White Paper 1: Enfoque novedoso para aumentar la productividad de LPBF

White Paper 1: Enfoque novedoso para aumentar la productividad de LPBF

ArcelorMittal Global Research and Development
Mayo 2023

Introducción

Laser Powder Bed Fusion (LPBF) es la tecnología de fabricación aditiva más utilizada para producir piezas metálicas, capa por capa. Dado el importante gasto de capital que implica la instalación de una máquina LPBF, aumentar la productividad del proceso es un factor crítico para reducir significativamente los costos de producción de las piezas fabricadas aditivamente.

Un enfoque común para tratar de definir las condiciones de impresión más productivas para un material determinado es imprimir cubos de densidad en diferentes condiciones y crear mapas de densidad versus densidad de energía volumétrica (VED). Se toma una densidad suficiente como indicador de calidad, mientras que se espera que el VED más bajo proporcione la tasa de construcción más rápida.

Motivación

Desde 2018, el departamento de I+D de ArcelorMittal ha estado explorando el potencial de la fabricación aditiva para optimizar la producción de repuestos, a menudo críticos, y consumibles utilizados en las operaciones de fabricación de acero de ArcelorMittal. Estas piezas fueron diseñadas originalmente desde una perspectiva de fabricación convencional, que a menudo resultaba en ensamblajes complejos debido a las limitaciones de los procesos.

El enfoque de la investigación se definió a lo largo de dos líneas de acción principales. El primero era reemplazar o reparar piezas donde el tiempo de entrega y el costo de la fabricación aditiva fueran competitivos con los métodos de producción tradicionales. El segundo fue profundizar en las áreas de aplicación e identificar (sub)conjuntos que podrían rediseñarse para beneficiarse de algunas o todas las ventajas de la fabricación aditiva, a saber, consolidación de piezas, peso ligero, rendimiento mejorado, mayor funcionalidad y ahorro de material. Inicialmente, se pudieron identificar pocas aplicaciones en las que LPBF pudiera ser competitivo en tamaño y costo frente a opciones de suministro alternativas.

Posteriormente, se inició una línea de investigación dedicada a aumentar la productividad y calidad de LPBF ajustando los parámetros del proceso y las estrategias de impresión. El objetivo era probar los límites de LPBF e identificar si se podía lograr una mejora de costos suficiente para justificar el uso de la tecnología en una gama más amplia de aplicaciones.

Dado que los parámetros de procesamiento cambian con el material que se procesa, el trabajo cubrió los grados de acero que se usan más comúnmente en la fabricación aditiva, a saber, 316L, 17-4PH, M300 y H13. Si bien el primer enfoque fue utilizar el análisis VED/densidad, pronto quedó claro que esto no conduciría a ganancias suficientes de productividad. Además, no abordó cuestiones como la reducción de tensiones residuales, la mejora de la rugosidad de la superficie o la mejora de las propiedades mecánicas.

Se descubrió que otros factores, pero especialmente la estrategia de impresión, influyen para lograr la máxima productividad en términos de tasa de construcción en centímetros cúbicos por hora. A partir de estos hallazgos, se propone una nueva metodología para la optimización del proceso LPBF, que es la que actualmente utiliza ArcelorMittal para evaluar piezas para la producción en serie.