Fabricación y reparación de piezas a pedido

Fabricación y reparación de hélices con aditivos de arco de alambre o WAAM

Usted es el capitán de un barco portacontenedores de 50.000 toneladas con un calendario muy apretado. La hélice de bronce de 100.000 euros del barco ha sido dañada por los escombros del océano durante la noche. Atracado en el puerto marítimo más grande de Europa, Rótterdam, usted contempla un doloroso cálculo mental: la remoción de la hélice bajo el agua: 35.0000 euros o más; envío por mensajero al fabricante original para su reparación: 10.000 euros o más. Trabajo de reparación de la hélice, más envío de la hélice de repuesto a Rotterdam desde Seattle; miles de euros más. Luego agregue el costo del tiempo muerto del barco atracado en el puerto, redundante, por 20 días o más. ¿Debería llamar al agente marítimo ahora?

Pero no temas, porque RAMLAB está aquí. El Laboratorio de Fabricación de Aditivos de Rotterdam le imprimirá, literalmente, una nueva hélice. Lanzada en 2016, la instalación fabricó la primera hélice del mundo, aprobada en su clase, a finales de 2017 usando un proceso de fabricación de aditivos de arco de alambre, o WAAM. WAAM es un proceso de deposición de metal de alta tasa, capaz de depositar de 1 a 6 kg por hora.

La hélice 100% impresa se conoce como WAAMpeller. «El eje cilíndrico es el sustrato base de partida en el que se deposita un cono mediante el proceso WAAM«, dice Kelvin Hamilton, Consultor Técnico Senior de Autodesk, que trabaja en estrecha colaboración con RAMLAB. Una vez preparado el cono, las palas se van depositando cordón a cordón de soldadura, capa a capa, hasta que se forma la hélice completa. «Se trata de una pieza totalmente construida, de nueva construcción, que toma un sustrato y añade características para hacer un componente totalmente nuevo», añade Kelvin.

Por el contrario, con un trabajo de reparación, los ingenieros tienen que quitar la sección dañada de la pieza, crear un camino de herramientas, imprimir la nueva sección, y luego hacer el acabadorectificado o fresado – para producir la reparación completa. «Típicamente en la marina comercial esto sería el esmerilado manual o robótico y luego el pulido humano«, añade Kelvin. RAMLAB y sus socios tienen como objetivo automatizar la mayor parte de ambos flujos de trabajo cuando sea práctico.

Bureau Veritas aprueba la certificación marina de WAAMpeller

El éxito inicial del consorcio RAMLAB fue el desarrollo, la producción, las pruebas y la aprobación en clase del producto WAAMpeller por parte de Bureau Veritas, el grupo mundial de inspección y certificación marina.

Entonces, ¿cuánto tiempo lleva la impresión de una hélice? El tiempo de construcción varía dependiendo del material, el tamaño de la pieza y otros factores como el número de máquinas que imprimen. ¿Podría el proceso ser escalado para hacer múltiples hélices en serie? Con un solo robot, el tiempo de fabricación de múltiples hélices sería demasiado lento e inviable. Con numerosas máquinas imprimiendo al mismo tiempo, es posible mejorar la productividad, dice Kelvin. Una típica hélice comercial ‘pequeña’, con una masa de 180-200 kg, como la WAAMpeller, tardaba 200 horas – alrededor de una semana y media – en imprimirse sin el acabado. «Esta fue la primera vez que lo intentamos, por lo que hay mucho espacio para mejorar el proceso y la productividad», añade. «Podemos hacer una o dos hélices en dos semanas.» El casting es un proceso mejor para hacer más de 10 unidades pero esto puede tomar cuatro o seis meses para recibir los nuevos accesorios. A este cálculo se suman los enormes costes de los barcos comerciales que se quedan parados en un puerto mientras esperan que los repuestos estén listos.

RAMLAB también es un demostrador del concepto de producción localizada y de nicho. Para evitar estos costes de tiempo muerto, podría haber otros RAMLAB en Río de Janeiro y Tokio, o Hamburgo, o Sydney. La alternativa es una cadena de suministro con almacenes llenos de hélices de repuesto en cientos de variantes en lugares estratégicos, que tal vez nunca se utilicen. Es mucho mejor imprimir piezas caras a pedido. Este es el último plan de negocios de RAMLAB.

Fabricación y reparación de piezas a pedido

Deposición de metal de alta tasaEn este momento, RAMLAB es un centro de investigación y desarrollo, desarrollando los mejores procesos de fabricación y conocimientos para este trabajo. Vincent Wegener, Director General de RAMLAB, dice: «Estamos en la etapa de perfeccionamiento de la tecnología de arco de alambre primero. Nuestra visión a largo plazo es fabricar y reparar estas piezas a pedido«, dice.

Y no es sólo la utilería en el menú de impresión. RAMLAB está trabajando en proyectos relacionados con varios componentes de la industria marina y de alta mar como timones, puntales y equipos de elevación. Y Wegener señala otra ventaja de WAAM: puede producir piezas huecas. A principios de junio, RAMLAB anunció un proyecto con la empresa holandesa de ingeniería offshore Huisman para hacer un gran gancho de grúa offshore hueco utilizando la técnica WAAM. El gancho de cuatro puntas, diseñado por Huisman, ahorrará significativamente en el uso de materiales y en el tiempo de producción.

El material utilizado para las hélices es una aleación de níquel, aluminio y bronce, pero cualquier metal producido en el alambre para soldar puede ser utilizado en WAAM. Y no se detiene con las aplicaciones marinas. «Hay un creciente interés en el servicio de RAMLAB por parte de la industria aeroespacial y ahora la construcción – realmente cualquier industria que haga grandes y costosas piezas es adecuada», dice Wegener.

ScanArm de FARO para el escaneo de hélices

La hélice impresa tiene que mantener su forma, crucial para un componente cuyas geometrías de las palas están diseñadas precisamente para convertir la mejor relación de movimiento rotativo en empuje hacia adelante. FARO, la empresa especializada en soluciones de metrología, con una profunda experiencia en la medición de piezas fabricadas con aditivos, intervino. Utilizaron el ScanArm de FARO para escanear con precisión la hélice para ver si se había producido alguna deformación en el proceso de soldadura o ‘impresión’. La ventaja de la tecnología de escaneo, conocida como escaneo «láser azul», es que puede medir un sustrato sin contacto en una superficie brillante, explica Bart Rook, ingeniero de ventas de Benelux y Escandinavia en FARO, que fue responsable de escanear las hélices.

El ScanArm mide virtualmente cualquier superficie, incluyendo las superficies pulidas, con una precisión de 50-60 micrones, una tolerancia mayor que la que necesita esta aplicación de hélices, que es de unos 0,5 milímetros. El escaneo se realiza en diferentes etapas a través del proceso de construcción, pero principalmente en la etapa de post-pulido, y la mayoría de los escaneos toman hasta 20 minutos. Rook también usó el FARO ScanArm para pequeñas superficies. Dice que la ventaja sobre los sistemas de la competencia es combinar una sonda dura, para crear la alineación, con el escaneo. «Tomamos una alineación de sonda de contacto en la máquina, que es más precisa que el escaneo, la usamos como referencia base, así que más tarde pudimos usar el ScanArm para escanear las cuchillas desde esa referencia», dice Bart.

Los datos de medición compilados de FARO ScanArm se exportan para su uso en el software de medición y metrología 3D de Autodesk, PowerInspect. Usando PowerInspect, los datos de escaneo se compararon con la geometría CAD 3D esperada para ver si la nueva pieza coincidía con la intención del diseño. En general, los escaneos mostraron una muy buena concordancia entre el as-built
y el CAD y también ilustró áreas donde se puede mejorar el proceso de deposición.

Riesgos y aplicaciones de ña técnica WAAM de RAMLAB

Los riesgos comerciales a los que RAMLAB se ha enfrentado incluyeRiesgos n la creación de todas las asociaciones, incluyendo Autodesk, Damen Shipyards, el especialista en tecnología marina Promarin, el socio de soldadura Valk Welding y Lincoln Electric y otros, y la gestión de sus aportaciones y expectativas. RAMLAB tuvo que superar cómo cambiarán las propiedades del material al fabricar piezas tan grandes, cuáles eran las garantías estructurales después de tantas horas de soldadura, el reto de obtener la aprobación de clase de Bureau Veritas y otros organismos de certificación de la industria, etc. «El principal desafío era que esto nunca se había hecho antes», dice irónicamente Wegener.

El Puerto de Rotterdam es el principal inversor de RAMLAB y es el que más tiene que ganar con el proyecto. Cientos de barcos pasan por el puerto cada mes, algunos de los cuales necesitan reparaciones críticas y urgentes que no tienen una solución local y rápida. Gran parte del hardware, software y consultoría de ingeniería de los socios de RAMLAB es una contribución en especie. Esto le da a la empresa una mayor exposición al mercado y obtiene más información de los socios. Wegener dice que RAMLAB continuará impulsando la técnica WAAM y está buscando nuevas y más amplias aplicaciones, incluyendo la aeroespacial. «No podemos imprimir [todas las partes aplicables] a pedido todavía, pero ese es ciertamente el objetivo final».