Reparación de partes con manufactura aditiva: Un gran nicho de trabajo por explotar

La sostenibilidad marca el futuro de la manufactura. Permitir la extensión del ciclo de vida de un producto en la economía circular es uno de los pilares fundamentales de esta crucial tendencia global. La reparación y restauración son pasos cruciales del ciclo de vida de los productos metalmecánicos, ya que garantizan que los productos al final de su vida útil vuelvan a estar como nuevos (o lo más cercanos posible a este estado) antes de continuar su ciclo de vida.

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En Latinoamérica, la disponibilidad de recursos técnicos y económicos a lo largo de la historia nos ha hecho “buenos” en el arte de la reparación. Sin embargo, muchos de estos procesos de reacondicionamiento de piezas para darles una nueva vida, han venido siendo realizados manualmente por trabajadores calificados o altamente experimentados. Lo conocemos sobre todo por procesos de reparación con soldadura de piezas de industrias mineras o de los moldes y troqueles.

El advenimiento de la manufactura aditiva (MA) ha animado a los investigadores metalmecánicos a ahondar en su potencial para la reparación y restauración automatizadas, convirtiéndola así en un método más eficaz para la remanufactura de productos en vista de la necesidad de extender los ciclos de vida para una economía circular

El mundo utiliza cada vez más recursos naturales

El último reporte disponible de la agencia ambiental de las naciones unidas, el Global Resources Outlook 2019, destaca que desde 1970 casi se ha triplicado la extracción de materiales a nivel global. Pasando de 27.1 miles de millones de toneladas a 92.1 miles de toneladas cuando se suma la producción de todos los países. Desde el año 2000 se ha notado una aceleración en la tasa de crecimiento en los requerimientos de materiales globalmente, llegando a un 3.2% anual entre el 2000 y el 2017, en comparación con un crecimiento promedio del 2.3% anual que se vivió entre 1970 el 2000. Esta aceleración es explicada por las grandes inversiones en infraestructura y en el aumento del estándar material de vida de países en desarrollo y en transición, especialmente en Asia.

Esta tendencia de elevación de consumo global está llevando al agotamiento de recursos, aumento en el consumo energético y por supuesto, al notable deterioro ambiental que estamos viviendo. Es por esto que parte de las políticas de implementación de la economía circular hablan del aumento de la vida útil de los bienes de consumo. En muchos ámbitos entendemos estos conceptos como la reutilización o recuperación de los componentes al final de la vida de servicio de un producto. Sin embargo, estrategias de remanufactura pueden devolver un producto usado a su desempeño inicial (o incluso mejor) de una manera aún más eficiente ambiental y energéticamente al aprovechar gran parte de la estructura de un equipo sin necesidad de cambiar y remanufacturar todo el producto.

Nuevos modelos de negocio en base a la reparación

Existen iniciativas hoy en día por parte del parlamento europeo, como la del “derecho a reparar”, en la cual se le quiere dar a los consumidores el derecho a reparar los productos que compran. En base a esto, los fabricantes deben dar fácil acceso a piezas de repuesto con el fin de aumentar la vida útil de los productos. En la preparación del reporte llamado “Plan de acción para una nueva economía circular” del parlamento europeo, el comité para el transporte, de esta institución específicamente sugiere “explorar los beneficios potenciales para los procesos de reparación usando una combinación eficiente de escaneo e impresión 3D”.

Aunque inicialmente la iniciativa “derecho a reparar” está pensada para equipos electrónicos de consumo, situaciones como la disrupción en las cadenas de suministro global han generado que la temática haya sido discutida en múltiples foros. Un reciente seminario organizado por CECIMO discutió con expertos industriales la ampliación de la iniciativa hacia industrias como la aeroespacial, gas y petróleo y médica específicamente usando MA.

Durante el evento, Paolo Gregori, director general de ProM Facility -Trentino Sviluppo Spa, afirmó que el uso de MA brinda acceso a la fabricación distribuida y bajo demanda, lo que podría impulsar las economías regionales y locales, permitiendo que las industrias ubiquen las competencias necesarias en su área.

Adicionalmente durante el seminario, los oradores destacaron que para los diferentes sectores (aeroespacial, petróleo y gas y atención médica) que enfrentan los desafíos de almacenar cientos de repuestos, podría ser una excelente oportunidad para desarrollar nuevos modelos de negocios. Estos nuevos modelos contemplan la digitalización de inventarios y las instalaciones de fabricación distribuida para brindar un mejor servicio y evitar interrupciones en la producción.

El seminario dejó en claro que solo la cooperación entre proveedores de tecnología, usuarios finales y legisladores podría ayudar a lograr una transición de producción que reduzca la huella ambiental, aumente la eficiencia de la manufactura e impulse la creación de nuevos modelos de negocio basados en la fabricación distribuida.

Entre estos últimos se encuentra el de la creación de talleres que provean las piezas localmente a través de inventarios virtuales, incluyendo la capacidad de prestar servicios de ingeniería para detectar posibles mejoras en los equipos a la hora de necesitar piezas nuevas. Adicionalmente, se habló del servicio de reparación de partes usando manufactura aditiva. 

Retos y desafíos para la reparación de productos con manufactura aditiva

Los desafíos en la reparación y restauración con MA radican principalmente en los aspectos de complejidad geométrica, ajustes y tolerancias, compatibilidad de materiales y requisitos de pre- y postprocesamiento.

La principal categoría de proceso aditivo con mayor capacidad para la reparación de piezas ya existentes es la Deposición Directa de Energía (DED), en la que la deposición de material en forma de polvo coincide en el espacio con el foco de la energía térmica que se usa para fundir el metal. Este proceso es llamado también Deposición Metálica por Láser (LMD, por su sigla en inglés). Aquí se pueden encontrar procesos como el chorro de electrones, la fundición por arco de plaza o incluso el recubrimiento láser. Este último, puede usar material de aporte en forma de hilo a través de la boquilla, en cuyo caso es un tipo de proceso de modelamiento por deposición de fundido (FDM, por su sigla en inglés), siguiendo el mismo principio que la extrusión de filamentos poliméricos conocida por las impresoras 3D caseras.

La mayoría de las aplicaciones que existen hoy en día para la reparación de piezas por medio de manufactura aditiva se encuentran en el sector aeronáutico y minero-energético, donde las piezas, sea por tamaño, costo y/o disponibilidad deben ser puestas de nuevo funcionamiento con iguales o mejores condiciones que en su estado original en el menor tiempo posible. A esto se debe agregar que la complejidad geométrica de piezas como álabes de turbinas, partes para motores y generadores es alta y no facilita el trabajo de soldadura a mano. Por esto la capacidad de movimiento por control numérico de un equipo especializado para manufactura aditiva es clave.

Pre-procesamiento (digitalización de las superficies)

El primero de los requisitos para reparar una pieza con ayuda de trayectorias de máquina es tener los planos en 3 dimensiones del segmento de producto a realizar, al igual que las referencias en el espacio, para poder localizar el punto de inicio de la deposición de material y en qué direcciones se debe mover la máquina. Para esto, el uso de herramientas de escaneo 3D y software de ingeniería inversa son cruciales para convertir las nubes de puntos generadas por los escáneres en mallas y posteriores cuerpos en 3D con las características geométricas deseadas.

Tolerancias

Uno de los principales aspectos a tener en cuenta on la preparación de las trayectorias digitales del procedimiento aditivo es la tolerancia geométrica de la adición de “cordones” de material capa a capa. La mayoría de los sistemas modernos pueden ofrecer tolerancias del orden de los 150 µm, por lo que es posible llegar a una forma cercana a la original, pero definitivamente debe tenerse en cuenta un proceso de acabado final por algún proceso de mecanizado.

Compatibilidad de materiales

Uno de los aspectos más importantes tiene que ver con la escogencia del material de aporte correcto para el trabajo de reparación que se quiera realizar. En múltiples ocasiones no es absolutamente necesario que el material de aporte sea exactamente el mismo del que está hecha la pieza original. Por supuesto es claro que se debe verificar que haya una posibilidad de generar una unión metálica entre los dos materiales a fundir. Una ventaja importante de este proceso es que la generación localizada de calor con el láser permite evitar el daño metalúrgico de grandes volúmenes de material. Esto disminuye también la presencia de grietas y deformaciones en el producto final.

Como ejemplo, la firma TRUMPF ofrece materiales de aporte que sirven como recubrimiento superficial para aumentar la capacidad de resistencia al desgaste. Para esto, en el caso de una pieza fabricada en fundición de hierro gris, es posible aplicar una capa de un material compuesto por acero inoxidable como matriz y carburo de tungsteno (CERMET) como material duro sobre una interfaz de unión fabricada en níquel.

Post-procesamiento

Un tema clave a tener en cuenta para la reparación de piezas basadas en manufactura aditiva es la necesidad de generar el acabado superficial requerido a partir de un proceso adicional de mecanizado. Típicamente, para geometrías complejas se utiliza el fresado de 5 ejes, e incluso el rectificado. En piezas rotacionalmente simétricas se utilizan procesos de torneado y torneado duro para alcanzar la calidad superficial final. Adicionalmente es importante tener en cuenta si es necesario realizar un proceso de tratamiento térmico, no solo para aliviar los posibles esfuerzos residuales obtenidos durante la reparación de la pieza, sino para alcanzar los niveles de dureza necesarios para soportar las cargas de su uso diario.

Tecnologías disponibles

En principio existen dos posibilidades para usar procesos de DED o LMD en la reparación de piezas con MA: Las máquinas dedicadas, únicamente capaces de realizar los procesos de adición de material; o las máquinas híbridas que tienen la capacidad de realizar procesos de mecanizado (pueden ser basadas en máquinas de fresado, o en tornos) y de aporte de material con fundición láser.

Un ejemplo de las primeras es la TruLaser Cell 3000 de la firma TRUMPF, en la cual se puede producir piezas de pequeño y mediano tamaño, incluso para grandes series gracias a sus amplias capacidades de automatización. Esta máquina puede aportar material en 3 dimensiones gracias a su capacidad de movimiento en 5 ejes. En principio, gracias a la adaptabilidad de sus cabezales, se puede utilizar esta máquina para soldar y cortar además de su uso para hacer MA.

Como ejemplo de las máquinas híbridas se puede hablar de la línea Integrex i AM de Mazak, la cual está diseñada en una plataforma multitarea basada en torno, con la cual se pueden fabricar o reparar piezas mediante LMD y luego se pueden acabar con alta precisión mediante cabezales de torneado o fresado en 5 ejes.