Desarrollo de un sistema de monitorización y control para el proceso de aporte metálico por láser basado en la digitalización tridimensional de la geometría

El principal objetivo de esta tesis es desarrollar una metodología robusta de monitorización y control del proceso de aporte, Laser Metal Deposition (LMD), que permita reducir el tiempo y coste de fabricación y aumente la calidad de las piezas fabricadas. Con este propósito, se plantea el desarrollo de una metodología de medición y corrección geométrica durante el proceso.

El proceso LMD cuenta con numerosos parámetros, tanto de entrada como de proceso, que influyen en el resultado de la pieza fabricada, lo que lo convierte en un proceso complejo. En ocasiones, la elección de los parámetros de entrada óptimos es el resultado de una serie de ensayos de prueba y error o de un gran número de ensayos basados en un diseño de experimentos. Sin embargo, la gran sensibilidad de las condiciones de fabricación ante pequeñas variaciones en los parámetros de entrada puede provocar que estos ensayos se alarguen en exceso, o incluso que las condiciones supuestas como adecuadas como resultado de una experimentación previa sobre una geometría simplificada no sean apropiadas en el aporte de la pieza definitiva.

Por esta razón la monitorización y el control del proceso es un aspecto necesario para garantizar la fabricabilidad y calidad las piezas fabricadas. A la vista del estado del arte presentado en la tesis, se destaca la necesidad de desarrollar nuevos controles in-situ para controlar el proceso en lazo cerrado y detectar discontinuidades en el material aportado. Esto es debido a que, aunque los módulos de monitorización ya se incorporen en la mayoría de las máquinas de fabricación aditiva comerciales, en muchos casos se trata de medidas off-line en las que la información se almacena para un posterior análisis. Es importante introducir técnicas que permitan dar robustez al proceso LMD y llegar a construir piezas fiables para su implementación en la industria. Por otro lado, las correcciones de los parámetros que afectan el resultado final deben hacerse en el momento que se está aportando material, para garantizar la integridad estructural y dimensional de los productos terminados, por lo que la monitorización y control del proceso juega un papel fundamental.

Este trabajo se ha enfocado en la monitorización geométrica del proceso, por ser un aspecto menos desarrollado que la monitorización térmica. Para ello, se ha desarrollado una metodología de digitalización basada en la proyección de luz estructurada y de corrección de la altura de aporte de la pieza de forma robusta, simple e independiente de la dirección de aporte, para así aumentar la estabilidad del proceso. Algunos de los aspectos tratados son la detección y corrección de las desviaciones de altura, el control de la geometría aportada en el propio sistema de fabricación, la detección de las inestabilidades en el aporte o la minimización de la aparición de defectos internos.

La metodología desarrollada ha sido validada tanto en el proceso LMD con aporte de polvo como de hilo metálico. Las piezas fabricadas han sido digitalizadas mediante la incorporación de escáneres de medida tridimensional en el entorno de fabricación, para posteriormente aplicar variaciones sobre los parámetros de entrada del proceso, como la altura de capa, el ajuste de la posición del robot al crecimiento real de la pieza o la variación de la tasa de aporte de material en función de la altura local en cada zona de la pieza. Por último, tanto la medida de las piezas como las correcciones han sido introducidas de manera automática durante el proceso, haciendo uso de un protocolo de comunicación entre el sistema de fabricación y una aplicación informática desarrollada, garantizando así el adecuado ritmo de producción.