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Aug 26, 2023

Una ventana de oportunidad para acelerar el desarrollo de aleaciones para la fabricación aditiva

Fuente de todas las imágenes: Bigstock Las tecnologías de fabricación aditiva (AM) presentan una variedad de beneficios que incluyen estructuras livianas (celosías, superficies mínimas triplemente periódicas y otros elementos orgánicos).

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Las tecnologías de fabricación aditiva (AM) presentan una variedad de beneficios que incluyen estructuras livianas (celosías, superficies mínimas triplemente periódicas y otras formas orgánicas), consolidación de piezas, limitación de la necesidad de herramientas y reducción del tiempo de entrega. Estos beneficios pueden ayudar a aumentar la productividad, el rendimiento y el costo de fabricación. Por estas razones, la AM se ha considerado para una variedad de aplicaciones de aviación, automoción, medicina, energía, espacio y defensa. La fabricación aditiva también ha cuestionado la forma en que se utilizan selectivamente las tecnologías de fabricación. AM ha demostrado un mérito sustancial para respaldar pruebas y evaluaciones rápidas de conceptos de diseño novedosos y se ha realizado el desarrollo de productos para la fabricación de equipos de prueba, plantillas, accesorios y piezas de prueba. La AM también ofrece la capacidad de impactar el costo del ciclo de vida del producto como tecnología de reparación.

La mayor parte del desarrollo de productos metálicos de fabricación aditiva en la última década se ha centrado en aleaciones heredadas históricamente desarrolladas para aplicaciones de fundición o forja. En la historia reciente, la comunidad AM ha comenzado a referirse informalmente a estos materiales como la primera generación de materiales AM. En los últimos siete años, se han realizado esfuerzos selectos para explorar y promover mejoras en el rendimiento del material modificando las características físicas y químicas del material de materia prima. Estos pueden incluir modificaciones de adiciones de aleación seleccionadas (hasta el extremo bajo o alto del rango de concentración de elementos de aleación especificado) o ajustes a la distribución del tamaño de partículas del material en el caso de metales en polvo y se conocen como la segunda generación de materiales AM. La tercera generación son aleaciones desarrolladas con AM como método de fabricación principal que pueden presentar composiciones químicas sustancialmente diferentes a las disponibles comercialmente.

Brandon Ribic, director de tecnología de America Makes, habla sobre el desarrollo actual de aleaciones para la fabricación aditiva, lo que los fabricantes pueden esperar en los próximos años y la importancia de compartir datos.

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La modificación de aleaciones heredadas o el desarrollo de aleaciones completamente nuevas para FA ofrecen una amplia gama de beneficios potenciales que incluyen un mejor rendimiento del producto, mayor rendimiento y productividad y menores costos de posprocesamiento. A pesar de estos beneficios, el desarrollo y la calificación de aleaciones a través de enfoques confiables existentes pueden enfrentar riesgos y desafíos donde el costo y el tiempo de comercialización pueden poner en peligro la adopción dentro de la lista de materiales de producción o el cumplimiento de los criterios de retorno de la inversión. En muchos casos, los esfuerzos de investigación y desarrollo deberán abordar directamente estos desafíos para escalar y ofrecer soluciones materiales viables. La comunidad de AM debe reconocer estos riesgos para limitar las consecuencias en los cronogramas de desarrollo y aumentar la probabilidad de éxito de esfuerzos futuros.

Existen oportunidades para el desarrollo y validación de nuevas herramientas, técnicas y métodos para acelerar el desarrollo de aleaciones para procesos de fabricación aditiva. Se prevé que habilitar medios más rápidos y rentables para calificar y certificar aleaciones mejorará la competitividad de la fabricación nacional, así como fomentará una industrialización más amplia de materiales y diseños de productos de AM para industrias como la de defensa, aeroespacial, médica, automotriz, energética y nuclear.

America Makes ha estado analizando oportunidades de desarrollo de aleaciones con la cadena de suministro nacional de fabricación aditiva desde principios de 2021 y ha recopilado información de más de 100 organizaciones. Una consideración vital para cualquier esfuerzo de desarrollo material es comenzar con el final del viaje en mente. Dicho esto, el desarrollo de aleaciones suele estar motivado por el deseo de realizar mejoras específicas del producto, entre ellas:

Aumentar las características químicas y físicas de las materias primas metálicas puede afectar la capacidad de un proceso de fabricación aditiva para producir de manera fácil y repetible ciertas geometrías. Además, estas características pueden tener importantes efectos no intencionales en la microestructura y las propiedades mecánicas del material construido. Al reconocer estos riesgos, es importante incluir varios enfoques por etapas para evaluar cómo las características de la materia prima influyen en la calidad del material, tanto en su forma provisional como final. La densidad y la microestructura del material pueden tener una influencia significativa en la inspeccionabilidad, la tolerancia al daño y la certificación. La composición química y las características físicas también pueden provocar defectos que resulten en una calidad del material inaceptable. Los esfuerzos de desarrollo deben considerar estos factores, ya que pueden causar grietas u otras discontinuidades.

La composición química de un material afecta los mecanismos de fortalecimiento y puede requerir un posprocesamiento para promover microestructuras y propiedades mecánicas deseables, y los esfuerzos de desarrollo de aleaciones a menudo requieren una comprensión de cómo los materiales AM pueden necesitar un posprocesamiento efectivo. Es importante darse cuenta de que la condición de la superficie y la composición química de un material también pueden afectar el rendimiento de los recubrimientos posteriores. La calificación y certificación no sólo requerirán pruebas de materiales sino que también podrían incluir pruebas a nivel de subsistemas y sistemas. Además, la cantidad y el costo de las pruebas pueden variar debido a la criticidad de la aplicación. Todos estos factores deben considerarse al evaluar el desarrollo de la aleación AM, ya que pueden afectar sustancialmente el proceso general.

Los riesgos de desarrollo pueden abordarse identificando relaciones materiales entre proceso, estructura y propiedad. Se anima a los investigadores e ingenieros a evaluar la evolución microestructural del material y desarrollar una comprensión de los mecanismos que afectan el rendimiento y la conformidad del material debido a la AM y el posprocesamiento. En muchos casos, el desarrollo y la calificación de materiales requerirán un análisis de las propiedades mecánicas del material más allá de las propiedades de tracción y se recomienda que estos estudios tengan una base estadística. Ejemplos de propiedades físicas y mecánicas de materiales que pueden requerir evaluación incluyen oxidación, desgaste, crecimiento de grietas por fatiga y ruptura por fluencia/tensión.

Además de los riesgos de desarrollo, las vulnerabilidades de las cadenas de suministro y adquisiciones también son motivo de preocupación. Dependiendo del tipo de material (composición y forma del material [alambre, polvo]) que se esté desarrollando, es importante reconocer los límites potenciales a las cantidades de materia prima fácilmente adquiridas y el costo unitario relativamente alto de ciertos materiales, todos ellos factores que pueden poner en peligro el desarrollo. presupuesto del proyecto y cronograma.

La capacidad para procesar fácilmente nuevos materiales en desarrollo también puede ser limitada. Ciertos materiales no mostrarán compatibilidad con todas las modalidades de AM y, además, algunos pueden requerir capacidades de posprocesamiento sustancialmente nuevas que tienen una capacidad limitada. Con el tiempo, será necesario integrar nuevos materiales en la cadena de suministro nacional con una fuerza laboral calificada para respaldar las operaciones.

Dado el estado actual de la cadena de suministro de AM nacional y el interés del gobierno de EE. UU. de utilizar ampliamente las tecnologías de AM para diversas necesidades de capacidad, es oportuno y está garantizado que identifiquemos oportunidades de inversión que acelerarán el desarrollo y la calificación de aleaciones de AM para reforzar la competitividad de la fabricación. La evidencia recopilada por America Makes sugiere que se debe priorizar el desarrollo de los siguientes materiales en el corto plazo:

Al reconocer los beneficios, oportunidades y desafíos que enfrenta el desarrollo de nuevas aleaciones de AM, America Makes ha identificado seis áreas de inversión estratégica que incluyen:

Estas áreas de enfoque establecerán capacidades nacionales para identificar, desarrollar y escalar fácilmente nuevas aleaciones de metales económicamente viables, limitar los riesgos de integración y fomentar la transición dentro de nuestra base industrial de fabricación existente. Estos esfuerzos también reforzarán el conocimiento y la experiencia de la cadena de suministro de fabricación de metales existente para producir materiales avanzados.

Brandon Ribic Obtuvo su licenciatura y doctorado en Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad Estatal de Pensilvania. Su tesis doctoral se centró en el modelado numérico de procesos de soldadura por fusión, lo que ha resultado muy útil para sus esfuerzos en el desarrollo y calificación de procesos de fabricación aditiva de metales con láser.

El Dr. Ribic se unió a NCDMM en octubre de 2019 como Director de Tecnología de America Makes. Impulsado por el Centro Nacional de Fabricación y Mecanizado de Defensa (NCDMM), America Makes es el acelerador nacional de AM y el primero de nueve Institutos de Innovación en Manufactura (MII) establecidos y administrados por el Departamento de Defensa de EE. UU. (DoD) como asociaciones público-privadas. . Es responsable de la elaboración de la hoja de ruta de tecnología AM del Instituto, así como de liderar los esfuerzos de America Makes en la colaboración de estandarización de fabricación aditiva con ANSI.

Antes de unirse a NCDMM, Brandon era especialista en procesos de unión y materiales de fabricación aditiva en Rolls-Royce Corporation. Lideró los esfuerzos del Centro de Tecnología de Materiales en el modelado de procesos de fabricación aditiva (AM) y el monitoreo de procesos in situ. Su investigación se centró en procesos de soldadura y fabricación aditiva para diversos componentes de motores de turbinas de gas con superaleaciones de titanio y níquel. Uno de sus logros más notables es desarrollar, calificar y producir (TRL 7) con éxito la primera reparación CMSX-4 AM para Rolls-Royce.

America Makes es la asociación público-privada líder del país para la tecnología y la educación de fabricación aditiva (AM). America Hace que los miembros de la industria, el mundo académico, el gobierno, la fuerza laboral y las organizaciones de desarrollo económico trabajen juntos para acelerar la adopción de la fabricación aditiva y la competitividad manufacturera global del país. Fundado en 2012 como el instituto nacional de innovación en fabricación para AM del Departamento de Defensa y el primero de la red Manufacturing USA, America Makes tiene su sede en Youngstown, Ohio, y está administrado por el Centro Nacional de Fabricación y Mecanizado de Defensa (NCDMM), una organización sin fines de lucro. . Visite americamakes.us para obtener más información.