Fabricación aditiva ultrasónica: Impresión 3D de metal a baja temperatura explicada

Comparada con otras técnicas AM, la UAM usa temperaturas relativamente bajas —muy por debajo de las temperaturas de fusión de los materiales usados— y se emplea para producir piezas metálicas en lugar de plástico o nailon.

Breve historia de la UAM

El proceso UAM fue desarrollado por Dawn White, quien comercializó la invención en 1999 fundando Solidica Inc. para vender equipos UAM comerciales.

En 2007, Solidica colaboró con el Instituto de Soldadura Edison para rediseñar el proceso de utillado y mejorar la calidad de la unión y ampliar el número de metales utilizables. La colaboración resultó en un nuevo proceso UAM, conocido como "Fabricación Aditiva Ultrasónica de muy alta potencia".

La asociación fundó una nueva empresa, Fabrisonic LLC, en 2011 para comercializar el nuevo proceso UAM de alta potencia y vender una nueva línea de equipos UAM.

Fabricación Aditiva Ultrasónica explicada

Como la mayoría de procesos AM, las máquinas UAM crean piezas basándose en un modelo de Diseño Asistido por Computadora (CAD). Una vez hecho el modelo, el archivo se "corta" (slice) en secciones transversales 2D usadas para construir la pieza capa a capa.

Sin embargo, más allá del aspecto de modelado 3D, la UAM difiere significativamente de otras técnicas AM. Donde la mayoría —como SLS— producen piezas a partir de material en polvo, la UAM usa láminas de lámina metálica. Además, a diferencia de otras técnicas AM, la UAM no usa calor. En su lugar, usa una herramienta llamada sonotrodo para crear vibraciones ultrasónicas que —en combinación con presión— fuerzan la unión de dos capas de metal.

(Fuente: The Effect of Ultrasonic Additive Manufacturing on Integrated Printed Electronic Conductors, Electronic Material Letters 14, 413-425, 2018)

El proceso de manufactura es así:

• Una placa base metálica sólida se fija en la plataforma de construcción.
• Lámina metálica se coloca sobre la placa base, y toda la plataforma se desliza bajo el sonotrodo, uniendo la lámina a la base. En este punto, la pieza no tiene forma alguna.
• Este proceso se repite hasta que las capas unidas alcanzan una profundidad predeterminada.
• Una máquina CNC —similar a las usadas en mecanizado CNC sustractivo tradicional— recorta la pieza dándole forma al eliminar el exceso de lámina.
• Este ciclo se repite hasta que la pieza alcanza una altura especificada.
• Una herramienta de fresado menor da forma final a la pieza y completa cualquier fresado interno requerido.
• El ciclo completo UAM se repite hasta terminar la pieza.
• La pieza se retira de la plataforma y se separa la placa base.

Como ves, la UAM es en realidad un proceso híbrido aditivo y sustractivo, que combina el enfoque por capas de las técnicas AM con el fresado CNC sustractivo.

Máquinas de manufactura ultrasónica

El proceso UAM usa una línea de máquinas de impresión 3D ultrasónicas desarrolladas por Fabrisonic, LLC. Las máquinas pueden crear uniones extremadamente fuertes incluso entre metales distintos. Y como el proceso no implica calor alto, la unión no causa cambios en la estructura molecular de las capas, evitando las características frágiles inherentes a otros procesos AM de metal.

Otro beneficio de las máquinas Fabrisonic es que pueden unir metales que no pueden usarse con otras técnicas, incluyendo cobre y aluminio.

Por supuesto, aunque las máquinas son impresionantes, no son adecuadas para uso doméstico. Con incluso la máquina menor enfocada en I+D costando justo bajo 200.000 $, las máquinas UAM de Fabrisonic son solo para fines industriales y de investigación.

Preprocesamiento de modelos para manufactura ultrasónica

Antes de producir una pieza con UAM, debes pasar por la fase de preprocesamiento. En esta fase, el modelo CAD 3D de la pieza a producir se analiza usando software de modelado especializado.

La preparación de datos para UAM sigue un proceso similar a la preparación para SLS. Aunque la UAM no tiene las mismas limitaciones que SLS en paredes finas y bordes agudos, aún requiere cierto preprocesamiento:

• Piezas con geometrías complejas deben simplificarse usando una herramienta de simplificación geométrica.
• Los diseñadores deben usar herramientas y técnicas de modelado por simulación para asegurar que la pieza es adecuada para impresión UAM y resistirá uso real.

Una vez procesada la pieza, software de "corte" (slicing) convierte el modelo 3D en capas 2D conocidas como secciones transversales. Aunque aplicaciones gratuitas pueden completar esta preparación, los diseñadores profesionales están mejor servidos usando un paquete de software reconocido.

Si tu organización desarrolla aplicaciones que manejan preprocesamiento para UAM, Spatial está aquí para ayudar.

Con más de tres décadas de experiencia en modelado 3D, Spatial proporciona capacidades completas de preprocesamiento y bibliotecas preconstruidas que puedes integrar en tus aplicaciones de software. Amplía la funcionalidad de tus aplicaciones o productos hardware y diferencia tus ofertas de la competencia —sin invertir años de I+D en desarrollar estas capacidades internamente.

Para saber más sobre cómo puede ayudar Spatial, consulta nuestros kits de desarrollo de software de modelado 3D probados en la industria.

Ventajas y limitaciones de la Fabricación Aditiva Ultrasónica

La UAM ofrece tres ventajas significativas que la mayoría de otros procesos AM no pueden igualar.

1. Puede producir piezas metálicas con canales internos "imposibles".

Muchas piezas requieren canales internos, a menudo para refrigeración. Sin embargo, con otros procesos AM como FDM y SLS —y ciertamente con técnicas sustractivas tradicionales— producir piezas con complejos caminos de flujo 3D conformados es prácticamente imposible. Con el uso de "UAM de muy alta potencia", las modernas máquinas Fabrisonic pueden fabricar piezas de aluminio y cobre, que ayudan a disipar calor reduciendo peso.

2. Puede unir múltiples metales.

Como la UAM no implica calor alto, no cambia la microestructura de los metales usados. Como resultado, la UAM puede unir metales disímiles sin crear desajustes y estructuras frágiles inherentes a otras tecnologías de procesos AM de metal. Es posible una amplia gama de combinaciones de materiales.

3. Puede incrustar sensores y circuitos.

Lo más increíble: las piezas UAM pueden incluso imprimirse con sensores y circuitos internos —una capacidad única en AM. No es posible en manufactura tradicional, pues las tensiones y temperaturas dañarían estos componentes sensibles. Con UAM, los sensores pueden incrustarse en cualquier parte de una estructura metálica, dándole valiosas aplicaciones en salud, control de procesos e Internet de las Cosas (IoT).

Finalmente, como la UAM requiere menos ahuecado que técnicas como SLS, también desperdicia menos material.

Sin embargo, todo esto tiene un precio —literalmente. Como señalamos, la máquina más pequeña de Fabrisonic cuesta casi 200.000 $. La empresa no lista precios para sus máquinas mayores, pero las organizaciones pueden esperar pagar sustancialmente más.

¿Cuándo necesitas usar UAM?

Dada su capacidad para unir una amplia variedad de metales distintos, la UAM tiene claras aplicaciones en industrias aeroespacial y automotriz. Su capacidad para producir piezas con complejos canales de refrigeración es extremadamente valiosa en estas y otras como manufactura industrial, dispositivos médicos y equipos de alta tecnología.

Además, la facilidad de la UAM para producir piezas con sensores y circuitos integrados la hace altamente deseable para producir dispositivos inteligentes estilo IoT en una amplia gama de industrias. Muchas industrias tradicionales ahora usan una amplia gama de sensores y dispositivos de seguimiento para gestionar operaciones autónomamente, y la UAM se usa a menudo para producir piezas para estos dispositivos.

Por supuesto, por valiosa que sea, la UAM depende en gran medida de la capacidad del fabricante para producir modelos 3D precisos y optimizados. Y, dada la complejidad de muchas piezas UAM, se necesita software potente para producir estos modelos.

¿Listo para integrar potente funcionalidad UAM y bibliotecas completas preconstruidas en tus soluciones de software y hardware? Contacta a los expertos de Spatial hoy.