Modelado cinemático, verificación y compensación de error de sistemas de fabricación aditiva para prototipado rápido

Resumen

Las tecnologías de fabricación aditiva están en auge en los últimos años. Algunas publicaciones generalistas sitúan la impresión 3D como la nueva revolución industrial. Frente a sus innumerables ventajas, como la inmediatez, se presenta su principal inconveniente, la calidad final de las piezas en términos dimensionales y geométricos. Con el fin de minimizar este inconveniente se analizan las técnicas de verificación de sistemas de fabricación y medición, buscando su aplicación a las particularidades de la fabricación aditiva, muy utilizada en prototipado rápido. Estas particularidades, tanto del diseño, como de la fabricación y post procesado son tratadas posteriormente. Se han descrito las etapas en qué consisten las técnicas actuales de fabricación aditiva por capas. En la fase de diseño las piezas son generalmente creadas con sistemas informáticos de CAD (computer assisted design). Incluso, en algunos casos, provienen de procesos de ingeniería inversa como por ejemplo la digitalización por visión artificial. Tras obtener este modelo CAD, los datos han de ser adaptados a un formato compatible con el proceso de fabricación aditiva. Es aquí donde el formato STL (STereoLithography) toma su relevancia quedando establecido como un estándar de la industria y como tal viene explicado. Pese a particularizarse esta tesis a una tecnología de fabricación concreta denominada PolyJet, se describen los principales sistemas de fabricación aditiva. Estos sistemas comparten gran parte de sus características y pueden, por tanto, ser susceptibles de recibir las metodologías propuestas en esta tesis. Toda máquina-herramienta actúa de una u otra forma en función de las cargas a las que se ve sometida y de la configuración y propiedades de la misma. Por lo cual, resulta imprescindible conocer su modelo cinemático. Tras ser descrita la tecnología utilizada en la impresora Objet Eden 350V, se ha desarrollado su modelo cinemático. Este modelo especifica la tipología de error a la que está sometida la máquina y es requisito fundamental para establecer estrategias de verificación y compensación de errores. Debido a la disposición de los elementos y a su carenado la medición directa de los errores en este tipo de máquinas es problemática. Por lo cual la utilización de artefactos patrón es la mejor opción. Se han propuesto dos métodos alternativos, el cálculo geométrico y la identificación volumétrica de errores para la determinación de los parámetros del modelo de error. Estos métodos han sido descritos detalladamente. Ambos han sido evaluados y contrastados frente a datos sintéticos. El cálculo geométrico se basa en técnicas ya existentes de verificación de MMC, reemplazando la medición de barras de esferas por la construcción de listones longitudinales, con puntos en su superficie, en diferentes disposiciones. Esto permite secuencialmente ir calculando los 18 diferentes errores en que se agrupan todos los cometidos por la máquina. La identificación volumétrica se basa en materializar una nube de puntos que, tras ser comparados con los puntos nominales, permite, a través de un proceso de optimización, establecer los coeficientes del modelo de error que, globalmente, más se ajustan a la realidad. Para que estos métodos no solo sean efectivos sino que sean también eficientes es imprescindible que la materialización de los puntos se adecue tanto a las características del proceso de fabricación como a las del de medición. Se han diseñado diferentes alternativas buscando la máxima fiabilidad, rapidez y ahorro de material hasta que se han alcanzado los diseños definitivos, los cuales han pasado a fabricarse. Para la medición, debido a su gran calidad, se ha utilizado una MMC con cabezal VAST XT dotada de palpado autocentrante. Se ha verificado que los alojamientos cónicos en las piezas junto con el palpado autocentrante resulta un método adecuado y con muchas ventajas. También la correcta adecuación térmica de las piezas ha resultado ser muy relevante en el caso del material utilizado (FullCure 720). Aprovechando las aplicaciones software actuales se consigue no solo compensar el error de las piezas sino también aplicarles el error a los diseños CAD para saber a priori los defectos que va a presentar la pieza sin ni siquiera tener que fabricarla. Esto resulta muy interesante de cara a decidir la tecnología a utilizar en la fabricación de piezas permitiendo ahorrarse, en muchos casos, la fabricación de prototipos. Como líneas futuras resaltar la potencial implementación de estas metodologías en otras tipologías de fabricación aditiva y la mejora y optimización en el diseño de los artefactos propuestos. En algunos casos se requerirá de una compensación más específica como la propuesta por slices.