Maximizando la producción con software avanzado de fabricación aditiva

Cómo el nuevo software de programación y simulación CAD/CAM puede ayudar a abordar procesos de fabricación aditiva.

En el ámbito de la fabricación, los procesos de fabricación aditiva (AM) siguen siendo el nuevo chico en el bloque. Aunque la aditiva ha existido por varias décadas, hasta relativamente recientemente ha sido relegada mayormente a aplicaciones de prototipado y uso de producción de tiradas cortas. Con los nuevos procesos aditivos de metal, sin embargo, el potencial de AM se ha expandido dramáticamente. Se ha extendido desde lo que se veía como una tecnología intrigante a un proceso de producción más realista que ahora es más ampliamente usado por fabricantes mayores como GE y Lockheed para hacer piezas de AM de metal para motores de aeronaves y otros componentes y ensamblajes críticos para la misión. A medida que los procesos AM se han vuelto más populares, nuevos paquetes de software de programación CAD/CAM y simulación relacionada están abordando algunos de los problemas con los procesos capa por capa de la aditiva, añadiendo herramientas de flujo de trabajo aditivo con diseño generativo y técnicas mucho más extensas de visualización 3D y optimización de topología para fabricantes. Muchos de estos nuevos paquetes de software también buscan ayudar a fabricantes con la nueva clase de máquinas herramienta híbridas aditivas/sustractivas.

Haciendo lo imposible posible

Uno de los objetivos clave para nuevas soluciones aditivas es generar diseños muy mejorados. La programación CAD/CAM en aditiva puede hacer más fácil para ingenieros de desarrollo de producto diseñar piezas que antes se consideraban imposibles de fabricar. «Autodesk ha construido un flujo de trabajo completo de extremo a extremo para fabricación aditiva, desde optimización de diseño hasta preparación de construcción, simulación y post-producción, ayudando a diseñadores e ingenieros a moverse de prototipado a producción en serie», dijo Duann Scott, desarrollo de negocio y estrategia, Fabricación Aditiva y Compuestos, Autodesk Inc. (San Rafael, CA). «Ahora estamos añadiendo Diseño Generativo para permitir a diseñadores explorar y realizar el potencial completo [de AM] de formas que no eran posibles antes».

La nueva capacidad de AM en producción en serie es un desarrollo clave, señaló Scott. «A medida que la industria evoluciona con nuevos materiales y procesos, también se ampliarán los casos de uso desde piezas pequeñas, complejas y/o personalizadas, a piezas más grandes a medida que máquinas y materiales de menor costo entren al mercado», añadió. «Hemos visto el costo de hardware caer dramáticamente a medida que expiran patentes clave, primero en el espacio de polímeros con máquinas FDM [modelado por deposición fundida] cayendo de $40.000 a $400, luego máquinas SLA [estereolitografía] cayendo de precios similares a $3.000, y ahora máquinas SLS [sinterizado láser selectivo] cayendo de $150.000 a $10.000. Ahora estamos viendo una nueva ola de procesos aditivos de metal. Donde antes costaba $1 millón configurar una sola máquina, nuevas máquinas ahora pueden comprarse por alrededor de $100.000. Esta reducción masiva en la inversión requerida para producir piezas expandirá dramáticamente lo que actualmente es un mercado relativamente pequeño».

Añadir capacidades de diseño generativo a software para procesos AM dará a diseñadores ventajas sustanciales, sostuvo Scott. «El diseño generativo permite a diseñadores e ingenieros explorar soluciones basadas en restricciones de diseño y procesos de fabricación que serían imposibles de concebir o ejecutar con software CAD tradicional», dijo. «Más que solo optimización de topología, que toma geometría existente y reduce masa basada en solucionadores FEA [análisis de elementos finitos] a un solo diseño optimizado, el diseño generativo crea soluciones geométricas basadas en múltiples objetivos y múltiples procesos de fabricación para proporcionar múltiples soluciones. Estas soluciones pueden iterarse luego para refinar aún más la geometría, que luego puede fabricarse tal cual, o usarse como guía, para informar el enfoque del diseñador al diseño, basado en las soluciones que proporcionan».

A principios del próximo año, Autodesk lanzará la próxima versión de su software aditivo/impresión 3D Netfabb 2018, actualmente en pruebas beta, que añadirá nuevas características incluyendo capacidades de diseño generativo. «El enlace entre procesos sustractivos tradicionales y fabricación aditiva es que ambos requieren comprensión profunda de la combinación específica de máquina y material para crear control de máquina óptimo para cumplir los requisitos del ingeniero de diseño», dijo Scott. «También es crítico para la mayoría de piezas de AM de metal ser mecanizadas sustractivamente después de la impresión para asegurar calidad de superficie y tolerancias en piezas que interfieren con otras piezas en un ensamblaje». Autodesk está ofreciendo el flujo de trabajo completo, añadió, para usar el mismo archivo CAD para tanto aditivo como el post-proceso sustractivo esencial.

«Combinar procesos separados como aditivo y sustractivo en un flujo de trabajo de fabricación típicamente involucra múltiples pasos, a menudo en diferentes máquinas. Esto necesita ser preciso y automatizado. Hay un hilo de proceso digital que comienza con el diseño y la intención de ingeniería y simula lo que debería pasar en cada paso del proceso —necesitas construir sobre los datos originales», declaró Scott. «También tienes que monitorear el progreso en el mundo real, usando inspección y bucles de retroalimentación adaptativos o para detectar y compensar variación. Estos procesos también necesitan estar unidos».

El otoño pasado, Siemens PLM Software (Plano, TX) anunció su solución «Fabricación Aditiva con NX», y a principios de este año la compañía añadió la Plataforma de Fabricación de Piezas Siemens, un servicio colaborativo en línea destinado a conectar compradores y vendedores de componentes aditivos. En abril, el desarrollador de software, propiedad de Siemens AG (Múnich), también anunció una amplia asociación tecnológica con el proveedor de software de fabricación aditiva/impresión 3D de larga data Materialise NV (Lovaina, Bélgica) bajo la cual el Materialise Magics 3D Print Suite software AM se integrará completamente con el software NX de Siemens. La combinación trae la experiencia de Materialise con las fortalezas centrales de CAD/CAM/CAE de NX de Siemens PLM, incluyendo amplias capacidades de diseño con herramientas de optimización basadas en simulación, señaló Aaron Frankel, director senior, marketing, software de ingeniería de fabricación, Siemens PLM.

La estrategia aditiva de Siemens presenta tres pilares, comenzando con Fabricación Aditiva con NX, que incluye las ofertas NX y Teamcenter PLM de la compañía, señaló Andreas Saar, vicepresidente de Siemens PLM, Grupo de Ingeniería de Fabricación. «Eso es lo que llamamos la cadena digital y el núcleo moviéndose hacia el futuro», dijo Saar. Siemens lanzará actualizaciones de software de tres a seis meses, con nuevas interfaces de impresora trabajando con muchos actores aditivos, incluyendo EOS, Stratasys, DMG Mori, HP y otros, dijo.

«Nuestra intención es llevar la aditiva a una fase industrial», dijo Saar, integrando Materialise en la gran base instalada industrial de NX de Siemens. Un ejemplo es GE, que usa aditiva para producir grandes boquillas para motores de aeronaves. «Había un grupo pequeño, tal vez 20-30 personas, entre ingenieros de diseño y simulación, que hicieron esto posible, y probablemente hay 4000 ingenieros de diseño allí. Nuestro objetivo es expandir eso enormemente. Tenemos 10.000 asientos de diseño en GM. Estos chicos tienen que repensar la fabricación aditiva».

«Lo que vemos en el mercado es que empresas medianas y grandes están creando grupos de trabajo de fabricación aditiva para entender la tecnología», dijo Frankel. «Hay una gran curva de aprendizaje. Las empresas están recogiendo varias tecnologías dispares para ver qué funcionará, pero ese entorno ad-hoc no escalará. Las empresas necesitan tener una solución de extremo a extremo, y necesitan ser capaces de gestionar esos datos y proceso con una sola solución».

El auge del mecanizado híbrido aditivo

Muchas soluciones CAD/CAM más nuevas para aditiva se centran en programación o simulación de la última cosecha de máquinas herramienta híbridas aditivas/sustractivas, incluyendo entradas de DMG Mori y Mazak. Dado que los componentes AM no son casi forma neta y requieren acabado moderado a extensivo, lo híbrido es un enfoque práctico para muchos usuarios de máquinas herramienta. Las máquinas híbridas, aunque caras, se han vuelto más asequibles recientemente.

La estrategia de Siemens apunta a soportar todas las máquinas AM, especialmente unidades híbridas de algunos de los socios de la compañía, como DMG Mori y Mazak. «Soportamos soluciones existentes, como deposición de energía directa, soldadura de haz láser y fusión de lecho de polvo», dijo Frankel de Siemens PLM. De esas tecnologías, Saar dijo que la más común es fusión de lecho de polvo, y Siemens soporta el nuevo Multi-Jet Fusion de HP, que usa impresoras 2D con boquillas. La máquina tiene tecnología de voxel 3D que imprime en un solo color pero podrá imprimir en múltiples colores. «El futuro es muy escalable», dijo Saar.

Las máquinas híbridas son atractivas para muchos desarrolladores CAD/CAM, y Vero Software (Reading, UK) planea lanzar un módulo de mecanizado híbrido aditivo en el futuro, posiblemente alrededor de abril del próximo año, para su Edgecam y otro software CAM, dijo Raf Lobato, director de productos estratégicos. Deposición de energía directa, reparación, crecimiento de características, y revestimiento son todas áreas de enfoque para este tipo de software, señaló. «Para sacar lo mejor de la aditiva, no puede realmente vivir por sí sola; el área de «adición» ocasionalmente necesita ser preparada por sustractivo y luego finalmente, después de la adición de material, usualmente necesita ser terminada con sustractivo», declaró Lobato.

Se necesita más investigación para refinar muchos procesos aditivos, señaló. «En realidad no saben cómo añadir material efectivamente aún», dijo Lobato describiendo deposición de energía directa. «Cuando añades algo de material a un componente, no sale perfecto». El material depositado no está cerca de forma casi neta, requiriendo procesos de mecanizado de acabado sustractivo para completar las piezas. «La gran noticia es que las pruebas muestran que el material aditivo depositado en este proceso es más duro que los materiales base, en algunos casos», con metales cerca del 100% densos añadidos a estos componentes metálicos en tales operaciones de revestimiento, dijo Lobato.

En un ejemplo, reparar álabes de turbina de aeronave requería cortar una pieza de material en forma de V del parte en lugar de solo añadir metal donde había una grieta en el álabe. «Ahí de nuevo puedes ver donde una operación sustractiva es requerida», dijo Lobato, de acuerdo en que, a veces, procesos sustractivos y aditivos son ambos necesarios para completar el trabajo. «Esa es nuestra creencia. También, tomaría un maldito largo tiempo —añadir material no es rápido».

Mejoras en tecnología, tanto software como hardware, más velocidad, flexibilidad, y por supuesto, costo, son críticos para el crecimiento de la aditiva, dijo Lobato. «Estamos involucrados en el Proyecto Kraken, https://krakenproject.eu/, que trata sobre fabricación aditiva en piezas grandes por un robot con una solución de mayor precisión que la tradicionalmente disponible».

Otra nueva entrada viene del desarrollador CAD/CAM DP Technology Corp. (Camarillo, CA), que en agosto anunció su suite de software Esprit Additive para fabricación aditiva de metal. Se dice que el software ayuda a simplificar el proceso de programación aditiva que consume tiempo en solo unos pocos pasos simples.

«El software CAD/CAM de hoy debería proporcionar programación poderosa para multitarea, multifunción, multicanal, torneado-fresado, máquinas herramienta aditivas y sustractivas, con procesos aditivos y sustractivos siendo programados, optimizados, y simulados juntos en una sola interfaz amigable al usuario», dijo Chuck Mathews, vicepresidente ejecutivo, DP Technology. El nuevo módulo Esprit Additive se espera disponible a mediados de 2018. DP Technology tiene fuertes asociaciones con DMG Mori y Mazak y el módulo ofrecerá programación aditiva para usuarios de las máquinas híbridas de esas compañías.

En Creo 4.0, PTC (Needham, MA) lanzó una plataforma de Fabricación Aditiva que incluye funcionalidad para diseñar y optimizar mejor estructuras ligeras, definir nuevos subtipos de ensamblaje que pueden almacenar las piezas a imprimir, su posición, materiales, colores, y más, señaló Jose Coronado, gerente de producto de aplicaciones de Fabricación y Simulación de Creo. La solución aditiva también incluye una característica de conectividad para proporcionar retroalimentación directa al diseñador sobre las capacidades de las impresoras 3D, que serán consideradas en la fase de diseño.

«Un alto porcentaje de usuarios de Creo han dicho que están actualmente implementando, o están considerando implementar, proyectos piloto en fabricación aditiva», dijo Coronado. «También, muchas impresoras de plástico ya en instalaciones de clientes están cambiando de trabajo de prototipo a fabricación de herramientas y fijaciones, o directamente a producir piezas finales. Uno de los habilitadores de este cambio es la nueva funcionalidad disponible en Creo, permitiendo a ingenieros diseñar celosías optimizadas y conectar directamente con impresoras de plástico Stratasys y 3D Systems».

«La hoja de ruta de PTC para Creo incluye más tipos de celosías, optimización de topología integrada en el modelo B-Rep [representación de frontera], soporte de procesos de impresión de metal y más, todo sin salir de Creo», continuó. «Pero nuestros usuarios no necesitan esperar; las funcionalidades aditivas y sustractivas actuales de PTC coexisten, integradas sin problemas con el modelo CAD. Usando el mismo modelo 3D, podemos preparar un ensamblaje de bandeja para imprimir una o muchas piezas. Luego, si post-procesado como taladrado, fresado de cara o desbarbado es necesario, el mismo modelo 3D se usa para crear las trayectorias de herramienta NC correspondientes».

Un pionero temprano en aditiva, 3D Systems (Rock Hill, SC) también ofrece su experiencia en fabricación aditiva y sustractiva junto con su software 3DXpert de Fabricación Aditiva de Metal introducido el año pasado, según Daniel Remenak, gerente de producto, GibbsCAM 3D Systems. «3DXpert es una solución de software todo en uno para fabricación aditiva de metal con capacidades avanzadas en preparación de impresión, soportes y optimización de estructura, rebanado, e incluso operaciones de post-impresión».

Aunque CNC Software, desarrollador de Mastercam, no ha lanzado un módulo específico aditivo, la compañía está «evaluando qué enfoques de software aditivo son más útiles para nuestros clientes tanto ahora como a medida que la tecnología continúa expandiéndose», señaló Ben Mund, analista senior de mercado, CNC Software Inc. (Tolland, CT).

«El problema inicial de acabado de superficie ha visto mejora dramática, al igual que los materiales disponibles, con más desarrollo yendo a materiales de alta temperatura y estructurales, materiales flexibles, y compuestos. A medida que estos problemas mejoran, el proceso se usará en más y más lugares», dijo Mund. «La impresión de metal más asequible también moverá la industria adelante. Estamos viendo que suceda ahora con nuevos tipos de metales infusionados en sustrato más asequibles».

«También hay muchos lugares donde aditivo y sustractivo se usarán en concierto», dijo. «Esto puede variar desde producir fijaciones aditivas para mecanizado sustractivo, hasta crear piezas aditivas que necesiten ser mecanizadas de acabado. Y, por supuesto, siempre habrá piezas que son imposibles de producir a través de sustractivo, donde aditivo es la única opción».

En Open Mind Technologies USA Inc. (Needham, MA), desarrollador de software CAD/CAM hyperMill, la compañía tiene la capacidad de soportar procesos AM usando un módulo específico aditivo que es una opción dentro de hyperMill, señaló Alan Levine, director gerente. Open Mind ha estado involucrado con mecanizado aditivo por casi 10 años, añadió Levine. «Nuestro enfoque es soporte de programación para procesos de deposición de metal basados en láser. Este esfuerzo es consistente con nuestro enfoque avanzado de cinco ejes, e incluye retroalimentación de nuestra base de clientes. Hoy estamos trabajando con socios de máquinas y usuarios clave en proyectos e implementar y confirmar nueva tecnología. Nuestros procesos están alineados con desarrollos en curso en hyperMill, nuestro paquete para mecanizado sustractivo, así que este trabajo es fluido y puede hacerse elegantemente dentro de nuestro enfoque actual».

Aunque máquinas de lecho de polvo aditivo puedan comprender un segmento mayor del mercado hoy, el enfoque de Open Mind está en deposición láser, como se aplica a construir nuevas piezas (a menudo con máquinas de cinco ejes) y mantenimiento y reparación en moldes y matrices y energía, según Levine. «Los procesos de deposición láser generalmente no requieren estructuras en-proceso para soportar voladizos que luego tienen que ser removidos», dijo Levine. «También, la deposición láser es adecuada para mecanizado híbrido».

Hace aproximadamente un año, Open Mind añadió nuevo soporte de simulación para aditiva de su socio y desarrollador de módulos componente MachineWorks (Sheffield, UK). «Nuestro desarrollo de software para procesos aditivos se basa en nuestras experiencias y cooperación con usuarios clave y socios de máquinas. Las varias piezas hechas hoy llevan a refinamientos al software y flujo de trabajo de proceso. Los requisitos fundamentales para procesamiento aditivo —respecto a caminos de relleno y contorno, control de puntos de inicio, y disparadores de láser— ya han sido implementados en el software», dijo Levine. «Los procedimientos de verificación de colisiones también necesitan atención cuidadosa ya que el modelo de pieza está creciendo constantemente, y también los cabezales de deposición requieren longitudes focales específicas para deposición de polvo adecuada».

Simulando procesos NC y aditivos

Como en cualquier proceso de fabricación, simular con precisión el movimiento de corte y conformado de metal es crítico para asegurar calidad de fabricación y seguridad de herramientas, fijaciones y máquina herramienta. Hasta recientemente, soluciones de software de simulación han sido escasas para visualizar adecuadamente procesos AM.

En el evento Rapid/TCT en Pittsburgh, el último software de simulación, verificación y optimización NC Vericut Versión 8.1 introdujo nuevas capacidades para simular operaciones de fabricación aditiva e híbrida así como para rectificado de aderezado continuo, dijo Gene Granata, gerente de producto para Vericut en CGTech (Irvine, CA). «Estos nuevos métodos pueden usarse en cualquier orden, con cualquier método de corte tradicional [como fresado, torneado y mecanizado de cinco ejes] y en virtualmente cualquier marca de máquina CNC. El nuevo software también tiene mejoras para seccionar la pieza, herramienta de medición X-Caliper, optimización de trayectoria de herramienta Force, y configuración de reportes para documentar automáticamente el proceso de fabricación».

«El atractivo de la fabricación aditiva trae consigo muchos desafíos únicos para diseñadores y programadores NC», continuó. «La gente se está reentrenando para pensar, diseñar y programar piezas diferente, para hacer un producto superior tan eficientemente como sea posible. Software de simulación, como Vericut, es una herramienta invaluable para programadores NC para visualizar y verificar cada proceso en el orden usado, comparar estrategias de fabricación, y prevenir choques costosos o daño a máquinas, herramientas y piezas siendo hechas». Las máquinas híbridas son típicamente caras, y usualmente en suministro limitado en una compañía dada, añadió. Repuestos o técnicos para láser y otro equipo aditivo también pueden ser difíciles de encontrar. «El software de simulación ofrece una salvaguarda rentable para mitigar problemas potenciales antes de que ocurran».

Encontrar formas novedosas de programar piezas producidas vía procesos aditivos presenta un nuevo desafío para programadores NC. «Tener opciones para emplear métodos aditivos, sustractivos, o híbridos a menudo empuja a programadores a pensar más allá de su previa «zona de confort» para hacer cosas no pensadas previamente posibles», notó Granata. «Nuevas capacidades de Diseño para Fabricación Aditiva [DFAM] y programación NC aditiva parecen llegar en cada nuevo lanzamiento de CAD/CAM. Mientras que estas mejoras pretenden proporcionar a programadores NC aditivos más opciones, esto también aumenta la curva de aprendizaje. Mantener mentalmente rastreo de dónde se ha depositado material y dónde no es un desafío».

Incorporar aditiva en cualquier proceso de producción crea múltiples problemas, dijo Granata. «Un error en planificación y secuenciación de operaciones NC puede dañar componentes de máquina, equipo aditivo, o la pieza. La simulación elimina conjeturas y minimiza riesgo, mostrando cómo se harán las piezas y la representación exacta de la pieza a lo largo del proceso». El módulo Aditivo de Vericut simula tanto capacidades aditivas como de mecanizado tradicional usadas en cualquier orden en máquinas híbridas. «Simular todas las operaciones puede identificar problemas potenciales que pueden ocurrir al integrar métodos aditivos. El usuario puede acceder a un detallado «historial» almacenado con la tecnología realista de gotas de Vericut, ahorrando tiempo a programadores al identificar cuándo características de pieza han sido mecanizadas y la fuente de errores, en la mayoría de casos, usando solo un clic de ratón».

Esta capacidad aditiva verifica revestimiento láser preciso y deposición de material, detecta colisiones entre máquina y pieza aditiva, y encuentra errores, vacíos y material mal colocado, notó Granata. «Para la más alta precisión, Vericut simula el mismo código NC post-procesado que se usará para impulsar la máquina CNC y asegura uso apropiado de funciones AM y parámetros de láser. Los usuarios pueden experimentar virtualmente combinando procesos aditivos y de remoción de metal en cualquier orden para determinar métodos óptimos seguros de fabricación híbrida».