La AM ha permitido la ingeniería concurrente, donde todos los departamentos relevantes de una organización pueden participar al principio del proceso de desarrollo del producto. La ingeniería concurrente reemplaza el desarrollo de productos tradicionales, donde las iteraciones de diseño podrían retrasarse por semanas para adaptarse a las consideraciones de herramientas y mecanizado. Los beneficios son reducciones dramáticas en el tiempo de comercialización y ahorro de costos en el desarrollo de productos.

La AM es una tecnología excepcionalmente disruptiva, porque hoy en día, está revolucionando la forma en que los fabricantes producen piezas y componentes de uso final y se considera cada vez más como una técnica de producción verdaderamente viable. Los fabricantes giran en torno al uso más sensato de la fabricación aditiva para la producción, el punto óptimo es en términos de volúmenes de producción, oportunidades clave y barreras de entrada. Muchas de estas barreras se relacionan con el control de calidad de la exactitud y la precisión de las piezas AM, que desafían los métodos tradicionales de metrología de superficies.

Y ahora desde el punto de vista metrológicos nos hacemos la pregunta ¿Es suficientemente bueno?, con el enfoque actual en el uso de AM para la producción, el análisis de la precisión y el logro de la tolerancia repetible, se ha convertido en un tema mucho más crítico. Cuando se utiliza como tecnología de creación de prototipos, no siempre es necesario el cumplimiento absoluto de las tolerancias y la intención precisa del diseño, y se puede adoptar un enfoque "suficientemente bueno". De ahí la proliferación de máquinas de impresión 3D de escritorio bastante económicas que proporcionan prototipos rápidos y suficientemente precisos que hacen el trabajo sin necesidad de ser perfectos.

Sin embargo, para las aplicaciones de producción en masa, el término "suficientemente bueno" ya no es lo realmente correcto. Si una pieza AM es parte integral de una aplicación médica o aeroespacial y que ésta es crítica para la seguridad, sobre todo para alcanzar los objetivos de tolerancia dimensional y de material de acuerdo con la intención del diseño. Es aquí donde el papel de la metrología para validar la calidad de las piezas terminadas es tan importante. También es un área donde las soluciones de metrología óptica 3D pueden marcar la diferencia.

Los procesos de fabricación heredados de procesos en la fabricación de piezas en metales y plásticos han establecido métodos de control de calidad para validar y medir piezas. Los sistemas de AM, sin embargo, hace exactamente lo que su nombre implica, que es producir partes capa por capa “aditivamente”, y esto abre una serie de problemas únicos que pueden afectar la integridad de un producto terminado, y también un conjunto único de características superficiales que hacen el trabajo de medir y validar sea mucho más difícil.

Los perfiladores ópticos instrumentos que miden la rugosidad y el acabado de la superficie, pueden evaluar con precisión las características de la superficie con pendientes altas o baja reflectancia para el control de calidad de las piezas realizadas bajo en proceso AM. La forma en que el sector está respondiendo al enigma de la metrología y la validación fue muy visible en el reciente y más grande evento relacionado a la AM en el congreso, Formnext en Frankfurt, Alemania. En eventos realizados en este congreso, los problemas de metrología ocuparon un lugar destacado, reconociendo el hecho de que la medición y validación de piezas producidas por AM es un gran problema en la actualidad. Además, los proveedores de tecnología AM ahora están desarrollando soluciones de metrología en proceso (IPM) para superar los desafíos especializados de verificar la integridad de los procesos AM.

Las tecnologías AM y las técnicas de metrología también han captado la atención de grupos de profesionales que organizan conferencias y simposios en todo el mundo. Estos incluyen la Sociedad Estadounidense de Ingeniería de Precisión (ASPE), la Sociedad Internacional de Óptica y Fotónica (SPIE) y la Academia Internacional de Ingeniería de Producción (CIRP).

En la búsqueda de establecer una metrología relevante crítica para el control de procesos, la industria todavía está tratando de comprender qué buscar sobre y debajo de la superficie de una pieza fabricada por AM, y cómo se relacionan con la funcionalidad de la pieza. Las superficies de las piezas AM desafían la medición de la topografía de la superficie existente y desafían la caracterización utilizando parámetros de textura estandarizados debido a las altas pendientes de la superficie, los vacíos, las marcas de soldadura y las características de socavado.

La investigación sobre metrología nueva y mejorada para AM está avanzando a través de una amplia gama de asociaciones industriales y académicas. Un ejemplo, es el trabajo en la Universidad de Nottingham, donde el Equipo de metrología de fabricación (MMT) dirigido por el Prof. Richard Leach está investigando la gama completa de soluciones, desde microscopía de interferencia de alta precisión hasta tomografía de rayos X de la estructura interna de piezas completas. (este tema fue tocado en la publicación anterior, ver link https://www.inn.cl/node/3156)

Solo en los últimos cuatro años, el MMT ha publicado 43 artículos de investigación sobre AM, que van desde métodos para optimizar las mediciones en instrumentos específicos hasta nuevos análisis basados ​​en características y aprendizaje automático para interpretar los resultados. De particular interés es IPM para evaluar la calidad durante la fabricación, siguiendo cada línea y capa de aditivo en tiempo real. Esta información se puede utilizar para informar estrategias de control y posteriores desarrollos de metrología en proceso, una parte importante del desarrollo de IPM se correlaciona con la metrología de referencia, incluidos los instrumentos de metrología de superficie de sobremesa.

Otro ejemplo de investigación de vanguardia se encuentra en la Universidad de Carolina del Norte en Charlotte, donde el profesor Christopher Evans y sus colaboradores han estado usando interferometría y microscopía electrónica para estudiar materiales AM en colaboración con el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de EE. UU. (NIST), y Carl Zeiss GmbH en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL). Estos investigadores han estado estudiando Inconel 625, una superaleación de níquel de alta temperatura para AM, que exhibe una intrigante variedad de firmas superficiales. Estas superficies tienen áreas ricas en películas de óxido que son visibles en mapas de topografía de superficie 3D en color real obtenidos con los microscopios de interferencia. Estos instrumentos también sirven como excelentes modelos para examinar grandes áreas con gran detalle, como charcos de soldadura distorsionados.

Con respecto a los temas de estandarización y trazabilidad, la capacidad de AM para producir piezas geométricamente complejas, su papel como facilitador de la personalización masiva y los posibles ahorros de tiempo y costos asociados con su uso son importantes para el futuro de la industria. Sin embargo, en comparación con métodos de fabricación más familiares y establecidos, la tecnología AM es dinámica y evoluciona rápidamente, y los innovadores tecnológicos están trabajando para superar las barreras para la adopción de AM para aplicaciones de producción, incluidas las relacionadas con los estándares de control de calidad. Actualmente se está investigando activamente la calibración, la trazabilidad, la caracterización y la verificación de las mediciones de la topografía de la superficie y otros centrados específicamente en el modelado físico de las mediciones ópticas de las estructuras de la superficie, incluidos los complejos, superficies de pendiente pronunciada características de las piezas de AM y sobre la medición de las piezas de AM.

Los estándares nacionales e internacionales son fundamentales tanto para la adopción de la industria como para garantizar el control de calidad en múltiples tecnologías de fabricación en desarrollo. Dentro de ISO está el Comité Técnico TC213 y el Grupo de trabajo WG16 para el desarrollo de los estándares de textura superficial que es la norma ISO 25178, trabajando en colaboración con expertos internacionales en las normas ISO 25178-603 y 25178-604 para microscopía de interferencia, y la norma ISO 25178-700 para calibración de instrumentos y trazabilidad.

La metrología asociada a los procesos posteriores de las piezas de AM sirve para validar la conformidad con respecto al diseño original y para proporcionar pistas sobre los problemas de fabricación que dejan las firmas de la superficie. Sin embargo, la singularidad de los procesos AM y las piezas producidas llevan a los fabricantes a utilizar una variedad de diferentes técnicas de verificación metrológicas. La mayoría de los fabricantes adoptan un enfoque empírico, ya que no se confía en ninguna solución para proporcionar datos lo suficientemente precisos. Como consecuencia. las piezas de AM a menudo se "sobreprueban" para mejorar la confianza, pero esto significa más tiempo y costos adicionales, áreas que deben abordarse para hacer que la producción de AM sea más viable.

En conclusión, la AM ahora como una tecnología de producción establecida para ciertas aplicaciones, existen barreras para la adopción masiva que se están abordando, incluida la necesidad de tecnologías de metrología en el proceso y posteriores al proceso que puedan validar la calidad y la precisión de las piezas producidas. Las piezas AM tienen un conjunto único de características que hacen que las tecnologías de medición tradicionales sean impotentes en algunas situaciones y hoy en día se están desarrollando tecnologías de metrología innovadoras que pueden proporcionar datos de medición significativos de manera eficiente y rentable. Solo cuando se aborden estos problemas, el uso de AM se generalizará como una tecnología de producción viable en una variedad de sectores industriales y aplicaciones.

Referencia: Peter de Groot, PhD,  científico jefe de Zygo Corporation.