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La fabricación aditiva y la impresión 3D de metales son palabras de moda en la actualidad. Si bien la terminología y gran parte de la tecnología son nuevas, la industria ha estado imprimiendo piezas grandes de metal en 3D mediante la acumulación de metal de soldadura durante años, y estos componentes han estado en servicio durante décadas en campos petroleros, sistemas de tuberías y centrales eléctricas.

Las interrupciones de la cadena de suministro global son graves y frecuentes, lo que lleva a plazos de entrega de materiales extremadamente largos y tiempos de inactividad prolongados en las instalaciones. En el informe Securing Defense-Critical Supply Chains (Asegurando las Cadenas de Suministro Críticas para la Defensa) publicado en febrero de 2022 (Ref. 1), el Departamento de Defensa destacó las piezas fundidas y forjadas como una de las cuatro áreas más vulnerables que necesitan una cadena de suministro nacional. Esto es especialmente importante para piezas o ensamblajes hechos de aceros, aleaciones de níquel, aceros inoxidables o aceros al cromo-molibdeno. Hay una cantidad cada vez menor de soldadores talentosos, por lo que es importante producir ensamblajes o mover juntas de soldadura de campo a áreas menos críticas. La fabricación aditiva con metal de soldadura cubre todos esos campos.

La tecnología

Varias tecnologías de soldadura bien establecidas han estado madurando durante décadas y se han integrado con avances más recientes en software, sensores y ciencia de datos para desarrollar sistemas de aditivos de metal de soldadura listos para la producción. Las piezas centrales de los sistemas de fabricación aditiva de metal de soldadura de hoy en día utilizan avances en las fuentes de energía para controlar la entrada de energía en la materia prima (control de entrada de calor), procedimientos específicos de localización para la gestión térmica y el cumplimiento de la geometría (gestión de la distorsión), monitoreo y recolección continuos de métricas de calidad (supervisión del estado de la soldadura mediante herramientas de datos), planificación de ruta robótica (secuenciación de soldadura), materia prima con pedigrí precisa (controles de calidad del alambre de soldadura) y huellas dactilares digitales de la calidad de la pieza aditiva (especificación del procedimiento de soldadura, o WPS, gestión). Como puede ver, cada una de estas tecnologías tiene un gemelo de soldadura. Además, ha habido avances específicos en el diseño asistido por computadora (CAD) para el software de ruta, y esta tecnología ha permitido que los procesos de soldadura tradicionales se adapten para construir piezas metálicas en 3D a gran escala.

El proceso

Los modelos CAD sólidos tridimensionales son comunes para componentes y ensamblajes. Cuando no están disponibles, las piezas o los ensamblajes se pueden escanear en tiempo real para crear modelos 3D. Una vez que un modelo CAD está disponible, se introduce en un paquete de software que lo divide en capas (rebanadas) y crea un plan de movimiento para depositar capas de metal de soldadura. Los robots y los manipuladores de piezas se involucran en un baile altamente coreografiado para permitir que el metal de soldadura se deposite idealmente en la posición plana (Fig. 1) utilizando procedimientos de soldadura calificados. Los sensores y los circuitos de retroalimentación monitorean y controlan la entrada de calor, la temperatura de interpaso y otras variables críticas. El alambre de soldadura se fabrica para proporcionar una ubicación exacta fuera de la boquilla de soldadura y se alimenta desde contenedores grandes para minimizar las paradas y mejorar aún más la consistencia de la colocación del alambre. Las formas de onda de soldadura se ajustan para la aleación y la aplicación para proporcionar la humectación y el apilamiento adecuados de los cordones de soldadura. En el futuro, puede haber múltiples robots depositando múltiples materiales para construir una pieza. La instalación de demostración de fabricación del Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL), Knoxville, Tenn., está investigando esto con su sistema de soldadura aditiva multirobot MedUSA desarrollado en conjunto con The Lincoln Electric Co., Cleveland, Ohio.

Los ingenieros están desarrollando diseños creativos para aditivos de metal de soldadura que no resultaban prácticos utilizando fundiciones, forjados o fabricaciones convencionales, y se pueden hacer prototipos muy rápidamente a partir del metal de soldadura. Finalmente, el aditivo de metal de soldadura también se usa para minimizar el tiempo de inactividad de la fábrica mediante la construcción rápida de piezas o ensamblajes de repuesto.

Colaboraciones y desafíos

A pesar de las muchas décadas de experiencia y conocimientos de los expertos en soldadura, existen desafíos importantes cuando se trata de sistemas de aditivos de metal de soldadura. En primer lugar, cuando se incorpora una nueva clase de material para su adopción en aplicaciones de códigos, se necesitan criterios de calificación sólidos pero prácticos para la aprobación de piezas construidas con estos sistemas. Un ejemplo aprobado recientemente es la calificación del procedimiento de soldadura del Caso 3020 del Código de Calderas y Recipientes a Presión de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos (ASME). El caso 3020 es similar a los enfoques de calificación entre paréntesis que se utilizan en aplicaciones militares o sísmicas que requieren la calificación de tasas de enfriamiento altas y bajas y secciones delgadas y gruesas. Además, se pueden utilizar estándares como AWS D20.1, Especificación para la Fabricación de Componentes Metálicos mediante Fabricación Aditiva, o el Estándar 20S del Instituto Americano del Petróleo, Componentes Metálicos Fabricados Aditivamente para uso en las Industrias del Petróleo y el Gas Natural. Todos estos estándares requerían el consenso de una multitud de expertos en materiales y procesos de soldadura.

Desde el punto de vista de la tecnología, sigue habiendo desafíos para comprender la tensión residual y su impacto en los atributos de rendimiento críticos que limitan la vida útil, como la fatiga, la distorsión y las propiedades del material, para una gran cantidad de aleaciones depositadas con y sin tratamiento térmico posterior a la soldadura. Las colaboraciones de la industria, la academia, el regulador, el diseñador, el propietario y el fabricante son clave para abordar estas necesidades y trasladar este método de fabricación rápidamente a aplicaciones adicionales. Por ejemplo, el Instituto de Investigación de Energía Eléctrica (EPRI), Palo Alto, California, está colaborando con otras empresas en pruebas físicas y metalúrgicas exhaustivas de cuerpos de válvulas de acero inoxidable grandes para uso potencial en aplicaciones nucleares. El trabajo realizado en el Centro de Innovación de Unión de Materiales y Fabricación (Ma2JIC) Centro de Investigación Cooperativa Universitaria e Industrial (IUCRC) (ma2jic.osu.edu), Columbus, Ohio, reúne a una multitud de universidades, industrias e instituciones de investigación y está impulsando la envolvente sobre la comprensión del efecto de los nuevos materiales y procesos en la soldabilidad y el rendimiento de las piezas metálicas aditivas.

Además de sus operaciones de producción aditiva, Lincoln Electric apoya las iniciativas anteriores y otras con ASME, ORNL, Det Norske Veritas (DNV) y EPRI a través de su gran fábrica de impresión 3D de alambre metálico. La instalación alberga celdas de impresión de metal 3D de 18 hilos que funcionan las 24 horas del día, los 7 días de la semana. Tener una multitud de sistemas bajo un mismo techo es importante para comprender y documentar la solidez de estos procesos día a día, de sistema a sistema y de pieza a pieza. Esto permite el uso de herramientas avanzadas de monitoreo del estado de la soldadura y el desarrollo de herramientas de aprendizaje automático y ciencia de datos para facilitar la adopción de tecnología y la calificación de piezas.

Estudio de casos

Los siguientes estudios de casos de grandes piezas impresas en metal en 3D mostrarán el poder de esta tecnología.

• Sustitución de componentes metálicos desgastados o rotos que no tengan documentación. La figura 2 muestra una caja de rodamientos de hierro fundido agrietada utilizada en equipos que se construyeron antes de la Segunda Guerra Mundial. La carcasa de 283 kg (625 lb) se realizó ingeniería inversa e imprimió en dos semanas.
• Rendimiento mejorado a través del diseño para la fabricación aditiva y tiempos de entrega reducidos. La Figura 3 muestra una hoja mezcladora de acero de 499 kg (1100 lb) impresa en dos semanas que incorpora grandes canales de enfriamiento conformados (en comparación con la hoja tradicionalmente fundida y perforada con pistola con un tiempo de entrega de varios meses).

Conclusión

La impresión 3D en metal a gran escala ha demostrado ser una solución robusta que es especialmente importante si se tienen en cuenta los retrasos actuales en la cadena de suministro para grandes piezas fundidas, forjas y ensamblajes. Los componentes y ensamblajes se están produciendo y poniendo en producción hoy utilizando esta tecnología. Los sistemas de impresión de metal en 3D de soldadura por arco metálico con gas, arco sumergido, haz de electrones y láser están en producción o en desarrollo en varias instalaciones en América del Norte. La capacidad de acortar la cadena de suministro y construir bajo demanda con material que proporciona un rendimiento equivalente o mejor que otros métodos y la capacidad de aprovechar décadas de experiencia en la materia en soldadura y unión hace que este sea un proceso atractivo. Sin embargo, todavía queda trabajo por hacer para permitir una aceptación más fuerte. Varias instituciones de investigación, grupos académicos, laboratorios nacionales y centros de competencia en soldadura están involucrados en el desarrollo de los códigos y protocolos necesarios para permitir que este emocionante proceso antiguo transforme la cadena de suministro de piezas fundidas, forjadas, herramentales y más.  

Referencia

1. 1. Departamento de Defensa de Estados Unidos. 2022. El Departamento de Defensa publica un informe sobre el fortalecimiento de las cadenas de suministro críticas para la defensa. Recuperado el 25 de julio de 2022 de defense.gov/News/Releases/Release/Article/2944488/defense-department-releases-report-on-
strengthening-defense-critical-supply-cha.

BADRI K. NARAYANAN (badri_narayanan@lincolnelectric.com) es vicepresidente de consumibles globales y TERESA MELFI (teresa_melfi@lincolnelectric.com) es miembro técnico de The Lincoln Electric Co., Cleveland, Ohio.