GMAW teknologian oinarritutako WAAM prozesuaren garapena eta karakterizazioa altzairuzko eta aluminio-aleaziozko piezen fabrikaziorako

Resumen

La fabricación aditiva es un concepto de producción que ha generado creciente interés en los últimos años. En este tipo de tecnología se parte de un diseño en tres dimensiones y se acaba materializando en un objeto físico mediante la adición de material capa a capa, en vez de sustraerlo de un bloque macizo. Dentro de la fabricación aditiva metálica, dependiendo de la naturaleza del material utilizado y del tipo de fuente de energía, hay diferentes clases de tecnologías, cada una con sus restricciones en cuanto a materiales, calidad, productividad y eficiencia.Entre las tecnologías de fabricación aditiva metálica, esta tesis se centra en la tecnología conocida como WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing), que se clasifica dentro de la categoría de deposición de energía dirigida (DED, Directed Energy Deposition). La tecnología WAAM utiliza un arco eléctrico para fundir el material introducido en el proceso en forma de hilo metálico y lo aporta con la geometría deseada. En concreto, de las diferentes tecnologías WAAM que se pueden encontrar en el mercado, en esta tesis se estudia, en profundidad, el proceso WAAM basado en GMAW (Gas Metal Arc Welding).Este último proceso genera especial interés gracias a que permite la fabricación de piezas grandes con cierta complejidad geométrica con un coste reducido en diversos materiales con altas tasas de aporte. Además, también puede reparar piezas desgastadas o añadir detalles a estructuras básicas, mejorando aún más sus capacidades. Por todo ello, en los últimos años, la tecnología WAAM ha ido generando cada vez más interés en la fabricación industrial y se prevé que será uno de los pilares fundamentales de la industria 4.0.La presente tesis doctoral se enmarca en el marco de los proyectos HARITIVE y HARI-PLUS llevados a cabo en colaboración con la empresa ADDILAN S.A [ADDILAN, 2021], quien recientemente ha puesto en el mercado su nueva máquina para la fabricación de piezas mediante la tecnología WAAM. El objetivo de estos proyectos ha sido profundizar en el conocimiento de los diferentes procesos WAAM, incorporando los beneficios de cada una de ellas para poder ofrecer al mercado una solución más avanzada.Los materiales centrales de esta tesis son el acero dulce ER70S-6 y el aluminio 5356. Estos dos materiales son ampliamente utilizados en diferentes industrias para fabricar piezas de gran tamaño sin requerimientos mecánicos especialmente altos con un coste reducido. Aun así, los resultados y las conclusiones obtenidas en esta tesis podrían ser extrapolables a otros materiales férricos u otras aleaciones de aluminio.La parte experimental de todo el análisis del proceso WAAM basado en GMAW se ha llevado a cabo en un sistema robótico desarrollado en esta tesis y equipado con sistemas de monitorización y control que son de vital importancia para poder ejecutar el proceso de manera adecuada y controlada. En este aspecto, se ha desarrollado e implementado un control de altura basado en señales internas de soldadura para actuar en el proceso de aporte.Además, se ha estudiado la influencia de los principales parámetros del proceso WAAM basado en GMAW y los diferentes modos de trabajo adecuados para aceros y aluminios, en concreto los modos GMAW pulsado, Cold Arc, Force Arc y AC pulsado.También, se ha llevado a cabo una comparación de dos estrategias de aporte, estrategia oscilatoria frente a la estrategia de solape, en aceros y se han diseñado modelos de anchura y altura de cordones únicos aportados en aluminio 5356. Además, en los dos materiales especificados, se han estudiado las propiedades mecánicas y la metalurgia obtenida mediante el proceso WAAM basado en GMAW.Por último, para la validación de los resultados, se han fabricado cuatro demostradores (dos en acero ER70S-6 y dos en aluminio 5356) mediante la tecnología WAAM basado en GMAW y el sistema robótico desarrollado. // La fabricación aditiva es un concepto de producción que ha generado creciente interés en los últimos años. En este tipo de tecnología se parte de un diseño en tres dimensiones y se acaba materializando en un objeto físico mediante la adición de material capa a capa, en vez de sustraerlo de un bloque macizo. Dentro de la fabricación aditiva metálica, dependiendo de la naturaleza del material utilizado y del tipo de fuente de energía, hay diferentes clases de tecnologías, cada una con sus restricciones en cuanto a materiales, calidad, productividad y eficiencia.Entre las tecnologías de fabricación aditiva metálica, esta tesis se centra en la tecnología conocida como WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing), que se clasifica dentro de la categoría de deposición de energía dirigida (DED, Directed Energy Deposition). La tecnología WAAM utiliza un arco eléctrico para fundir el material introducido en el proceso en forma de hilo metálico y lo aporta con la geometría deseada. En concreto, de las diferentes tecnologías WAAM que se pueden encontrar en el mercado, en esta tesis se estudia, en profundidad, el proceso WAAM basado en GMAW (Gas Metal Arc Welding).Este último proceso genera especial interés gracias a que permite la fabricación de piezas grandes con cierta complejidad geométrica con un coste reducido en diversos materiales con altas tasas de aporte. Además, también puede reparar piezas desgastadas o añadir detalles a estructuras básicas, mejorando aún más sus capacidades. Por todo ello, en los últimos años, la tecnología WAAM ha ido generando cada vez más interés en la fabricación industrial y se prevé que será uno de los pilares fundamentales de la industria 4.0.La presente tesis doctoral se enmarca en el marco de los proyectos HARITIVE y HARI-PLUS llevados a cabo en colaboración con la empresa ADDILAN S.A [ADDILAN, 2021], quien recientemente ha puesto en el mercado su nueva máquina para la fabricación de piezas mediante la tecnología WAAM. El objetivo de estos proyectos ha sido profundizar en el conocimiento de los diferentes procesos WAAM, incorporando los beneficios de cada una de ellas para poder ofrecer al mercado una solución más avanzada.Los materiales centrales de esta tesis son el acero dulce ER70S-6 y el aluminio 5356. Estos dos materiales son ampliamente utilizados en diferentes industrias para fabricar piezas de gran tamaño sin requerimientos mecánicos especialmente altos con un coste reducido. Aun así, los resultados y las conclusiones obtenidas en esta tesis podrían ser extrapolables a otros materiales férricos u otras aleaciones de aluminio.La parte experimental de todo el análisis del proceso WAAM basado en GMAW se ha llevado a cabo en un sistema robótico desarrollado en esta tesis y equipado con sistemas de monitorización y control que son de vital importancia para poder ejecutar el proceso de manera adecuada y controlada. En este aspecto, se ha desarrollado e implementado un control de altura basado en señales internas de soldadura para actuar en el proceso de aporte.Además, se ha estudiado la influencia de los principales parámetros del proceso WAAM basado en GMAW y los diferentes modos de trabajo adecuados para aceros y aluminios, en concreto los modos GMAW pulsado, Cold Arc, Force Arc y AC pulsado.También, se ha llevado a cabo una comparación de dos estrategias de aporte, estrategia oscilatoria frente a la estrategia de solape, en aceros y se han diseñado modelos de anchura y altura de cordones únicos aportados en aluminio 5356. Además, en los dos materiales especificados, se han estudiado las propiedades mecánicas y la metalurgia obtenida mediante el proceso WAAM basado en GMAW.Por último, para la validación de los resultados, se han fabricado cuatro demostradores (dos en acero ER70S-6 y dos en aluminio 5356) mediante la tecnología WAAM basado en GMAW y el sistema robótico desarrollado.