A medida que la fabricación aditiva por arco con hilo (WAAM) sigue ganando terreno en las aplicaciones industriales, hay una pregunta que se plantean constantemente tanto los ingenieros como los diseñadores: «¿Cómo debo diseñar piezas específicamente para WAAM?»
El diseño para la fabricación aditiva (DfAM) ya es una disciplina en constante evolución, pero la WAAM añade su propio nivel de complejidad y oportunidades. A diferencia de los sistemas de lecho de polvo, MX3D, con los sistemas M1 y MX y la tecnología WAAM, es capaz de producir grandes componentes metálicos estructurales con excelentes propiedades mecánicas y un desperdicio . Pero esa capacidad conlleva una nueva serie de principios de diseño que deben tenerse en cuenta desde el principio.
En este artículo, exploraremos los conceptos básicos de DfAM para WAAM, incluyendo consideraciones geométricas, comportamiento de deposición y consejos de aplicaciones industriales reales. Tanto si imprime una brida para un recipiente a presión, un soporte estructural o una pieza de repuesto única, estos conocimientos le ayudarán a sacar el máximo partido a WAAM.
Comprender el proceso WAAM: ¿qué lo hace diferente?
El WAAM es una forma de deposición de energía dirigida (DED) que utiliza un arco eléctrico para fundir el alambre metálico de alimentación, construyendo piezas capa a capa con la ayuda de un sistema robótico multieje. Esta configuración permite producir piezas metálicas grandes, resistentes y complejas , pero el comportamiento térmico, la resolución de las capas y el control del movimiento son bastante diferentes de los de la fusión en lecho de polvo (como SLM o EBM).
WAAM suele utilizar un ancho de cordón de entre 2 mm y 10 mm, dependiendo de la boquilla, el material y los ajustes. Es necesario tener muy en cuenta el espesor de las paredes, los ángulos de saliente y los tiempos de enfriamiento para evitar deformaciones, hundimientos o una fusión incompleta. Sin embargo, cuando se diseña correctamente, el WAAM puede imprimir piezas que se acercan a la forma final, requieren un soporte mínimo y son lo suficientemente resistentes para aplicaciones estructurales o sometidas a presión.
Esto significa que el DfAM para WAAM no se centra tanto en estructuras reticulares delicadas como en una geometría robusta y funcional que sea térmicamente estable y fácil de mecanizar posteriormente.
Consideraciones clave de diseño para el éxito de WAAM
Diseñar teniendo en cuenta el WAAM significa comprender las realidades del movimiento robótico, el comportamiento de la soldadura y el flujo de calor. Estos son los factores más importantes a tener en cuenta:
1. Espesor de pared y apilamiento de cordones
El proceso WAAM es ideal para perfiles macizos y huecos con espesores de pared superiores a ~5 mm. Las características muy delgadas son difíciles de mantener de forma consistente debido al ancho del cordón de soldadura y a la disipación térmica. Como regla general:
- Para obtener los mejores resultados, mantenga un grosor de entre 5 y 40 mm en las paredes.
- Evite salientes innecesarios o bordes afilados.
2. Orientación y estrategia de construcción
La orientación de la pieza influye en la capacidad de impresión, la acumulación de calor y los requisitos de soporte. Diseñe la pieza de manera que se pueda imprimir en una posición que minimice las características sin soporte. Por ejemplo:
- Las estructuras verticales con sección transversal constante son más fáciles de imprimir.
- Evite salientes horizontales pronunciados de más de ~30-45° sin soporte.
- Divida las partes grandes en varios segmentos si es necesario.
De MX3D MetalXL de MX3D permite una planificación inteligente de la trayectoria y la optimización de la estrategia de impresión, pero el diseño base sigue siendo importante.
3. Tolerancia de mecanizado
Las piezas WAAM suelen someterse a un posprocesado para alcanzar tolerancias estrictas o un acabado superficial óptimo. Asegúrate de que tu diseño incluya sobremedidas de mecanizado en las zonas que lo requieran:
- Planitud
- Agujeros o perforaciones
- Superficies de sellado
- Características roscadas
Dependiendo del material y la geometría de la pieza, prevea un exceso de material de entre 1 y 3 mm en las zonas de mecanizado.
4. Estrés térmico y distorsión
Dado que el proceso WAAM deposita el metal fundido en capas, las piezas de gran tamaño pueden acumular una cantidad considerable de calor. Los diseños deben tener en cuenta la deformación térmica , especialmente en superficies largas y planas o en paredes verticales delgadas. Para reducir la tensión residual:
- Añadir nervaduras o refuerzos a las zonas delgadas.
- Evite cambios bruscos en la sección transversal.
- Considerar la simetría en estructuras grandes.
¿Qué tipos de geometría funcionan mejor para WAAM?
El punto fuerte de la WAAM reside en su capacidad para producir geometrías grandes y resistentes a cargas que resultarían caras o poco prácticas de fundir, forjar o mecanizar. Entre las geometrías ideales se incluyen:
- Cilindros o conos de paredes gruesas (rastrillos, boquillas, bridas, tubos ascendentes)
- Perfiles en U y vigas (por ejemplo, estructuras marítimas, soportes)
- Estructuras curvas o de forma libre que siguen formas orgánicas
- Piezas de recambio que deben reproducir la geometría original sin necesidad de herramientas
¿Qué no es ideal? Los detalles muy finos, los canales internos o las secciones extremadamente delgadas se adaptan mejor a la fusión por lecho de polvo.
Si la pieza se va a soldar o se va a montar posteriormente, considere integrar uniones, redondeos o chaflanes directamente en el diseño para reducir los pasos de fabricación adicionales.
Para ver comparativas detalladas: WAAM frente a fundición y forja | WAAM frente a la impresión 3D por láser | ¿Es rentable el WAAM?
Ejemplos de diseños de piezas optimizados con WAAM
En MX3D, hemos ayudado a nuestros clientes a diseñar e imprimir una amplia variedad de piezas optimizadas para WAAM, entre las que se incluyen:
- Impulsores con álabes gruesos y simetría de rotación optimizada
- Bridas submarinas con superficies de sellado mecanizadas integradas
- Soportes marítimos con recortes ligeros y amplias zonas de montaje planas
- Los soportes marinos están diseñados con pasacables y un espesor de pared uniforme
Cada una de estas piezas se benefició de un proceso de diseño que tuvo en cuenta desde el principio el alcance robótico, el comportamiento del baño de soldadura y las operaciones de acabado.
Errores de diseño que se deben evitar en WAAM
Aunque WAAM es potente, ignorar sus principios básicos puede provocar impresiones fallidas o reelaboraciones innecesarias. Entre los errores de diseño más comunes se incluyen:
- Elementos salientes que no pueden sostenerse durante la deposición
- Las esquinas internas afiladas que provocan acumulación de calor y agrietamiento
- Geometrías complejas con zonas inaccesibles para el posprocesamiento
- La falta de zonas de mecanizado , lo que dificulta alcanzar las tolerancias deseadas
Estos problemas suelen detectarse en una fase temprana mediante la revisión del diseño o la simulación, servicios que MX3D ofrece habitualmente para ayudar a los clientes a pasar del concepto a las piezas listas para imprimir.
El diseño es la clave del éxito de WAAM
La fabricación aditiva por arco eléctrico ofrece un potencial increíble para fabricar piezas metálicas de calidad industrial a gran escala, y MX3D ofrece un servicio de impresión bajo demanda las 24 horas del día, los 7 días de la semana junto con máquinas de gran capacidad. Pero, como cualquier proceso de fabricación, la WAAM funciona mejor cuando el diseño aprovecha sus puntos fuertes y evita sus limitaciones.
Al centrarse en geometrías robustas, orientaciones fáciles de imprimir y superficies listas para el mecanizado, los ingenieros pueden aprovechar todo el potencial de la WAAM: plazos de entrega más cortos, menos residuos y mayor libertad en la producción de componentes de gran tamaño.
Tanto si está adaptando una pieza existente para WAAM como si está diseñando algo nuevo desde cero, MX3D está aquí para ayudarle. Desde comprobaciones de viabilidad hasta asistencia completa en DfAM e impresión, nuestro equipo puede guiarle en cada paso del proceso.
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