Diseño para manufactura aditiva en metal - una guía para principiantes

La manufactura aditiva nos da una gran libertad para crear piezas con características de forma libre e intrincada directamente desde CAD y sin la necesidad de herramental costoso. Estos diseños complejos resultarían poco prácticos o si no imposibles de producir por métodos convencionales. Los componentes hechos por manufactura aditiva son a menudo más ligeros, eficientes y mejor adaptados a su aplicación.

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Esta flexibilidad, sin embargo no nos da libertad total  para diseñar cualquier forma que podamos pensar. Al menos si queremos fabricarlo a un costo razonable.

 

Como cualquier proceso de fabricación las tecnologías de manufactura aditiva tienen sus capacidades y sus limitaciones. Por ejemplo, las piezas creadas por fusión láser en polvo metálico pueden ser diseñadas con algunas características geométricas como salientes - que en este caso, como estamos construyendo sobre una cama de polvo metálico - pueden requerir soportes para permitirles fabricarse con éxito. Estos soportes aumentan el tiempo de proceso, consumen materiales adicionales y requieren post proceso adicional para eliminación de material extra.
 

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Imagen Superior - Las piezas que no han sido diseñadas para manufactura aditiva pueden requerir muchos soportes lo que las hace ineficientes al fabricar.

 

Por lo tanto, diseñar para manufactura aditiva (DfAM) es criticó, si queremos producir piezas que combinen un rendimiento y costo práctico. La relación íntima entre la optimización funcional y el diseño para el proceso en el artículo, nos hace pensar que si la optimización topológica es realmente la óptima?

 

Este artículo considera los factores clave que impulsan el éxito y la productividad de la manufactura aditiva y explica algunas de las directrices críticas que deben seguir los diseñadores para crear componentes de producción eficientes.

 

Factor # 1 – Esfuerzos residuales

 

El estrés residual es un resultado natural del rápido calentamiento y enfriamiento que es inherente al proceso de fusión láser en la cama de polvo metálico. Conforme cada nueva capa se crea moviendo el laser apuntando a la cama de polvo, derritiendo la capa superior y fusionándola con la capa más abajo. El calor fluye del chorro de soldadura caliente hacia abajo en el metal sólido, y por lo tanto el metal fundido se enfría y se solidifica. Todo esto sucede muy rápidamente, en cuestión de micro-segundos.

 

A medida que la nueva capa de metal se solidifica y se enfría, en la parte superior de la capa inferior se contrae. El nuevo metal está restringido por la estructura sólida de debajo y por lo tanto su contracción establece esfuerzos de corte entre las capas.

 

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Imagen de arriba – la fusión por láser de una nueva capa de soldadura sobre un sustrato sólido (izquierda). A medida que el láser se mueve a lo largo del vector de escaneo, éste funde el polvo, que luego se enfría principalmente a través de la conducción de calor hacia el metal sólido por debajo. Una vez que se solidifica, el metal enfriado se contrae (derecha), estableciendo esfuerzos de corte entre este y la capa inferior.

 

Los esfuerzos residuales pueden ser destructivos. A medida que añadimos capas una encima de otra, las tensiones se concentran y pueden dar lugar a una distorsión de la pieza, lo que conduce a apelotonarse en los bordes y alejarse de sus soportes:

 

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En casos más extremos, el esfuerzo puede exceder las propiedades de la pieza, lo que provoca el agrietamiento catastrófico del componente o la distorsión de la placa de construcción:

 

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Estos efectos son más notorios en piezas con grandes secciones transversales, ya que tienden a tener pistas de soldadura más largas y hay más distancia sobre la que pueden actuar los esfuerzos de corte.

 

Minimizando el esfuerzo residual

 

Una forma de abordar esto es variando la estrategia de escaneado, eligiendo un método que se adapte major a recorrer la geometría de la pieza. Cuando se ataca el centro de nuestra pieza en una actividad conocida como "ashurado” típicamente movemos el láser hacia adelante y hacia atrás. El patrón que elegimos afecta la longitud de los vectores de exploración y por tanto, el nivel de estrés es probable que se acumule en el component a fabricar. Las estrategias con vectores de exploración más cortos generarán menos tensión residual:

 

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Imagen de arriba - Estrategias de escaneo para diferentes tipos de piezas. Las dos estrategias más comunes son "meander" para las partes de paredes delgadas (también conocido como rastering), y "rayas" para las partes con secciones más gruesas. Las estrategias de "tablero de ajedrez" o "isla" también pueden ser efectivas. El escaneado de rayas y tablero de ajedrez mantiene las longitudes de las líneas de exploración individuales más cortas, reduciendo la acumulación de tensión residual.

 

También podemos rotar la orientación de nuestros vectores de exploración de una capa a la siguiente de modo que las tensiones no estén todas alineadas en el mismo plano. Una rotación de 67 grados se utiliza típicamente entre cada capa para asegurar que es muchas capas antes de que la dirección de exploración se repita exactamente.

 

El calentamiento de la placa de construcción es otra técnica utilizada para reducir los esfuerzos residuales, así como también los tratamientos térmicos posteriores al proceso también pueden aliviar las tensiones que se han acumulado.

 

Consejos de diseño de esfuerzos residuales

Diseñe sin esfuerzo residual donde sea posible:

 

  • Evite grandes áreas de fusión continua
  • Tenga cuidado con los cambios en las secciones transversales
  • Las construcciones híbridas necesitan una placa base gruesa en la pieza impresa en 3D.
  • Use placas de construcción más gruesas donde haya concentración de esfuerzos
  • Seleccione una estrategia de escaneo adecuada

 

Factor # 2 - orientación

 

Con cualquier proceso aditivo, la dirección de construcción siempre se define por el eje Z - es decir, verticalmente desde la placa de construcción. Tenga en cuenta que la orientación de construcción no siempre es la orientación de su uso general. Debe elegirse para producir la construcción más estable con un mínimo o ningún material de soporte.

 

Los salientes geometricas y el proceso de fusión

 

En los procesos de cama de polvo metálico o sinterizado , donde las formas se construyen capa por capa, la forma en que estas capas se relacionan entre sí es importante. A medida que cada capa se funde, se apoya en la capa de abajo para proporcionar tanto soporte físico como un camino para alejar el calor.

 

Cuando el láser está fusionando el polvo en un área donde la capa inferior ya sea metal sólido, entonces el calor fluye desde la capa de soldadura hacia abajo en la estructura inferior, fundiéndola parcialmente y creando una unión fuerte gracias a la soldadura. La soldadura también se solidificará rápidamente una vez que la fuente de láser se retire alejando el calor.

 

Cuando las piezas tengan salientes hacia la parte de abajo sucederá que en esta zona debajo de la soldadura existirá polvo sin fundir. Este polvo es mucho menos conductor de la temperatura que el metal sólido, por lo tanto el calor de la fusión se retiene durante más tiempo, dando lugar a una mayor sinterización del polvo circundante. El resultado puede ser un material adicional unido a la superficie inferior de la región sobresaliente, lo que significa que los salientes pueden presentar tanto superficies deformadas como un acabado rugoso.

 

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La imagen de arriba muestra la fusión por encima del metal sólido que permite un enfriamiento rápido (izquierda). Cuando la fusión se produce en una región sobresaliente por encima del polvo no fundido, el enfriamiento tarda mucho más tiempo y el material adicional no deseado puede unirse a la superficie inferior del componente.

 

Opciones de orientación

 
Hablando en términos generales, los salientes de menos de 45 grados a la placa de construcción requieren apoyo.

 

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Las superficies sobresalientes son conocidas como "down-skins". Generalmente mostraran un acabado superficial más áspero que las paredes verticales y las superficies orientadas de arriba. Este efecto es impulsado por la sinterización parcial del polvo por debajo del saliente, que resulta del enfriamiento más lento del chorro de soldadura.

 

Las piezas se pueden construir a menudo en varias orientaciones. Nuestra elección de la orientación idealmente debe apoyarse para minimizar los costos de construcción y post-procesamiento.

 

La consideración de la orientación de la construcción en la etapa de diseño es uno de los principios fundamentales de DfAM

 

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Imagen superior: a menudo, un componente puede ser fabricado en diferentes orientaciones cuya elección tiene un impacto importante en la cantidad de material de soporte desperdiciado y post-procesamiento que será requerido. Ver desde la izquierda:

 

  • Los sobresalientes más grandes que requieren material extra de soporte (se muestra en azul)
  • Diseños modificados con material cónico adicional para reducir los soportes, aumenta la masa y posiblemente requiere post-proceso CNC / o por erosión de alambre.
  • En ángulo a 45 grados - en su mayoría se pueden soportar así mismas, excepto por una de ellas (ver más abajo para más detalles). Las caras en estos casos mostraran rugosidad superficial.
  • Colocar de forma inversa requiere soportes cortos debajo de la cara inferior – el tiempo de construcción es más corto, pero se necesitará acabado post-proceso de la cara soportada
  • Un acoplamiento sólido a la placa dejando un stock para la eliminación de EDM - el estrés residual podría ser una detalle que se presente aquí.
  • Un enfoque similar, pero con regiones de unión más pequeñas para reducir la concentración de esfuerzos - es probable que sea el diseño más eficiente desde el punto de vista de la fabricación
  • Una última alternativa (no mostrada) es colocar la pieza plana sobre la placa. Esto reduce la altura de construcción, pero también limita el número de piezas que se pueden anidar en la placa de construcción y será propenso a una mayor tensión residual.

 

Es una buena idea evaluar un rango de orientaciones de construcción, utilizando el software de preparación para construcción desde el principio del proceso de diseño de componentes para establecer cuál es la más prometedora. Una vez que se ha toma esta decisión, el diseño puede proceder sobre esta base.

 

Mínimos locales

 

Los mínimos locales son las áreas de la pieza que no están conectadas a la capa de abajo. Estos requieren soporte para anclarlos durante la construcción. Si comenzamos a construir sin una estructura de soporte, entonces la primera capa construida es probable que sea desplazada por el limpiador cuando se da la siguiente capa, lo que conduce a una construcción fallida.

 

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Los mínimos locales pueden ser obvios, como el ejemplo mostrado arriba. También pueden aparecer en la parte superior de los orificios laterales y en ángulo donde intersectan el borde de la pieza (se muestra a continuación).

 

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Nuestra meta debe ser diseñar mínimos locales donde sea posible para minimizar los soportes.

 

Orientación de las funciones

 

Como ya hemos comentado, las capas inferiores tienden a tener un acabado superficial inferior. Si queremos producir características de detalle con la mejor precisión, entonces es mejor orientarlas en la superficie superior de la pieza, también conocida como la parte superior de la piel. Las características de detalle que se insertan en las caras hacia abajo probablemente sufran una pérdida de definición.

 

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Otra consideración es la orientación del componente con respecto al limpiador de dosificación. A medida que se aplica una nueva capa de polvo y el aplicador la empuja a través de la cama, el polvo se comprime progresivamente bajo el aplicador para crear la nueva capa densamente empaquetada. Esto crea una onda de presión en el lecho de polvo cuando el material se presiona hacia abajo. Esto puede interactuar con las superficies de los componentes que están inclinadas hacia el aplicador, forzando el polvo hacia abajo y empujando el borde delantero del componente hacia arriba. Esto puede hacer que la pieza se atrape en el aplicador, lo que puede conducir a una construcción fallida. Tenga en cuenta que un aplicador flexible reduce este efecto.

 

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Imagen arriba - interacción entre el aplicador dosificador y el borde inclinado de una pieza o componente en construcción.


 
Por lo tanto, los soportes y bordes inclinados deben orientarse contrarios a la dirección del aplicador cuando sea posible. Girando la pieza, la onda de presión golpea ahora la pieza en un ángulo oblicuo, reduciendo la probabilidad de distorsión.

 

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Si la alineación rotativa no puede cambiarse, o si la pieza es simétrica rotacionalmente, pueden necesitarse soportes, posiblemente seguidos por post-proceso cnc en la cara afectada.

 

Consejos de diseño de orientación

  • La orientación de la construcción de una pieza diseñada para manufactura aditiva debe ser obvia
  • Los diseñadores deben aspirar a crear diseños que se auto soporten
  • Construir exitosamente es la consideración primaria
  • El esfuerzo residual y el acabado superficial también son factores clave afectados por la orientación
  • La orientación afecta el tiempo y los costos de construcción
  • Las geometrías complejas pueden no ser fáciles de orientar ; a menudo existe un equilibrio entre la calidad de la superficie, los detalles, el tiempo / costo de construcción y las estructuras de soporte
  • Los diseñadores deben evaluar factores competitivos para definir la orientación

 

Factor # 3 – Soportes

 

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Como ya hemos comentado. Es una mala práctica de ingeniería contar con soportes para superar una cuestión de orientación. Si bien podemos ser capaces de tolerar el tiempo de construcción adicional y post-procesamiento si estamos haciendo un prototipo, tales residuos son inaceptable para la producción de partes en la manufactura aditiva. La dependencia excesiva de los soportes es un indicador de una geometría de pieza "marginal" con implicaciones potenciales en el rendimiento de manufactura.

 

Propósitos del soporte

 

Aunque debemos minimizar los soportes mediante el diseño, puede que no siempre sea posible eliminarlos por completo. Los soportes tienen tres funciones principales:

 

Los materiales aislados se utilizan para "anclar" material que no está conectado a las capas anteriores (es decir, el saliente que es inferior a 45 ° con respecto a la placa de construcción, o la parte que es un mínimo local). Se prefiere la integración de las estructuras de soporte en el diseño del componente.

Esfuerzo residual - debemos diseñar para mitigar el estrés residual en la construcción, evitando bordes afilados y grandes áreas de material construido directamente sobre la placa de construcción. Cuando esto no se puede conseguir, pueden aplicarse soportes para oponerse a las esfuerzo en la pieza para impedir que el material se despegue de la placa de construcción. Esto no se recomienda para las piezas de producción.

El polvo sin fundir es un aislante – una pila de calor.  Soporta la transferencia de calor de las zonas de caras bajas para evitar el quemado, sobre-fundido, distorsión, decoloración, especialmente en las caras de abajo que se enfrentan a la dirección del aplicador. Minimice estos efectos girando la parte relativa al aplicador.


 
Soportes primarios y secundarios

 

Los soportes primarios son aquellos que se desarrollan en el entorno CAD junto con el componente y se diseñan como estructuras de sacrificio que se removerán una vez finalizada la construcción. Los soportes secundarios son los que se generan en el software de preparación para construcción.

 

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La imagen superior muestra, soportes primarios desarrollados en CAD (izquierda) y secundarios, desarrollados en el software de preparación para construcción (derecha).

 

Los soportes primarios sólidos nos dan un mayor control. Pueden ser importados en el software de preparación para construcción (como STL) o diseñados con el cuerpo principal de la pieza. Pueden ser derivados paramétricamente con control de revisión completo. También se pueden realizar análisis de esfuerzos de elementos finitos. Además podemos diseñar y simular soportes primarios que conducen lejos el calor de una manera controlada.

 

Los soportes secundarios creados dentro del software de preparación para construcción también se pueden administrar a través de parámetros, pero carecen de trazabilidad y repetitividad. Pueden ser recreados si se cambia el diseño de la pieza.

 

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Imagen anterior - tipos de soporte secundario, generados en el software de preparación para construcción. Las ayudas deben seleccionarse para minimizar el tiempo de construcción y los costos posteriores al procesamiento.

 

El diseño de soporte híbrido aprovecha tanto el diseño de CAD como el software de preparación para construcción para lograr una solución óptima.

 

Filetes y chaflanes

 

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Si bien un saliente horizontal de 0.3 - 1 mm puede auto soportarse, esto no se recomienda. Mientras tanto, voladizos de más de 1 mm sin duda tendrán que rediseñarse o apoyarse. Pueden añadirse filetes y chaflanes a los componentes para eliminar salientes (mostrados a la derecha).

 

Retos en la remoción de soportes

 

Los soportes dentro de los taladros y los tubos pueden ser difíciles de quitar y pueden requerir un mecanizado posterior. Del mismo modo, los soportes que son demasiado pequeños pueden causar dificultades. Si la geometría de la pieza es más débil que el soporte, existe un alto riesgo de daño de la pieza durante el post-procesado.

 

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En la imagen anterior -Los soportes pueden ser difíciles de quitar sin dañar la pieza.

 

Ejemplo de orientación para minimizar los soportes

 

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Detalles horizontales - soporte o re-diseño

 
Los orificios laterales que emergen en las caras laterales de las piezas también pueden requerir soportes. El tamaño mínimo del orificio que es razonable construir en la mayoría de las máquinas de láser en polvo es de 0.4 mm.

 

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Los agujeros y tubos de más de 10 mm de diámetro requerirán soportes en su centro y deberán ser considerados para re-diseño. Los taladros entre estos tamaños se pueden realizar sin soportes, pero es probable que sufran alguna distorsión en sus superficies de la cara hacia abajo debido al enfriamiento lento del chorro de soldadura por encima de la saliente.

 

Dado que es poco probable que los agujeros horizontales sean perfectamente redondos, a menudo tiene sentido cambiar su forma para que sean auto soportable. En algunos casos, una forma de lágrima o de diamante puede ser aceptable para la forma final. Ambos perfiles se pueden utilizar para canales de fluido y ofrecer un rendimiento hidráulico similar, aunque una forma de diamante proporciona una resistencia significativamente mejor a la presión de esfuerzo.

 

En otros casos, donde un agujero redondo de precisión es esencial, se necesitará el maquinado posterior al proceso. La forma de diamante proporciona un agujero piloto simétrico para taladrado y son mejores que los de forma de lágrima en este respecto. En muchos casos, el relleno en el agujero y el mecanizado de sólidos puede hacer más sentido.

 

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Imagen de arriba - opciones para taladros laterales: construidos a medida y para aceptar alguna distorsión, hechos de formas de lágrima o de diamante auto soportables con alguna tolerancia de stock para el mecanizado o maquinar en un futuro la pieza desde sólido.

 

Consejos de diseño de soportes

  • Remodelar los orificios de más de 10 mm en forma de diamante auto soportables
  • Utilice el radio de chaflán para evitar soportes altos
  • Remueva las áreas que sobresalen menos de 45 ° para construir la placa
  • Rotar las caras en zonas bajas lejos de la dirección del aplicador
  • Maquinar piezas pequeñas después de la construcción
  • Construir directamente en la placa de construcción con material adicional para maquinado
  • Eliminar las zonas horizontales en caras bajas

 

Factor # 4 - Optimización

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La optimización topológica y el diseño generativo se utilizan cada vez más para diseñar partes eficientes. Le estructura reticular también pueden traer beneficios para ahorrar peso. La capacidad en la manufactura aditiva para fabricar formas complejas lo convierte en la forma ideal de realizar tales diseños.

 

El objetivo principal de estas técnicas de optimización es retener la resistencia estructural y la rigidez mientras se elimina material innecesario. A menudo, las partes optimizadas adoptan un aspecto más complejo y orgánico. Es importante notar que una parte funcionalmente optimizada puede no ser adecuada para manufactura aditiva - especialmente en términos de orientación de la construcción.

 

Por ejemplo, es obvio que la construcción de esta parte en la orientación horizontal daría lugar a una gran cantidad de apoyos que se requieren en las regiones sobresalientes resaltado en rojo.
Reorientar la parte verticalmente conduce a menos áreas que necesitan apoyo. Los detalles como los taladros circulares, requerirán apoyo o rediseño. También hay que tener cuidado en los ángulos de los puntales optimizados y los radios del filete donde se encuentran.

 

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La re evaluación de la pieza en la fase de diseño hoy toma en cuenta la orientación de la construcción, de modo que está claro que sólo hay una orientación para esta parte. Los detalles tales como orificios laterales ahora se vuelven a diseñar para el mecanizado posterior:

 

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Sugerencias en la optimización del diseño

 

  • Apegarse a las pautas en espesores de pared delgada
  • Identificar superficies críticas para el maquinado
  • Considere la posibilidad de posicionamiento y retiro o re-diseño para eliminar la necesidad de soportes
  • Diseñar una orientación y modificar los detalles en consecuencia
  • Establecer si se puede lograr el acabado superficial requerido

 

Los diseñadores pueden necesitar combinar varias técnicas - optimización topológica, piezas huecas, rejillas (donde sea aplicable) - para lograr un diseño eficiente. La orientación debe ser el conductor clave después del ajuste, forma y función.

 

Resumen

 

Diseño para manufactura aditiva en metal - una guía para principiantes

 
La manufactura aditiva ofrece una gran libertad de diseño para fabricar piezas eficientes y de alto rendimiento. Pero acomodar las características del proceso este proceso es esencial para la construcción de piezas de producción con un costo y desperdicio mínimos.

 

La integración del pensamiento de DfAM  (diseño enfocado a la manufactura aditiva) en el proceso de diseño de product maximiza el éxito de la construcción y mejora la economía del proceso de manufactura aditiva. Por necesidad, los diseñadores tendrán que ser más inteligentes y conocedores del proceso en la práctica si quieren ser competitivos.

 

Fuente: Renishaw

 

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