED es adecuado para fabricar piezas grandes y reparar componentes mecánicos, y estas dos características son bastante ventajosas cuando comparamos este proceso con la fusión por láser de polvos metálicos. La fusión de polvo metálico, por otro lado, permite obtener piezas con un mejor acabado y precisión dimensional.
Impresión híbrida
Fue con el objetivo de hacer una pieza híbrida que iniciamos este proyecto, utilizando una pieza mecanizada por CNC a la que le añadimos un castillo mediante el proceso de fusión por láser de polvo metálico. No podemos llamarlo producción híbrida, sino impresión híbrida, ya que utilizamos dos equipos diferentes, una fresadora CNC y la impresora 3D Eplus3D EP-M150, para fabricar esta pieza.
Otro aspecto que queríamos estudiar con este experimento fue la capacidad de unión entre dos aceros con diferentes composiciones químicas. Usamos un marco de acero 1.1730 para la pieza mecanizada con CNC y el castillo híbrido se selló con polvo de metal de acero inoxidable 1.4404 (316L).
El proyecto comenzó con el modelado 3D de la pieza y el estudio de su fijación al segmento de construcción de la impresora 3D. Optamos por una geometría simple de paralelepípedo con caja interna, a la que se le añadió un castillo aditivo, que es una pieza que debería haberse realizado mediante impresión 3D. En su interior, este castillo está formado por una serie de láminas delgadas de 1 mm de espesor que, a pesar de ser una geometría simple, serían muy difíciles de realizar de otra forma.
Otro aspecto importante de este estudio fue cómo sujetar las partes híbridas a la oblea de construcción. Por un lado, la impresora no cuenta con un sistema de enderezamiento de piezas, como ocurre en las máquinas de control numérico y, por otro, sería difícil agregar un sistema de enderezamiento que no interfiera con 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 rendimiento.
Se decidió perforar varios agujeros en la oblea pensando en las distintas posibilidades de fijación en futuras impresiones híbridas.
La oblea de construcción (y todos sus agujeros) es simétrica con respecto a su eje central. Para evitar errores de posicionamiento durante su sujeción en la impresora, se ha agregado una flecha que indica su posición con respecto al repintador, es decir, con respecto al mecanismo móvil que lleva el polvo metálico desde el cilindro de alimentación a la oblea de construcción.
Una vez finalizada la impresión, es necesario eliminar el polvo metálico que no se haya vertido. Solo después de quitar este polvo podemos quitar la oblea de construcción de la impresora. El polvo no fundido se tamiza y se reutiliza para futuras impresiones. Una vez eliminado todo el polvo metálico, la oblea de construcción se retira de la máquina.
Conclusión
El primer proyecto de impresión híbrida tuvo éxito. Podemos decir que el proyecto tuvo alrededor de un 70% de preparación y un 30% de ejecución, siendo la fase de estudio de fijación de las piezas a la placa de impresión la que nos dio más trabajo a definir.
Aunque el proceso de fusión por láser de polvos metálicos no es tan versátil como el proceso DED, podemos demostrar que es posible combinar con éxito el fresado CNC y la fusión por láser de polvos metálicos.
Sin embargo, es importante tener en cuenta que tenemos algunas limitaciones a tener en cuenta. Las campanas híbridas deben crecer desde un plano perfectamente horizontal y de tierra para garantizar que las campanas estén soldadas a su base. No sería posible realizar este experimento si el lecho de impresión fuera una superficie con un determinado perfil tridimensional.
También es vital asegurarse de que no haya partes sobre la cama de impresión para que no interfieran con el movimiento del repintador. En otras palabras, si queremos imprimir de forma híbrida una pieza con geometría más compleja, debemos pensar en cómo asegurar la conexión entre las piezas sin interferir con la dinámica de la impresora.
También se pudo demostrar que es posible obtener una impresión híbrida utilizando metales similares, pero con diferentes composiciones químicas.
