Welding Journal en Espanol

La soldadura robótica y las aplicaciones de procesos de soporte afines siguen creciendo para cubrir las brechas laborales y mejorar la competitividad. Una tendencia actual en la soldadura robótica es el auge de la fabricación aditiva (AM) mediante deposición de energía dirigida por arco robótico (DED). La DED es una categoría de AM que fabrica piezas mediante el apilamiento de depósitos de soldadura utilizando equipos de soldadura por fusión por arco, láser o haz de electrones. En esencia, este proceso solo produce piezas con una forma casi final, por lo que se requiere otro posproceso como rectificado y mecanizado. Estos procesos se han implementado de forma robótica en varios sistemas de EWI (una consultoría de ingeniería independiente con sede en Columbus, Ohio, con laboratorios integrales y recursos de tecnología de fabricación avanzada dedicados al desarrollo y mejora de procesos de producción) para aplicaciones de construcción naval.

El software DED de fabricación asistido por computadora (CAM) puede generar planes de construcción rápidamente. El DED CAM está desarrollado para sistemas automatizados de 3 a 5 ejes y se puede configurar para sistemas robóticos con 6 a 11 ejes o más de movimiento coordinado. La aplicación de soluciones robóticas DED presenta un nuevo paradigma para el diseño y la fabricación de piezas. Además de construir piezas con forma casi final que se pueden producir tradicionalmente mediante fundición y forjado, el DED robótico puede agregar características a los componentes y automatizar la reparación. La EWI ha convertido 11 sistemas de soldadura robótica comercial dentro de instalaciones en sistemas DED utilizando el software CAM Autodesk PowerMillTM (Fig. 1), así como varios sistemas fuera de la EWI. PowerMill tiene una gama completa de solucionadores y herramientas de mecanizado multieje para inspección en proceso y posproceso. Utilizando estas capacidades, se está desarrollando la fabricación digital robótica multiproceso inteligente, también conocida como fabricación convergente, para una amplia gama de aplicaciones (Refs. 1–3).

Una plataforma de fabricación convergente (Ref. 1) es un sistema que combina sinérgicamente materiales y procesos heterogéneos (por ejemplo, aditivos, sustractivos y transformativos) en una sola plataforma. Esta plataforma utiliza herramientas de fabricación digital, modelos e informática para impulsar el hilo digital entre operaciones. Los procesos de transformación incluyen la modificación de superficies (limpieza, recubrimiento, granallado) y el tratamiento térmico in situ (endurecimiento de superficies, recocido, etc.). Las celdas multiproceso pueden mejorar significativamente la calidad final de una pieza, así como aprovechar el proceso de fabricación adecuado para cumplir con los requisitos de material y las tolerancias geométricas.

Transformación de un sistema para su uso en la fabricación convergente digital

Como parte de un Programa Nacional de Investigación de Construcción Naval (NSRP) (Refs. 2, 3) y proyectos comerciales aliados destinados a madurar e implementar tecnologías de fabricación digital para la construcción naval, la EWI se asoció con DSI (Design & Software International) para desarrollar gemelos digitales para robots Fanuc, OTC, Yaskawa, ABB y Cloos (Fig. 1). Todos estos sistemas utilizan fuentes de alimentación de pulso de arco metálico de gas controlado por forma de onda (GMA-P), alimentación de alambre reciprocante (GMA-RWF) o tándem (GMA-T). Todos los sistemas también utilizan un pirómetro óptico o una cámara infrarroja para controlar la temperatura entre pasadas para adaptarse a los requisitos de fabricación de soldadura. Para cada sistema, se utilizó PowerMill para crear un gemelo digital cinemático del sistema y desarrollar un posprocesador para generar un código específico de la máquina. El primer paso en este proceso fue establecer un modelo de diseño asistido por computadora (CAD) de definición de máquina para crear el gemelo digital cinemático. Una vez creado el gemelo digital cinemático para cada sistema, se desarrollaron y calibraron los posprocesadores para ejecutar programas en los sistemas robóticos físicos. Se desarrollaron gemelos digitales para sistemas de soldadura robótica de 6, 8, 9 y 11 ejes. Se crearon modelos de efectores finales para diferentes antorchas y herramientas de husillo según la capacidad del sistema. PowerMill está diseñado para ser independiente de la máquina y permite la conversión de cualquier sistema de soldadura robótica en un sistema DED. Los planes de trayectoria de herramientas desarrollados en PowerMill también se pueden transferir de una celda a otra, siempre que las configuraciones del proceso se repliquen utilizando configuraciones de proceso similares o modelado de la entrada de energía y calor.

En la EWI, los planes de construcción con un robot determinado y una configuración GMA se han transferido a diferentes marcas de robots que utilizan la misma fuente de alimentación e incluso a otras fuentes de alimentación calibrando las características de fusión de procedimiento-característica del modelo de deposición paramétrica GMA. Las configuraciones como la altura del cordón, el ancho del cordón y la dilución del metal de depósito se replican entre sistemas para permitir que se utilicen diferentes fuentes de energía según la necesidad y la disponibilidad. El poder de este flujo de trabajo es que cualquier sistema de soldadura robótica comercial puede transformarse en un sistema de fabricación digital.

La demostración final de este proyecto fue la integración y el desarrollo de un sistema de posicionador y pórtico robótico de alta capacidad de 11 ejes personalizado (Fig. 2) para fabricación híbrida y DED GMA-P y GMA-RWF multiproceso de gran formato. El sistema fue diseñado, integrado e instalado por Navus Automation, Knoxville, Tennessee. El sistema ofrece un volumen de construcción de soldadura y DED de 8 a 10 pies de alto × 14 pies de ancho × 30 pies de largo. El robot se instaló con cambiadores de herramientas de la marca ATI para permitir cambios de herramientas en proceso entre una fuente de alimentación Fronius TPS 500i, una fuente de alimentación Lincoln Power Wave® S500 y un husillo PushCorp de 5 hp. El sistema también incorporó una estación de mantenimiento de antorcha Abicor Binzel e intercambio de cuello para respaldar construcciones de alto rendimiento sin luces. Fue diseñado para capacidades multiproceso, acabado in situ de características, fabricación por arco DED y reparación de estructuras grandes. El gemelo digital del sistema se utilizó para depositar una pala de hélice oblicua de 42 pulgadas de alto (Fig. 3) utilizando procedimientos demostrados con construcciones de calificación estándar representativas de acuerdo con los requisitos de NAVSEA S9074-A4-GIB-010/AM-WIRE DED, Requisitos para fabricación aditiva por deposición de energía dirigida por metal (Refs. 4, 5). El sistema se está utilizando actualmente para varios proyectos de I+D asociados con la tecnología de fabricación convergente, el desarrollo de trayectorias de herramientas de deposición alineadas por gravedad utilizando los 11 ejes (Ref. 6) para maximizar la calidad de la superficie y otras construcciones por arco DED a gran escala. Se desarrollaron gemelos digitales de antorchas utilizadas tanto en fuentes de alimentación como en el husillo PushCorp y se están utilizando para la fabricación híbrida multiproceso de geometrías de arco-DED (Fig. 4). Las futuras actualizaciones para este pórtico incluyen la instalación de un cabezal DED de láser de polvo TRUMPF para una fidelidad fina de las características, lo que brinda de manera efectiva cuatro procesos diferentes (tres aditivos, uno sustractivo) en un solo sistema, además de esfuerzos en curso para implementar capacidades de inspección y control en proceso.

Fabricación de hélices DED comerciales

Como ejemplo del impacto de este trabajo inicial, se está utilizando un programa NSRP de seguimiento (Ref. 3) para calificar los procesos y certificar a WildCat Propellers Inc. en Chesapeake, Virginia, para la fabricación DED de hélices de bronce de níquel y aluminio (NAB). Para respaldar la instalación, un banco de pruebas de sistema robótico multiproceso de 9 ejes Cloos en la EWI se ha convertido en un sistema DED. Este sistema tiene tres procesos de soldadura (movimiento (un proceso de alimentación de alambre alternativo), soldadura por arco metálico con gas (GMAW) y GMAW en tándem) para maximizar la asequibilidad de la deposición de características finas a gruesas. En Wildcat se está instalando un sistema robótico similar de 9 ejes con un posicionador de 1 tonelada métrica para producir hélices NAB de hasta 6 pies de diámetro, y se planea un sistema mucho más grande para hélices de más de 12 pies. Este proyecto se está coordinando con las partes interesadas de NAVSEA y American Bureau of Shipping para desarrollar datos de diseño de material AM de metal NAB aprobados, establecer procesos de gestión de calidad de prototipos que cumplan con los estándares de ambas organizaciones (Refs. 4, 7) y calificar los procedimientos para hélices fabricadas por DED. Además, la EWI está desarrollando modelos de construcción alineados con la gravedad y sensores de gestión dimensional y sistemas de control para máxima calidad y productividad.

Conclusión

Se espera que las herramientas de fabricación digital que habilitan los sistemas CAM robóticos crezcan para satisfacer las necesidades emergentes de aplicaciones de producción y reparación de piezas marinas de gran formato. El futuro de la fabricación robótica está haciendo converger muchos procesos diferentes para brindar modularidad, reconfigurabilidad y portabilidad sin precedentes. El trabajo futuro incluye el monitoreo avanzado del proceso, del grupo de deposición y de la geometría del depósito para permitir la calidad por primera vez mediante el uso de aprendizaje automático y otros métodos de datos de inteligencia artificial.

Agradecimientos

Numerosas organizaciones han contribuido al desarrollo de las capacidades robóticas de DED descritas en este documento. Se agradecen las contribuciones de las siguientes: Jon Caliguri y Luke Davidson, DSI; Buck Barber (ex director ejecutivo) y Jim Perry, Navus Automation; Doug Zoller y Mike Moore, Cloos Robotic Welding; Mark Scherler, Fanuc Robotics America; Chris Anderson, Yaskawa America Inc.; y Tom Graham, Abicor Binzel USA. EWI también desea agradecer a otros miembros del personal que participaron en este trabajo, incluidos Jason Rausch, Travis Peterson, Stacey Smith, Josh Shoemaker y Joseph Getgen.

Referencias

1. Fabricación convergente: un futuro de fabricación aditiva, sustractiva y transformativa. Procedimientos de un taller. Washington, D.C.: The National Academies Press.

2. Programa Nacional de Investigación de Construcción Naval. Robotic Arc DED AM para la construcción naval. Anuncio de investigación (RA) proyecto No.2019-375-004, julio de 2019–junio de 2021. Recuperado de nsrp.org/project/robotic-arc-directed-energy-deposition-additive-manufacturing-for-shipbuilding-2019-375-004.

3. Programa Nacional de Investigación de Construcción Naval. Fabricación y reparación de componentes marinos mediante deposición de energía dirigida por arco robótico. Anuncio de investigación (RA) proyecto No.2019-375-012, mayo de 2023–abril de 2025 (en curso).

4. NAVSEA. 2021. S9074-A4-GIB-010/AM-WIRE DED, Requisitos para la fabricación aditiva mediante deposición de energía dirigida por metal.

5. Harwig, D. D., Mohr, W., Kapustka, N., Hay, J., Carney, M., Hovanec, S., Handler, E., Farren, J., Rettaliata, J. y Hayleck, R. 2021. Cartera de esquemas de calificación de procedimientos para la fabricación aditiva por deposición de energía dirigida por metales. Artículo leído en las Actas de la NDIA del Simposio de Ingeniería y Tecnología de Sistemas de Vehículos Terrestres (GVSETS), Novi, Michigan, del 10 al 13 de agosto de 2021. Recuperado de gvsets.ndia-mich.org/publication.php?documentID=832.

6. McNeil, J. L. 2022. Planificación de trayectorias de segmentos no alineados por gravedad (NGA) en direcciones arbitrarias para la fabricación aditiva de metales a gran escala (LSAMM). Tesis doctoral, Universidad de Tennessee. Recuperado de trace.tennessee.edu/utk_graddiss/7081.

7. American Bureau of Shipping. 2022. Requisitos para la fabricación aditiva.