Producción

Apr 27, 2024

Durante el proceso de construcción de AM, el software Assure de Velo3D rastrea una validación capa por capa de la atmósfera, los consumibles y el estado del lecho de polvo para permitir la calidad de las piezas. Imagen cortesía de Velo3D.

A medida que crece el caso de la fabricación aditiva a escala de producción, un punto conflictivo es la consistencia y calidad de las piezas impresas en 3D, especialmente para industrias altamente reguladas como la aeroespacial y la defensa. Sin embargo, los avances en los sistemas de monitoreo de hardware y el software de control de procesos, junto con las innovaciones emergentes en inteligencia artificial (IA) y monitoreo in situ, están comenzando a mitigar los obstáculos persistentes relacionados con la calidad, despejando el camino hacia una adopción más generalizada de la fabricación aditiva (AM).

El control de calidad es un problema en todos los métodos de fabricación, pero la fabricación aditiva tiene preocupaciones diferentes y más desafiantes. A diferencia de un proceso de fabricación tradicional como el fresado controlado numéricamente por computadora (CNC), donde el material permanece homogéneo en todo momento, la AM crea piezas y materiales simultáneamente. Por lo tanto, las piezas fabricadas con métodos de fabricación tradicionales se producen con mayores niveles de consistencia una vez que se establecen y verifican ciertos estándares de materiales. En comparación, la fabricación aditiva es más susceptible a la variabilidad de piezas y materiales dada la doble función de la tirada de impresión.

"Con AM, puedes probar una geometría y obtener ciertos parámetros del material y luego imprimir correctamente una pieza diferente y obtener diferentes propiedades del material", dice Niall O'Dowd, fundador y director ejecutivo de Phase3D, que comercializa una solución de inspección de calidad en tiempo real. Control de piezas impresas en 3D. "Diferente orientación de las piezas en una cámara de construcción, impresión en diferentes ubicaciones físicas, incluso diferentes personas orquestando un trabajo de impresión: esas variables influyen en las propiedades del material y el rendimiento de la pieza de maneras que son complejas y no se comprenden bien en toda la industria".

La falta de estándares de calidad de impresión 3D universalmente reconocidos, junto con un grupo limitado de expertos adecuadamente capacitados en prácticas de control de calidad para tecnologías de AM aún relativamente incipientes, han agravado el problema y continúan siendo un lastre para la adopción de la AM a escala de producción. A medida que la AM madura, las nuevas capacidades están solucionando algunos de los problemas de garantía de calidad (QA), sin embargo, la mayoría de los sistemas actuales aún no han sido diseñados con un nivel de control y validación de procesos que se preste a un control de calidad formal y estandarizado, dicen los expertos.

La falta de estándares acordados hace que los primeros en adoptar tecnologías de fabricación aditiva en industrias como la aeroespacial, la automotriz y la de dispositivos médicos tengan la responsabilidad de crear sus propios sistemas y procesos de gestión de calidad personalizados. Sin duda, las prácticas personalizadas de control de calidad hacen el trabajo, pero no son fácilmente transferibles entre colaboradores de la industria e incluso dentro de diferentes departamentos y ubicaciones de fabricación dentro de una sola empresa.

Muchas empresas están recurriendo a la fabricación aditiva como método de producción, en parte para realizar una fabricación más localizada y resolver los desafíos de la cadena de suministro, que surgieron durante la pandemia. Pero establecer e implementar prácticas de control de calidad personalizadas es costoso y requiere mucho tiempo, lo que en muchos casos anula los beneficios de la cadena de suministro de la fabricación aditiva de grado de producción.

"Todo este escenario está obstaculizando la adopción", dice O'Dowd. "Las empresas adoptaron la fabricación aditiva para abordar los problemas de la cadena de suministro y obtener piezas rápidamente, pero si tienen que pasar un mes o más probando una pieza, realmente puede afectar el cronograma".

Los pedidos de capacidades mejoradas de control de calidad para impresoras 3D están resonando, especialmente entre los proveedores en el espacio de fabricación aditiva de metales y aquellos con sistemas dirigidos a aplicaciones de grado de producción. Muchos fabricantes de impresoras 3D están mejorando sus plataformas con cámaras integradas, tecnologías ópticas y algoritmos de visión artificial para mejorar el control de la impresora; otros están introduciendo capacidades de monitoreo in situ, que monitorean los trabajos de impresión capa por capa en tiempo real para detectar anomalías y potencialmente iniciar acciones para evitar el desperdicio de materiales, tiempo y costos.

El mayor uso de una simulación más potente en las primeras etapas de la etapa de diseño también está ganando popularidad como forma de promover prácticas de diseño para FA (DfAM) que mejoren la calidad de las piezas. Al mismo tiempo, las plataformas de software DfAM y de gestión de calidad se mejoran continuamente para facilitar la detección de anomalías, planificar construcciones más efectivas y permitir controles más granulares del hardware de impresión avanzado para ajustar los parámetros de impresión.

Phase3D, por ejemplo, ofrece Fringe, un sistema que se conecta a cualquier impresora 3D a base de polvo y emplea luz estructurada para detectar anomalías a través de mapas de altura del polvo y las capas fundidas. Fringe muestra anomalías en la impresión 3D utilizando datos de altura objetivos y cuantificables, lo que ayuda a los fabricantes a detectar anomalías y permite procesos calibrados y repetibles en comparación con otras ofertas que son menos transparentes.

"Esta no es una imagen o una red neuronal de caja negra que dice que hay una sombra aquí", dice O'Dowd. "Medimos cada capa con la altura de una unidad real, lo que ayuda a las empresas a tener confianza en las rutinas de certificación y estándares de construcción".

Muchas deficiencias del control de calidad pueden estar relacionadas con la aplicación de construcciones y capacidades asociadas con métodos de fabricación tradicionales, como el fresado CNC o los sistemas multieje, a la impresión 3D, una correlación que no se sostiene, particularmente para los sistemas ópticos de fusión de polvo láser más complicados, dice. Zach Murphree, vicepresidente de desarrollo comercial global de Velo3D, que comercializa la familia Sapphire de ofertas de fabricación aditiva de metal totalmente integrada.

Velo3D busca abordar los nuevos desafíos. A nivel de hardware, las impresoras Sapphire cuentan con capacidades de metrología de calibración in situ, lo que somete cada impresión a un proceso completo de calibración óptica capa por capa para garantizar la coherencia de la impresión. Esto se compara con tener ingenieros de servicio de campo realizando mediciones manuales, lo que puede agregar una sobrecarga al proceso.

"Construimos sistemas en la máquina que le permiten autocalibrarse para que pueda cargar la máquina con polvo, presionar un par de botones y dejarla funcionar durante una hora, y calibra el sistema", explica Murphree. Si los láseres comienzan a separarse y parece que la alineación va a fallar, el sistema lo compensará y mantendrá los láseres alineados durante una construcción de varios días, agrega.

Velo3D coloca el mismo conjunto de parámetros en todas sus máquinas y también ofrece un conjunto de parámetros controlado con recetas específicas (incorporadas en su software de preparación de impresión Flow), ambos pasos destinados a ayudar a garantizar que el mismo archivo de impresión se pueda producir de manera consistente con los mismos resultados. en cualquier lugar del mundo.

"Los dos combinados brindan una solución en la que básicamente puedes tomar cualquier pieza que desees imprimir, prepararla con un conjunto de parámetros controlado y distribuirla a una flota global de impresoras y obtener el mismo resultado", afirma.

El software de control y control de calidad Assure permite la visibilidad de cada capa del proceso de construcción, proporcionando informes y documentación accesibles que ayudan a fomentar la confianza en la pieza impresa final.

Proporcionar a los fabricantes de máquinas y fabricantes un mayor control sobre el proceso de construcción es la forma en que Dyndrite, un fabricante de software de impresión 3D de metal para el desarrollo de materiales y procesos, se acerca al control de calidad. Dyndrite Materials & Process Development para la fusión láser de lecho de polvo (LPBF) aprovecha la potencia de las unidades de procesamiento de gráficos y una malla de vóxel para controlar la generación de trayectorias de herramientas de una manera automatizada, garantiza la homogeneidad del material y aborda el desafío de la caja negra.

Este enfoque brinda a los fabricantes control total sobre el proceso de construcción, desde la potencia del láser, la velocidad, la distancia de eclosión, el orden de clasificación, las capas inferiores y otros parámetros basados ​​en la geometría 3D, no en archivos STL triangulados. Los fabricantes desarrollan su propio conjunto de parámetros utilizando Python, lo que hace que las recetas de compilación sean más transferibles.

El software, que Dyndrite concibe como otra capa en el mercado de impresoras y plataformas de gestión de impresión, permite a los clientes crear trayectorias de herramientas mucho más complejas y granulares para sus máquinas, lo que da como resultado piezas de mayor calidad, afirma Stephen Anderson, jefe de relaciones estratégicas de Dyndrite.

"Estamos brindando a la industria una nueva capa de funcionalidad y rendimiento que les permite hacer más y resolver los problemas [de calidad] con escalabilidad y automatización", agrega Shawn Hopwood, director de marketing de Dyndrite. "Hoy en día, es un mercado artesanal que depende del conocimiento tribal".

Las soluciones de software de Oqton apuntan a algunos de los principales problemas de control de calidad que obstaculizan la fabricación aditiva de grado de producción, incluidos procedimientos no estandarizados, componentes de hardware no homogéneos y un ecosistema de proveedores de software que ofrecen herramientas aisladas, muchas de ellas para impresoras específicas. Oqton se está asociando con empresas como 3D Systems y Baker Hughes para ofrecer una cartera de calidad independiente de la máquina que combine inteligencia artificial y simulación basada en la física, según Tommaso Tamarozzi, director de monitoreo, inspección y simulación de aditivos en Oqton.

En la etapa de diseño, el software 3DXpert Build impulsado por Amphyon utiliza simulación térmica y mecánica y un solucionador de vóxeles habilitado por GPU para impulsar la construcción de piezas "a la primera", y el software es accesible para expertos en impresión 3D sin experiencia. El paquete de software de monitoreo en proceso de Oqton emplea modelos de inteligencia artificial y datos de sensores de Internet de las cosas para monitorear las construcciones y evitar anomalías que no se pueden predecir de antemano.

Los datos de construcción se visualizan en tiempo real, alertando a los operadores sobre problemas antes de que se termine una pieza. En la etapa de inspección, el módulo Build Insight de 3DXpert analizará los datos posteriores a la impresión de forma visual y, cuando se combinen con resultados de simulación e información de diseño en contexto, los usuarios se acercarán a un análisis de causa raíz con la capacidad de cerrar el ciclo para mejorar la próximos diseños para salida AM, dice Tamarozzi.

Proporcionar a los fabricantes un banco de herramientas que pueda ayudarles a comprender la calidad de las piezas sin la necesidad de cargas de trabajo de metrología costosas y complejas es clave para la estrategia de Stratasys para mejorar la gestión de la calidad y ampliar la AM de grado de producción, según James Page, vicepresidente de software de la compañía. .

Accuracy Center, un módulo clave del software de preparación de impresiones 3D GrabCAD Print Pro, integra la funcionalidad de control de calidad de Riven, que fue adquirida por Stratasys el otoño pasado.

Con Accuracy Center, los ingenieros pueden realizar un escaneo 3D de piezas rápido y sencillo, generando un mapa de calor visual para evaluar la precisión de las piezas.

"Es un primer paso para capacitar a las personas para que comprendan la calidad de las piezas sin tener que esperar a un flujo de trabajo de metrología completo", afirma Page. "En 10 minutos, pueden obtener un mapa de calor que les da una idea de si una pieza pasará por la metrología o, por el contrario, ver si una pieza se deformará gravemente y no perder de 2 días a una semana para obtener resultados".

El algoritmo Warp-Adapted-Models (WAM) de Accuracy Center, basado en la tecnología Riven, busca automáticamente errores o diferencias entre la pieza real producida y el diseño y realiza correcciones, asegurando la precisión de la pieza, dice Page.

Aunque no está directamente en el espacio AM, PhysicsX cree que su trabajo para acelerar masivamente las simulaciones físicas podría aplicarse para resolver algunos desafíos de calidad de la impresión 3D. PhysicsX está cambiando la forma en que se realiza la simulación aprovechando el aprendizaje profundo para permitir simulaciones más rápidas, ampliando la capacidad de iterar más diseños.

Permitir más simulaciones y más rápidas permitiría a los ingenieros tomar decisiones sobre materiales, aligeramiento y acabado de superficies en las primeras etapas del proceso de diseño de forma virtual, garantizando que las piezas estén más cerca de estar listas para imprimir.

"Al probar las primeras piezas del prototipo en el laboratorio para pasar las pruebas, se resuelve gran parte del problema de coherencia", dice Jacomo Corbo, cofundador y codirector ejecutivo de PhysicsX.

La educación, la capacitación y la generación de confianza en los procesos de calidad de AM es otro obstáculo que aún debe superarse. ASTM International, una organización de estándares global, lanzó el programa de certificación Additive Manufacturing Quality (AMQ) para fabricantes y clientes de AM de metal para ayudarlos a demostrar su capacidad para producir piezas con calidad constante. La certificación AMQ promueve el cumplimiento de los requisitos, incluida la implementación de un sistema de gestión de calidad específico de AM, dice Shane Collins, presidente del subcomité F42.07 sobre aplicaciones de AM.

En el estado actual, los procesos de control de calidad de AM exigen experiencia altamente especializada y las capacidades de monitoreo in situ se limitan al monitoreo de condiciones y el estado del sistema. Sin embargo, con el tiempo, las plataformas de control de calidad serán más accesibles para los no expertos y el monitoreo in situ evolucionará hacia controles de circuito cerrado que permitirán que el sistema AM se adapte a las condiciones en tiempo real durante la construcción.

"En 5 a 10 años, la supervisión de procesos y el control de circuito cerrado llegarán al punto en el que no será necesario ser un experto para ejecutar estos procesos, pero todavía no hemos llegado a ese punto", afirma Collins.

Beth Stackpole es editora colaboradora de Digital Engineering. Envíe un correo electrónico sobre este artículo a [correo electrónico protegido].