Parece que toda la industria de pruebas de materiales está hablando de fabricación aditiva, pero ¿qué significa esto para las pruebas de materiales? Acompañe a los expertos de MTS Mike Shepard, PhD, y Mark Menzuber, MBA, mientras analizan los fundamentos de la fabricación aditiva, lo que la diferencia de la impresión 3D y cómo afectará al futuro de las pruebas de materiales.
¿Qué es la fabricación aditiva (AM) y cuáles son sus ventajas?
Shepard: Bueno, no puedo ser justo con la tecnología con una respuesta corta, pero la fabricación aditiva está impulsando una revolución en el diseño y la fabricación. La tecnología nos permite crear piezas directamente a partir de un dibujo sólido, utilizando una amplia y creciente gama de métodos de fabricación aditiva. En los mejores casos, las propiedades pueden compararse favorablemente con los procesos de fabricación convencionales. Las distintas técnicas son aplicables a los metales, los polímeros e incluso a los materiales compuestos y cerámicas. En términos generales, la pieza se construye directamente, capa por capa. Las piezas que tienen tolerancias estrictas o que soportan carga pueden necesitar algunos pasos de procesamiento para el acabado o tratamiento térmico, pero en algunos casos las piezas se pueden utilizar directamente del sistema de fabricación aditiva.
Las ventajas de esta tecnología son numerosas. Primero, se obtiene una libertad increíble para diseñar formas y estructuras. Los diseñadores pueden optimizar el peso, la transferencia de calor, el espacio y otras propiedades. En segundo lugar, en términos de uso del material, puede ser muy eficiente: no se está convirtiendo un gran bloque de metal en fragmentos para crear una pieza pequeña y complicada. Esta es la razón por la que la fabricación aditiva se describe como una excelente "relación compra-venta". Es decir, la mayor parte del material que compra realmente entra en el componente, en lugar de convertirse en fragmentos o chatarra. La cadena de suministro también se puede acortar drásticamente. Las múltiples etapas de fabricación y los proveedores se pueden reducir potencialmente a un único, aunque complejo, proceso de fabricación en un solo lugar. Las ventajas logísticas en términos de tiempos de entrega más cortos y cadenas logísticas consolidadas son obvias.
¿Qué tendencias de la industria están impulsando la necesidad de FA y qué industrias son líderes en el uso de FA?
Menzuber: La mayoría de las empresas que se comprometen con los aditivos se sienten realmente atraídas por la capacidad de reducir el peso y agregar rendimiento de varias maneras. Además, hay mucho interés en la posibilidad de simplificar su cadena de suministro y reducir los tiempos de entrega mediante el uso de la fabricación aditiva en el sitio en lugar de múltiples pasos de producción, posiblemente en otras ubicaciones. Por último, la fabricación aditiva ofrece nuevas eficiencias para series de producción pequeñas y medianas, lo que puede facilitar una personalización más económica y acortar los plazos de desarrollo de los productos.
Las tecnologías de fabricación aditiva, a medida que maduran, tienen el potencial de ser bastante disruptivas. Todos están considerando la fabricación aditiva, pero veo que el mayor interés y la mayor inversión se dan en las aplicaciones aeroespaciales y biomédicas. Estas industrias tienen aplicaciones de muy alto valor agregado, con volúmenes bajos a moderados. Las aplicaciones en estas industrias suelen estar muy optimizadas y probadas de forma exhaustiva, por lo que los procesos de fabricación emergentes, como la fabricación aditiva, pueden integrarse ya que su propuesta de valor es clara. Las aplicaciones automotrices también están ganando terreno, pero hay un mayor nivel de sensibilidad a los costos en esa industria.
¿Cuál es la diferencia entre la impresión 3D y la FA?
Shepard: Estos términos se siguen utilizando indistintamente, sobre todo en los medios de comunicación y en el mercado de consumo. En mi opinión, las piezas de fabricación aditiva suelen utilizarse en aplicaciones de uso final. Como la pieza se utilizará en un producto, la FA requiere un proceso resistente, adecuado para un entorno de producción, que pueda completarse con una eficiencia razonable.
En una aplicación de prototipado rápido, las piezas generalmente no verían ningún tipo de servicio considerable. Es posible que la resistencia no sea demasiado alta y que las propiedades no sean uniformes. Sería conveniente tener cuidado con el uso de estas piezas para cualquier aplicación práctica, especialmente cuando se trate de alguna carga. El proceso de impresión en sí puede ser bastante lento. Dicho esto, un prototipo físico disponible con rapidez puede ayudar mucho a los ingenieros de diseño a entender cómo va a funcionar una pieza e interactuar con otras. Estos prototipos impresos también son muy útiles para demostrar el ajuste y la función a colaboradores y clientes. Considero que estos prototipos impresos en 3D son el siguiente paso de las visualizaciones que se pueden crear con el software CAD en 3D.
¿Utiliza MTS la Fabricación Aditiva?
Shepard: Claro. Resulta que MTS tiene una larga trayectoria en la fabricación aditiva, que comenzó a mediados de los años 90. Nos adelantamos un poco al mercado, pero trabajando con varios socios pudimos perfeccionar nuestro proceso de fabricación aditiva por láser (LAM) hasta el punto de poder producir con éxito piezas de Ti-6Al-4V de calidad aeroespacial. Es posible que algunas de esas piezas todavía estén volando en los F-15. Esa experiencia nos ha dado una gran visión de lo que supone calificar un proceso de fabricación aditiva y las piezas que de él se derivan, especialmente los aspectos de las pruebas mecánicas.
Desde hace poco, estamos entusiasmados con las posibilidades de diseño y la eficiencia de los aditivos por las mismas razones que nuestros clientes están interesados en esta tecnología. Tenemos un sistema interno de fabricación aditiva que utilizamos para crear rápidamente prototipos y algunas piezas de producción. Cuando diseñamos sistemas personalizados, utilizamos la creación rápida de prototipos como parte de nuestro proceso de I+D. El CAD en 3D es increíble y lo utilizamos mucho, pero no hay nada mejor que poder sostener las piezas y ver cómo encajan y funcionan. Nuestros clientes también lo valoran. Cuando estamos diseñando un nuevo sistema único para ellos, es realmente útil tener un modelo completo o a subescala que les permita ver el concepto mecánico de las operaciones de primera mano
También utilizamos la fabricación aditiva para algunas piezas de bajo volumen, alta complejidad y sin carga. Para estas piezas, la FA nos ofrece un costo competitivo y unos plazos de entrega cortos que resultan muy atractivos desde el punto de vista logístico. En el pasado, estas piezas tenían que fabricarse siguiendo varios pasos, a veces utilizando proveedores fuera de nuestra fábrica. Ahora simplemente cargamos el modelo sólido del componente, aplicamos prácticas estándar para la configuración de nuestro proceso de FA y regresamos más tarde cuando la pieza está terminada. El componente fabricado de forma aditiva a veces puede integrarse directamente en la construcción, sin pasos de fabricación secundarios.
¿Cómo afecta la FA a las pruebas de materiales?
Menzuber:Hay varios elementos importantes. En primer lugar, puede resultar complicado obtener muestras estándar mecanizadas a partir de componentes fabricados de forma aditiva, por lo que es posible que se deba utilizar probetas de subescala o un tipo de prueba diferente. Tenemos bastante experiencia tratando con estas variables. Disponemos de una amplia gama de bastidores de carga y accesorios que le permitirán aplicar el nivel adecuado de fuerza a una probeta correctamente configurada para ayudarlo a evaluar las propiedades que le interesan. Asimismo, somos conscientes de que diferentes clientes van a estar interesados en realizar diferentes tipos de pruebas y necesitarán soluciones con diferentes capacidades y precios.
Además, hay que tener en cuenta la naturaleza de los procesos de fabricación aditiva y cómo eso influye en la uniformidad de las propiedades de los materiales en una pieza. En general, el principal atractivo de la fabricación aditiva es que se pasa directamente a las piezas acabadas o casi acabadas, capa a capa. No se hace un gran bloque de material relativamente uniforme y luego se mecaniza una pieza con él. La naturaleza de la fabricación aditiva por capas puede hacer que las propiedades del material no sean necesariamente isotrópicas, es decir, que no sean uniformes en función de la dirección de la pieza. En particular, las propiedades perpendiculares a las capas de aditivo, normalmente denominadas dirección Z, son de gran interés. Se debe planificar la realización de algunas pruebas adicionales para garantizar la uniformidad del material en las piezas. Además, dependiendo de la madurez del proceso de fabricación aditiva en particular, es posible que sea necesario realizar pruebas para comprender el impacto de los diversos parámetros de procesamiento en las propiedades mecánicas para comprender mejor la región segura del procesamiento para la producción. Estos procesos pueden ser extremadamente complejos, con muchas variables.
La prueba de cupones testigo es especialmente valioso como parte de un proceso de producción de aditivos. Se puede construir un pequeño cupón de prueba antes y después de una construcción complicada para garantizar que el sistema funciona en general como se espera. Tenemos una gama de sistemas más pequeños y de precio modesto que son perfectos para esto. Son fáciles de usar y pueden colocarse junto al sistema de fabricación aditiva si lo desea. Estos sistemas pueden brindarle información inmediata sobre si el sistema está produciendo un buen material desde la perspectiva de las propiedades mecánicas. Los cupones que se cortan directamente de los componentes pueden dar una indicación más directa de la estabilidad del proceso y de la calidad de los componentes.
¿Cuáles son algunas consideraciones importantes al seleccionar equipos de prueba para muestras de FA?
Shepard:Lógicamente, la comunidad de pruebas intenta utilizar en la medida de lo posible los equipos existentes y los métodos de prueba estandarizados. Sin embargo, desafortunadamente, el material de un artículo fabricado de forma aditiva puede no tener propiedades uniformes. En muchos casos, simplemente no puede obtener probetas estándar de estos componentes fabricados. Este es un reto divertido para nosotros. Disponemos de amplias familias de tecnologías de bastidores de carga (servohidráulicas, electromecánicas, electrodinámicas), así como de accesorios (mordazas, curvas de tres puntos, horquillas, etc.) que nos permiten trabajar con probetas subescaladas e inusuales sin demasiada dificultad Además, tenemos bastidores de carga que tienen un buen tamaño para pruebas a menor escala, si es necesario.
Dependiendo de los tipos de pruebas que se necesiten, es posible que le sirvan mejor los diferentes tipos de sistemas. En el nivel superior, para obtener el más alto nivel de rendimiento y flexibilidad, probablemente desee un sistema servohidráulico. Son especialmente adecuados para pruebas dinámicas como fatiga y fractura y pueden realizar con facilidad más pruebas comunes, como pruebas de tracción. Algunos clientes pueden tener requisitos más simples y es posible que solo necesiten poder ejecutar pruebas de tracción. Estos clientes pueden ser los más adecuados para un sistema electromecánico. Los sistemas electromecánicos pueden ser bastante económicos y son ideales para probar cupones testigo como parte de un proceso de producción.
En los últimos años también hay otra opción. Los sistemas electrodinámicos ofrecen mucho rendimiento dinámico y no requieren una bomba hidráulica. Estos sistemas son particularmente atractivos si necesita trabajar en un entorno muy limpio o si es nuevo en las pruebas y necesita cierta capacidad dinámica, pero prefiere evitar la complejidad y el gasto de una instalación hidráulica.
¿Cómo participa MTS en la comunidad de Fabricación aditiva?
Menzuber: Bueno, en primer lugar, somos usuarios de la tecnología y tenemos una larga trayectoria en el área tecnológica, por lo que conocemos de primera mano las ventajas y los retos asociados a los métodos de fabricación aditiva. En segundo lugar, tenemos relaciones muy estrechas con nuestros clientes. Cada uno de ellos tiene su propia forma de integrar los nuevos materiales y procesos en sus productos y nosotros colaboramos estrechamente con ellos para apoyarlos. Eso podría significar ayudarlos a desarrollar datos de diseño, generar parámetros para sus modelos de materiales, probar cupones testigo, hasta probar componentes y sistemas a gran escala. En tercer lugar, estamos comprometidos con las organizaciones de normalización que están desarrollando normas de pruebas de fabricación aditiva, en particular ASTM e ISO. Es importante que MTS participe en estas organizaciones para poder apoyar a la comunidad técnica con nuestra experiencia en pruebas y aportar las necesidades y experiencias de nuestros clientes.
¿Qué es la fabricación aditiva (AM) y cuáles son sus ventajas?
Shepard: Bueno, no puedo ser justo con la tecnología con una respuesta corta, pero la fabricación aditiva está impulsando una revolución en el diseño y la fabricación. La tecnología nos permite crear piezas directamente a partir de un dibujo sólido, utilizando una amplia y creciente gama de métodos de fabricación aditiva. En los mejores casos, las propiedades pueden compararse favorablemente con los procesos de fabricación convencionales. Las distintas técnicas son aplicables a los metales, los polímeros e incluso a los materiales compuestos y cerámicas. En términos generales, la pieza se construye directamente, capa por capa. Las piezas que tienen tolerancias estrictas o que soportan carga pueden necesitar algunos pasos de procesamiento para el acabado o tratamiento térmico, pero en algunos casos las piezas se pueden utilizar directamente del sistema de fabricación aditiva.
Las ventajas de esta tecnología son numerosas. Primero, se obtiene una libertad increíble para diseñar formas y estructuras. Los diseñadores pueden optimizar el peso, la transferencia de calor, el espacio y otras propiedades. En segundo lugar, en términos de uso del material, puede ser muy eficiente: no se está convirtiendo un gran bloque de metal en fragmentos para crear una pieza pequeña y complicada. Esta es la razón por la que la fabricación aditiva se describe como una excelente "relación compra-venta". Es decir, la mayor parte del material que compra realmente entra en el componente, en lugar de convertirse en fragmentos o chatarra. La cadena de suministro también se puede acortar drásticamente. Las múltiples etapas de fabricación y los proveedores se pueden reducir potencialmente a un único, aunque complejo, proceso de fabricación en un solo lugar. Las ventajas logísticas en términos de tiempos de entrega más cortos y cadenas logísticas consolidadas son obvias.
¿Qué tendencias de la industria están impulsando la necesidad de FA y qué industrias son líderes en el uso de FA?
Menzuber: La mayoría de las empresas que se comprometen con los aditivos se sienten realmente atraídas por la capacidad de reducir el peso y agregar rendimiento de varias maneras. Además, hay mucho interés en la posibilidad de simplificar su cadena de suministro y reducir los tiempos de entrega mediante el uso de la fabricación aditiva en el sitio en lugar de múltiples pasos de producción, posiblemente en otras ubicaciones. Por último, la fabricación aditiva ofrece nuevas eficiencias para series de producción pequeñas y medianas, lo que puede facilitar una personalización más económica y acortar los plazos de desarrollo de los productos.
Las tecnologías de fabricación aditiva, a medida que maduran, tienen el potencial de ser bastante disruptivas. Todos están considerando la fabricación aditiva, pero veo que el mayor interés y la mayor inversión se dan en las aplicaciones aeroespaciales y biomédicas. Estas industrias tienen aplicaciones de muy alto valor agregado, con volúmenes bajos a moderados. Las aplicaciones en estas industrias suelen estar muy optimizadas y probadas de forma exhaustiva, por lo que los procesos de fabricación emergentes, como la fabricación aditiva, pueden integrarse ya que su propuesta de valor es clara. Las aplicaciones automotrices también están ganando terreno, pero hay un mayor nivel de sensibilidad a los costos en esa industria.
¿Cuál es la diferencia entre la impresión 3D y la FA?
Shepard: Estos términos se siguen utilizando indistintamente, sobre todo en los medios de comunicación y en el mercado de consumo. En mi opinión, las piezas de fabricación aditiva suelen utilizarse en aplicaciones de uso final. Como la pieza se utilizará en un producto, la FA requiere un proceso resistente, adecuado para un entorno de producción, que pueda completarse con una eficiencia razonable.
En una aplicación de prototipado rápido, las piezas generalmente no verían ningún tipo de servicio considerable. Es posible que la resistencia no sea demasiado alta y que las propiedades no sean uniformes. Sería conveniente tener cuidado con el uso de estas piezas para cualquier aplicación práctica, especialmente cuando se trate de alguna carga. El proceso de impresión en sí puede ser bastante lento. Dicho esto, un prototipo físico disponible con rapidez puede ayudar mucho a los ingenieros de diseño a entender cómo va a funcionar una pieza e interactuar con otras. Estos prototipos impresos también son muy útiles para demostrar el ajuste y la función a colaboradores y clientes. Considero que estos prototipos impresos en 3D son el siguiente paso de las visualizaciones que se pueden crear con el software CAD en 3D.
¿Utiliza MTS la Fabricación Aditiva?
Shepard: Claro. Resulta que MTS tiene una larga trayectoria en la fabricación aditiva, que comenzó a mediados de los años 90. Nos adelantamos un poco al mercado, pero trabajando con varios socios pudimos perfeccionar nuestro proceso de fabricación aditiva por láser (LAM) hasta el punto de poder producir con éxito piezas de Ti-6Al-4V de calidad aeroespacial. Es posible que algunas de esas piezas todavía estén volando en los F-15. Esa experiencia nos ha dado una gran visión de lo que supone calificar un proceso de fabricación aditiva y las piezas que de él se derivan, especialmente los aspectos de las pruebas mecánicas.
Desde hace poco, estamos entusiasmados con las posibilidades de diseño y la eficiencia de los aditivos por las mismas razones que nuestros clientes están interesados en esta tecnología. Tenemos un sistema interno de fabricación aditiva que utilizamos para crear rápidamente prototipos y algunas piezas de producción. Cuando diseñamos sistemas personalizados, utilizamos la creación rápida de prototipos como parte de nuestro proceso de I+D. El CAD en 3D es increíble y lo utilizamos mucho, pero no hay nada mejor que poder sostener las piezas y ver cómo encajan y funcionan. Nuestros clientes también lo valoran. Cuando estamos diseñando un nuevo sistema único para ellos, es realmente útil tener un modelo completo o a subescala que les permita ver el concepto mecánico de las operaciones de primera mano
También utilizamos la fabricación aditiva para algunas piezas de bajo volumen, alta complejidad y sin carga. Para estas piezas, la FA nos ofrece un costo competitivo y unos plazos de entrega cortos que resultan muy atractivos desde el punto de vista logístico. En el pasado, estas piezas tenían que fabricarse siguiendo varios pasos, a veces utilizando proveedores fuera de nuestra fábrica. Ahora simplemente cargamos el modelo sólido del componente, aplicamos prácticas estándar para la configuración de nuestro proceso de FA y regresamos más tarde cuando la pieza está terminada. El componente fabricado de forma aditiva a veces puede integrarse directamente en la construcción, sin pasos de fabricación secundarios.
¿Cómo afecta la FA a las pruebas de materiales?
Menzuber:Hay varios elementos importantes. En primer lugar, puede resultar complicado obtener muestras estándar mecanizadas a partir de componentes fabricados de forma aditiva, por lo que es posible que se deba utilizar probetas de subescala o un tipo de prueba diferente. Tenemos bastante experiencia tratando con estas variables. Disponemos de una amplia gama de bastidores de carga y accesorios que le permitirán aplicar el nivel adecuado de fuerza a una probeta correctamente configurada para ayudarlo a evaluar las propiedades que le interesan. Asimismo, somos conscientes de que diferentes clientes van a estar interesados en realizar diferentes tipos de pruebas y necesitarán soluciones con diferentes capacidades y precios.
Además, hay que tener en cuenta la naturaleza de los procesos de fabricación aditiva y cómo eso influye en la uniformidad de las propiedades de los materiales en una pieza. En general, el principal atractivo de la fabricación aditiva es que se pasa directamente a las piezas acabadas o casi acabadas, capa a capa. No se hace un gran bloque de material relativamente uniforme y luego se mecaniza una pieza con él. La naturaleza de la fabricación aditiva por capas puede hacer que las propiedades del material no sean necesariamente isotrópicas, es decir, que no sean uniformes en función de la dirección de la pieza. En particular, las propiedades perpendiculares a las capas de aditivo, normalmente denominadas dirección Z, son de gran interés. Se debe planificar la realización de algunas pruebas adicionales para garantizar la uniformidad del material en las piezas. Además, dependiendo de la madurez del proceso de fabricación aditiva en particular, es posible que sea necesario realizar pruebas para comprender el impacto de los diversos parámetros de procesamiento en las propiedades mecánicas para comprender mejor la región segura del procesamiento para la producción. Estos procesos pueden ser extremadamente complejos, con muchas variables.
La prueba de cupones testigo es especialmente valioso como parte de un proceso de producción de aditivos. Se puede construir un pequeño cupón de prueba antes y después de una construcción complicada para garantizar que el sistema funciona en general como se espera. Tenemos una gama de sistemas más pequeños y de precio modesto que son perfectos para esto. Son fáciles de usar y pueden colocarse junto al sistema de fabricación aditiva si lo desea. Estos sistemas pueden brindarle información inmediata sobre si el sistema está produciendo un buen material desde la perspectiva de las propiedades mecánicas. Los cupones que se cortan directamente de los componentes pueden dar una indicación más directa de la estabilidad del proceso y de la calidad de los componentes.
¿Cuáles son algunas consideraciones importantes al seleccionar equipos de prueba para muestras de FA?
Shepard:Lógicamente, la comunidad de pruebas intenta utilizar en la medida de lo posible los equipos existentes y los métodos de prueba estandarizados. Sin embargo, desafortunadamente, el material de un artículo fabricado de forma aditiva puede no tener propiedades uniformes. En muchos casos, simplemente no puede obtener probetas estándar de estos componentes fabricados. Este es un reto divertido para nosotros. Disponemos de amplias familias de tecnologías de bastidores de carga (servohidráulicas, electromecánicas, electrodinámicas), así como de accesorios (mordazas, curvas de tres puntos, horquillas, etc.) que nos permiten trabajar con probetas subescaladas e inusuales sin demasiada dificultad Además, tenemos bastidores de carga que tienen un buen tamaño para pruebas a menor escala, si es necesario.
Dependiendo de los tipos de pruebas que se necesiten, es posible que le sirvan mejor los diferentes tipos de sistemas. En el nivel superior, para obtener el más alto nivel de rendimiento y flexibilidad, probablemente desee un sistema servohidráulico. Son especialmente adecuados para pruebas dinámicas como fatiga y fractura y pueden realizar con facilidad más pruebas comunes, como pruebas de tracción. Algunos clientes pueden tener requisitos más simples y es posible que solo necesiten poder ejecutar pruebas de tracción. Estos clientes pueden ser los más adecuados para un sistema electromecánico. Los sistemas electromecánicos pueden ser bastante económicos y son ideales para probar cupones testigo como parte de un proceso de producción.
En los últimos años también hay otra opción. Los sistemas electrodinámicos ofrecen mucho rendimiento dinámico y no requieren una bomba hidráulica. Estos sistemas son particularmente atractivos si necesita trabajar en un entorno muy limpio o si es nuevo en las pruebas y necesita cierta capacidad dinámica, pero prefiere evitar la complejidad y el gasto de una instalación hidráulica.
¿Cómo participa MTS en la comunidad de Fabricación aditiva?
Menzuber: Bueno, en primer lugar, somos usuarios de la tecnología y tenemos una larga trayectoria en el área tecnológica, por lo que conocemos de primera mano las ventajas y los retos asociados a los métodos de fabricación aditiva. En segundo lugar, tenemos relaciones muy estrechas con nuestros clientes. Cada uno de ellos tiene su propia forma de integrar los nuevos materiales y procesos en sus productos y nosotros colaboramos estrechamente con ellos para apoyarlos. Eso podría significar ayudarlos a desarrollar datos de diseño, generar parámetros para sus modelos de materiales, probar cupones testigo, hasta probar componentes y sistemas a gran escala. En tercer lugar, estamos comprometidos con las organizaciones de normalización que están desarrollando normas de pruebas de fabricación aditiva, en particular ASTM e ISO. Es importante que MTS participe en estas organizaciones para poder apoyar a la comunidad técnica con nuestra experiencia en pruebas y aportar las necesidades y experiencias de nuestros clientes.
