Control de calidad

A pesar de que las tecnologías de FA y, en particular, el proceso PBF-L/M, permiten fabricar componentes complejos con un control relativo de la geometría, pueden surgir diferencias entre el diseño original y el fabricado, especialmente, si no se han considerados las posibles distorsiones características del proceso. Asimismo, las piezas construidas pueden contener defectos volumétricos (poros, faltas de fusión, grietas) y superficiales.

Con la finalidad de garantizar componentes válidos, se pueden emplear diferentes técnicas no destructivas, entre las principales técnicas que se emplean cabe destacar:

• Tomografía computarizada (CT): esta técnica permite visualizar y cuantificar defectos internos como grietas o poros, así como obtener información digital de la geometría. La tomografía consiste en direccionar los rayos-X a un objeto desde múltiples orientaciones y en la medición de la reducción de la intensidad a lo largo de una serie de caminos lineales. Asimismo, es posible llevar a cabo un estudio dimensional de desviaciones geométricas de los componentes respecto a la maqueta digital de los mismos. Las geometrías complejas son cada vez más demandadas en la industria aeroespacial para obtener estructuras de bajo peso. Al mismo tiempo, la Fabricación Aditiva es una potente tecnología que permite un alto grado de optimización geométrica. Sin embargo, los requisitos en la inspección de todo el volumen, incluidas las superficies internas, restringen a menudo el proceso de diseño. En este contexto, la Tomografía Computarizada es capaz de medir tanto las indicaciones internas (falta de fusión, huecos, grietas, etc.) como las externas (grietas y desviaciones geométricas). Asimismo, la CT se puede aplicar para la caracterización del material, tanto en control del nivel de densificación en las piezas fabricadas como en la monitorización del polvo metálico de partida, permitiendo identificar inclusiones, así como el control de variaciones de morfología o aglomeraciones de partículas.
  
  Por otro lado, aunque la Radiografía Digital (Digital Radiography - DR) presenta información reducida si se compara con CT, esta técnica puede reducir tanto el tiempo de entrega como los costes de inspección.

Figura 2. Aplicación de CT como NDT para control de calidad de piezas metálicas fabricadas mediante PBF-L/M [Referencia: Desarrollo llevado a cabo por CATEC en colaboración con Airbus D&S para la optimización y fabricación de elemento de soporte de sujeción y liberación de un lanzador espacial].
• Escaneado láser 3D: el uso de láseres como fuentes de iluminación es una técnica adecuada como técnica de inspección para conseguir representaciones de objetos precisos y fiables. El principio básico de esta técnica es la triangulación, el cual reside en la identificación y uso de la altura o posición de un punto u objeto en un espacio arbitrario. La triangulación se acomete mediante la medición de ángulos hacia un punto arbitrario desde puntos conocidos, en lugar de la medición directamente de distancias. Con está técnica, las zonas que no son visibles al sistema de inspección no podrán ser analizadas y, por tanto, habrá una falta de información.
  
  Asimismo, entre otras técnicas no destructivas (END) aplicadas en el control de elementos fabricados mediante FA se encuentran los líquidos penetrantes, ultrasonidos, termografía infrarroja, Eddy current, Partículas magnéticas, etc.
  
  A la hora de seleccionar uno o varios métodos de inspección adecuados a cada aplicación, se debe tener en consideración si se trata de geometrías complejas, tipo de defecto objetivo (defectos la superficie que incluyen poros pequeños, grietas superficiales y/o falta de fusión), así como el acabado superficial de la superficie a inspeccionar.
  
  Por ejemplo, mientras que los líquidos penetrantes permiten detectar defectos superficiales, los ultrasonidos se pueden aplicar para la detección de defectos subsuperficiales en soluciones de diseño adaptadas.
  
  El desarrollo de estrategias de diseño orientadas a la inspeccionabilidad debe estar siempre en concurrencia con la ingeniería de diseño de los elementos a fabricar mediante tecnologías de FA, ya que estos permitirán la validación final del componente. La Figura 3 muestra un ejemplo de inspección mediante CT aplicada al proceso de validación final de una pieza fabricada mediante PBF-L/M. La optimización de los diseños en base a su inspeccionabilidad y criterios de aceptación de defectología permitirán una reducción de tiempos y costes de inspección. En esta línea, son numerosos los trabajos en vía de desarrollo con el fin de llegar a nuevos protocolos de inspección en tecnologías ya validadas para el sector aeroespacial (pero en componentes metálicos convencionales), con un coste de inspección menor a otros métodos no destructivos como la tomografía computarizada.

Figura 3. CT como método de inspección para la validación final de una pieza fabricada mediante PBF-L/M. (*Criterio de aceptación: Tamaño mínimo de poro detectable: 500 µm; 300 µm para secciones <25 mm2). [Referencia: Desarrollo llevado a cabo por CATEC en colaboración con CITD, Airbus D&S y ESA, para el desarrollo de la estructura secundaria de la sonda espacial JUICE].

Además de los métodos de END para el control de calidad, se incluyen otras técnicas para el control del proceso de fabricación aditiva, como son la metalografía (utilizada principalmente para el control de densidad y microestructura del material final), así como el conjunto de ensayos para la caracterización mecánica (ensayos de dureza, ensayos de tracción-compresión, resiliencia, etc.), todos ellos necesarios para diseñar y validar cada proceso, tanto a nivel de parámetros específicos de fabricación, como la definición de post procesos adecuados a cada caso (tratamientos térmicos, superficiales, etc).

Referencias:

• US Department of Energy, 2015. “Quadrennial Technology Review 2015. Additive Manufacturing. Chapter 6: Technology Assessments”
• AM Platform, 2014. “Additive manufacturing: strategic research agenda”.
• Fernando Lasagni et al, PRIORIDADES DE I+D EN FABRICACIÓN ADITIVA DEL SECTOR AEROESPACIAL ESPAÑOL. Plataforma Aeroesacial Española, Proyecto: PTR-2016-0743, marzo de 2018
• T. Craeghs, Online Quality Control of Selective Laser Melting, 2011.
• Rieder et. al. Online Monitoring of Additive Manufacturing Processes Using Ultrasound.
• Proyecto DISTRACTION, “Design against distortion of metallic aerospace parts based on combination of numerical modelling activities and topology optimisation”, H2020-CS2-CFP01-2014-0.
• Thompson, D. MCNally, I. Maskery, R. K. Leach. X-ray computed tomography and additive manufacturing in medicine: a review. Int. J. Metrol. Qual. Eng. 8, 17 (2017).
• www.coherent.com