Sistema de monitorización y control en fabricación aditiva mediante deposición directa de energía con láser e hilo metálico

MÁSTER UNIVERSITARIO EN INGENIERÍA DE CONTROL, AUTOMATIZACIÓN Y ROBÓTICA TRABAJO FIN DE MÁSTER SISTEMA DE MONITORIZACIÓN Y CONTROL EN FABRICACIÓN ADITIVA MEDIANTE DEPOSICIÓN DIRECTA DE ENERGÍA CON LÁSER E HILO METÁLICO > Estudiante: Alberdi, González, David Director/Directora: Cabanes, Axpe, Itziar Codirector/Codirectora: Curso: 2024 -2025 Fecha: <Bilbao, 30, 07, 2025> Resumen Trilingüe Resumen Este Trabajo de Fin de Máster presenta el desarrollo de un sistema de monitorización y control basado en un sensor de Tomografía de Coherencia Óptica (OCT). Esta medida será utilizada para proponer una monitorización de la distancia de trabajo en procesos como el de fabricación por Deposición Directa de Energía con Láser y alimentación por hilo metálico (DED-LB/MW). Adicionalmente, este sistema de medida se ha integrado en una célula robotizada de fabricación aditiva, de manera que permite ajustar en tiempo real los parámetros del proceso, mejorando su estabilidad y reduciendo defectos críticos en las piezas fabricadas. Este desarrollo ha sido validado experimentalmente, obteniendo una deposición más uniforme y precisa, adecuada a los estándares industriales. palabras clave: DED-LB/MW, sensor OCT, monitorización, control, fabricación aditiva por hilo metálico. Abstract This Master’s Thesis presents the development of a monitoring and control system based on an Optical Coherence Tomography (OCT) sensor. The measurement provided by this system is used to monitor the working distance in manufacturing processes such as Directed Energy Deposition with laser beam and metal wire (DEDLB/MW). Additionally, the measurement system has been integrated into a robotic additive manufacturing cell, enabling real-time adjustment of process parameters. This contributes to enhanced process stability and a reduction in critical defects in the manufactured parts. The system has been experimentally validated, resulting in more uniform and accurate deposition, in line with industrial standards. Keywords: DED-LB/MW, OCT sensor, monitorization, control, wire directed additive manufacturing, Laburpena Master Amaierako Lan honek Koherentzia Optikoko Tomografia (OCT) sentsore batean oinarritutako monitorizazio eta kontrol sistema baten garapena aurkezten 3 du. Neurri hori erabiliko da laser-sorta eta hari metalikoa (DED-LB/MW) dituen Directed Energy Deposition fabrikazio-prozesuko lan-distantziaren monitorizazioa proposatzeko. Gainera, neurketa-sistema hori fabrikazio aditiboko zelula robotizatu batean integratu da, eta, hala, prozesuaren parametroak denbora errealean doitu daitezke, egonkortasuna hobetuz eta fabrikatutako piezen akats kritikoak murriztuz. Sistema esperimentalki balioztatu da, eta horri esker deposizio uniformea eta zehatzagoa lortu da, industria-estandarrekin bat etorriz. Hitz gakoak: DED-LB/MW, OCT sentsorea, monitorizazioa, kontrola, hari bidezko fabrikazio gehigarria 4 Índice Índice de Figuras 7 Índice de Tablas 9 Acrónimos 11 1 Introducción 1 2 Contexto 3 3 Objetivos y alcance 5 3.1 Objetivos ................................. 5 3.2 Alcance .................................. 6 4 Beneficios que aporta el TFM y su relación con los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) 9 4.1 BENEFICIOS TECNOLÓGICOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 4.2 BENEFICIOS ECONÓMICOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 4.3 BENEFICIOS AMBIENTALES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 4.4 Relación del TFM con los Objetivos de Desarrollo Sostenible . . . . . 10 5 Estado del arte 13 5.1 FabricaciónAditiva............................ 13 5.2 Clasificación de procesos de fabricación aditiva . . . . . . . . . . . . 14 5.2.1 DED-LB/MW: Proceso de Deposición Directa de Energía con alimentación de hilo metálico . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 5.3 MONITORIZACIÓN............................ 19 5.4 NECESIDAD DE CONTROL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 6 Diseño y desarrollo de la solución 25 6.1 Descripción de la célula robotizada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 6.1.1 Equipamiento........................... 26 6.1.2 Sistema de control hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 6.1.3 SoftwareTekAM©........................ 28 6.1.4 Incorporación y puesta en marcha del nuevo sensor OCT . . . 29 6.2 Diseño de la arquitectura de comunicaciones . . . . . . . . . . . . . . 34 5 6.3 Desarrollo del algoritmo de captura y detección de la distancia de trabajo................................... 36 6.3.1 Validación del sistema de medición de distancias . . . . . . . 38 6.4 Desarrollo del algoritmo de optimización de parámetros para una fabricación sin defectos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 7 Metodología 47 7.1 FasesdelProyecto ............................ 47 7.2 Hitosdelproyecto ............................ 50 7.3 DiagramadeGantt............................ 51 8 Descripción del presupuesto 53 9 Conclusiones y Líneas Futuras 57 Bibliografía 59 A Anexo I: Funcionamiento del sensor OCT 63 B Anexo II: Código MATLAB 65 C Anexo III: Código del PLC 69 6 Índice de Figuras 2.1 Áreas de investigación en Tekniker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 4.1 ODS 9. Industria, Innovación e Infraestructura . . . . . . . . . . . . . . 11 4.2 ODS 12. Producción y Consumo Responsables . . . . . . . . . . . . . . 11 4.3 ODS 13. Acción por el clima . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 4.4 ODS 8. Trabajo Decente y Crecimiento Económico . . . . . . . . . . . . 11 5.1 Tecnologías de fabricación aditiva [1] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 5.2 Evolución del fenómeno de formación de bola o dripping [22]. . . . . 18 5.3 Evolución del fenómeno de roce del hilo o stubbing [22]. . . . . . . . . 18 6.1 Célularobótica ............................... 25 6.2 Robot IRB 4600 de ABB (izquierda) y posicionador IRP A de ABB (derecha)................................... 26 6.3 Pantalla principal de TekAM © . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 6.4 Pasos del procedimiento de calibración del sensor OCT: (1) Marcaje eje "x", (2) posicionamiento de la boquilla sobre la diana, (3) ajuste de los espejos, (4) comprobación de la alineación de los ejes. . . . . . . . . . 31 6.5 Lectura del OCT con el cabezal estático en la aplicación IDM Explorer, eje vertical en µm. ............................. 33 6.6 Lectura del sensor con el cabezal en movimiento en la aplicación IDM Explorer, eje vertical en µm......................... 33 6.7 Arquitectura de comunicaciones del sistema . . . . . . . . . . . . . . . 34 6.8 Ejemplo del código RAPID de una trayectoria . . . . . . . . . . . . . . 36 6.9 Estrategias de monitorización: a) Medición en círculos, b) Medición por delante, c) Medición por detrás, d) Medición en arco por delante. . 38 6.10 Comparativa de mediciones sobre cordón depositado: a) Medición en círculos, b) Medición por delante, c) Medición por detrás, d) Medición enarco.................................... 38 6.11 Pieza de ensayo con escalones para prueba de medición en arco . . . . 39 6.12 Resultado del escaneo de la pieza con la estrategia de medición en arco 40 6.13 Diagrama de control con realimentación unitaria y controlador proporcional..................................... 41 6.14 Curva del control proporcional con saturación . . . . . . . . . . . . . . 41 7 6.15 Resultados de pruebas para ajuste del parámetro proporcional del controlador. Comparativa con y sin control . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 6.16 Varios cordones para el ajuste del controlador. . . . . . . . . . . . . . . 43 6.17 Trayectoria por capas de la pieza para la prueba final (En rojo trayectorias sin deposición y en azul trayectorias donde se deposita material). . 44 6.18 Piezas fallidas fabricando sin control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 6.19 Resultado de la pieza fabricada con el control proporcional activo . . . 45 6.20 Análisis de la variación de la distancia de trabajo en la pieza final . . . 46 7.1 Diagrama de Gantt del proyecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 8 Índice de Tablas 5.1 Comparación entre el uso de hilo y polvo en la alimentación . . . . . . 16 5.2 Resumen de los sistemas de control empleados en DED-LB. Nota: WS = Velocidad de alimentación del hilo, H = Altura del cordón, W = Ancho del cordón, PL = Potencia del láser, T = Temperatura, CCD = Cámara CCD, OCT = Tomografía de Coherencia Óptica, FF = Feedforward, PI = Controlador Proporcional-Integral, MPC = Model Predictive Control, ILC = Iterative Learning Controller. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 7.1 Hitos principales del proyecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 8.1 Horas internas y costes asociados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 8.2 Amortizaciones ............................... 54 8.3 Gastosmateriales.............................. 54 8.4 Resumen de los gastos totales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 9 3 Objetivos y alcance 3.1 Objetivos En el marco de la FA y, en particular, del proceso DED-LB/MW, los avances tecnológicos han permitido explorar nuevas aplicaciones industriales, pero también han puesto en evidencia la necesidad de controlar y mitigar ciertos defectos que afectan la calidad y estabilidad del proceso. Para abordar estos desafíos, este Trabajo de Fin de Máster propone un enfoque orientado a mejorar el desempeño del proceso mediante herramientas de monitorización y control. A continuación, se detallan los objetivos que guían el desarrollo de este TFM, así como el alcance que delimita las actividades y resultados esperados. Con el contexto presentado en el apartado 2, el objetivo principal de este TFM es desarrollar un sistema de monitorización y control del proceso DED-LB/MW basado en el ajuste de uno de los parámetros clave del proceso: la velocidad de alimentación del hilo, en función de la distancia de trabajo entre la boquilla y el sustrato. Mantener unas condiciones óptimas del aporte es fundamental para garantizar la estabilidad de la deposición y reducir los defectos críticos, mejorando la fiabilidad y la eficiencia del proceso de fabricación. Para lograr este objetivo principal, se plantean los siguientes objetivos parciales: •O.1. Integración de un sensor de distancia: Incorporar un sensor de Tomografía de Coherencia Óptica (OCT) en la célula robótica, asegurando su integración tanto física como funcional con el resto del sistema. Este objetivo incluye la correcta colocación del sensor en el cabezal y la conexión con los dispositivos de adquisición, así como su configuración y calibración para lograr mediciones precisas y fiables de la distancia de trabajo durante el proceso DED-LB/MW. •O.2. Desarrollo del sistema de adquisición de la distancia de trabajo: Sincronizar de forma efectiva la trayectoria del robot con la orientación del sensor OCT, garantizando una lectura precisa y continua de la distancia de trabajo durante el proceso de fabricación. Este objetivo implica la integración del sensor con el sistema de generación de trayectorias para la fabricación en la célula, la configuración del hardware y software de adquisición, y la validación de la calidad de los datos obtenidos en distintas condiciones operativas. 5 •O.3. Diseño del sistema de control: Definir la arquitectura del sistema de control, modelando su comportamiento esperado y desarrollando los algoritmos necesarios para la supervisión y ajuste en tiempo real del proceso. Este objetivo abarca desde la elaboración de diagramas funcionales hasta la creación de bloques de control lógico y estrategias de actuación basadas en las lecturas del sensor OCT. • O.4. Implementación del sistema de control en la célula de fabricación robotizada de DED-LB/MW: Integrar y poner en marcha el sistema completo dentro de la célula, validando su funcionamiento en condiciones reales de fabricación. Esto incluye la carga del programa en el PLC, la conexión con el resto de dispositivos (robot, cabezal, sensores), así como la realización de pruebas para asegurar la correcta ejecución del control y la supervisión del proceso en tiempo real. 3.2 Alcance El presente Trabajo de Fin de Máster se enmarca en la tecnología de deposición directa de energía con haz láser y material de aporte en forma de hilo metálico, es decir, en la variante DED-LB/MW. Aunque existen otras configuraciones dentro de esta familia de procesos, como la DED-LB/MP (Laser Beam with Metal Powder), esta última queda fuera del alcance del estudio, a pesar de compartir ciertos principios físicos comunes. El enfoque del trabajo se centra específicamente en la monitorización y el control de la distancia de trabajo entre la boquilla y el sustrato, empleando para ello un sensor OCT y actuando sobre la velocidad de alimentación del hilo metálico. Por tanto, no se abordan otros tipos de monitorización, como la térmica o la geométrica, ni se contempla el análisis de los defectos internos generados durante la fabricación, como porosidad, inclusiones o falta de fusión. Asimismo, el análisis mecánico o metalográfico de las piezas fabricadas tampoco forma parte de los objetivos de este TFM. El estudio no incluye ensayos destructivos ni caracterización avanzada del material depositado, ya que el foco se encuentra en el diseño, integración y validación funcional de un sistema de monitorización aplicado al control de proceso. Por otro lado, se ha trabajado sobre una configuración en línea, en la que el sistema OCT proporciona información en tiempo real durante la fabricación, a diferencia de otras estrategias que recurren a un postprocesado de datos. 6Chapter 3 Objetivos y alcance Todo aquello que no se haya tratado explícitamente en este apartado queda fuera del alcance del presente trabajo, y podrá ser considerado como base para futuras investigaciones. 3.2 Alcance 7 4 Beneficios que aporta el TFM y su relación con los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) El diseño de una estrategia de monitorización y control para el proceso de DEDLB/MW trae múltiples beneficios en el ámbito de la fabricación aditiva. Éstos se clasifican en las siguientes categorías: beneficios tecnológicos, beneficios económicos y beneficios ambientales. Cada una de estas categorías no solo supone un avance significativo en la eficiencia y calidad del proceso, sino que también refuerza la sostenibilidad de la fabricación industrial y la gestión responsable de los recursos materiales y energéticos. 4.1 BENEFICIOS TECNOLÓGICOS La implementación de un sistema de monitorización y control basado en Tomografía de Coherencia Óptica (OCT) en el proceso DED-LB/MW representa un claro avance tecnológico dentro del campo de la FA metálica. Este sistema permite ajustar en tiempo real los parámetros del proceso para mantener unas condiciones óptimas de aporte, lo que mejora significativamente la estabilidad del proceso y la calidad de la deposición. Además, este tipo de solución aporta una mayor capacidad de respuesta ante desviaciones no previstas durante la fabricación, lo que abre la puerta a sistemas de control más inteligentes y adaptativos. En este sentido, el trabajo contribuye al desarrollo de tecnologías más robustas y eficientes, alineadas con los requisitos de una industria 4.0, donde la integración de sensores, automatización y control avanzado es clave para el desarrollo de procesos altamente optimizados. 4.2 BENEFICIOS ECONÓMICOS Desde el punto de vista económico, la optimización del proceso DED-LB/MW mediante sistemas de monitorización como el propuesto permite reducir significativamente el número de piezas defectuosas y el desperdicio de material, lo que repercute directamente en la mejora del rendimiento económico del proceso. Esta mejora en la eficiencia productiva favorece la implementación de enfoques como First-TimeRight (FTR), centrado en la obtención de componentes desde la primera ejecución 9 del proceso, y Zero Defect Manufacturing (ZDM), orientado a la prevención sistemática de defectos mediante un control preciso y continuo de la fabricación. Una mayor eficiencia implica menores costes de producción y una mejor utilización de recursos. Asimismo, la integración de tecnologías avanzadas como la OCT en entornos industriales refuerza la competitividad de las empresas que apuestan por la innovación en sus procesos productivos. Este tipo de desarrollos, además, impulsa la generación de empleo técnico y especializado, contribuyendo al crecimiento del tejido industrial vinculado a la I+D+i. 4.3 BENEFICIOS AMBIENTALES Aunque el impacto ambiental no es el eje principal del presente trabajo, sí se puede señalar una repercusión positiva indirecta derivada de la mejora de la eficiencia del proceso. Una deposición más controlada y precisa conlleva una menor generación de residuos metálicos y un uso más racional de materiales y energía durante la fabricación. Además, la posibilidad de fabricar piezas con mayor precisión y menor necesidad de operaciones posteriores de mecanizado ayuda a reducir la huella ambiental asociada a las operaciones industriales. En este sentido, el trabajo contribuye, aunque de forma secundaria, a los objetivos de sostenibilidad en los procesos de fabricación. 4.4 Relación del TFM con los Objetivos de Desarrollo Sostenible El presente TFM se alinea con diversos Objetivos de Desarrollo Sostenible establecidos en la Agenda 2030 de las Naciones Unidas. En particular, contribuye de forma directa a los siguientes: ODS 9: Industria, Innovación e Infraestructura El desarrollo de tecnologías de monitorización avanzadas aplicadas a procesos de FA representa una clara contribución al fortalecimiento de infraestructuras industriales innovadoras y sostenibles. Este trabajo promueve la investigación aplicada y la transferencia tecnológica, pilares fundamentales de una industria moderna y resiliente. 10 Chapter 4 Beneficios que aporta el TFM y su relación con los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) Figura 4.1: ODS 9. Industria, Innovación e Infraestructura ODS 12: Producción y Consumo Responsables La mejora de la eficiencia del proceso DED-LB/MW mediante el control de parámetros críticos contribuye a una reducción significativa del desperdicio de material y a una utilización más responsable de los recursos en entornos industriales, alineándose con los principios de sostenibilidad y fabricación eficiente. Figura 4.2: ODS 12. Producción y Consumo Responsables ODS 13: Acción por el Clima Aunque de forma indirecta, el aumento de la eficiencia y estabilidad en los procesos de fabricación puede suponer una disminución del consumo energético y, por tanto, una reducción de la huella ambiental asociada a la producción industrial. Este tipo de avances tecnológicos refuerzan la mitigación del cambio climático desde una perspectiva técnica. Figura 4.3: ODS 13. Acción por el clima ODS 8: Trabajo Decente y Crecimiento Económico Al fomentar la innovación tecnológica en el entorno industrial, se contribuye a mejorar la competitividad empresarial y a la generación de empleo cualificado en sectores estratégicos como el de la fabricación avanzada. Figura 4.4: ODS 8. Trabajo Decente y Crecimiento Económico 4.4 Relación del TFM con los Objetivos de Desarrollo Sostenible 11 5 Estado del arte En este capítulo se realiza una revisión exhaustiva del estado actual de la tecnología y las metodologías relacionadas con la fabricación aditiva (FA), en particular aquellas basadas en la técnica de Deposición Directa de Energía con Láser y alimentación por hilo metálico (DED-LB/MW). Se comienza con una introducción general a los fundamentos y ventajas de la FA, seguida de una clasificación detallada de los distintos procesos existentes. Posteriormente, se profundiza específicamente en la tecnología DED-LB/MW, destacando sus características particulares, beneficios y desafíos asociados, con énfasis en la importancia de asegurar la calidad y estabilidad del proceso a través de estrategias de monitorización y control avanzadas. 5.1 Fabricación Aditiva La FA, conocida en inglés como Additive Manufacturing (AM), es una tecnología innovadora que permite la creación de objetos tridimensionales mediante la superposición controlada de capas de material, a partir de un modelo digital. Este enfoque contrasta con los métodos de fabricación tradicionales, que suelen depender de procesos sustractivos, como el mecanizado, o conformativos, como el moldeo. Desde su introducción, la FA ha revolucionado múltiples sectores industriales, consolidándose como una herramienta clave en el diseño y la producción avanzada. Entre las principales ventajas de la FA destaca su capacidad para fabricar geometrías complejas, que serían inviables o extremadamente costosas con métodos convencionales. Esto permite optimizar diseños en función de criterios funcionales y estéticos, favoreciendo su uso en sectores como el aeroespacial [8], el biomédico [28] y el sector de automoción [3]. Otra ventaja relevante es la optimización del uso de materiales. En comparación con los métodos sustractivos, que generan una considerable cantidad de desperdicio, la FA utiliza únicamente el material necesario, haciéndola más eficiente y sostenible. Esta reducción en el desperdicio también contribuye a minimizar el impacto ambiental de los procesos productivos[16]. La personalización es otro aspecto destacado. La FA permite adaptar productos a las necesidades específicas del cliente sin incrementar significativamente los costes. Esto es particularmente útil en aplicaciones como la fabricación de prótesis, dis13 Las variables más relevantes que suelen monitorizarse en estos procesos incluyen la altura del cordón depositado, el ancho del mismo, la temperatura del baño fundido y la distribución térmica en la zona afectada por el láser. Además, se analiza la presencia de defectos superficiales, como anomalías, proyecciones de material o la formación de gota (dripping). La captación precisa de estos parámetros es fundamental para evaluar la calidad dimensional y la integridad mecánica de las piezas, y para proporcionar los datos de entrada a los sistemas de control. La monitorización en tiempo real enfrenta diversos retos técnicos, derivados principalmente de la naturaleza dinámica y hostil del proceso. Por un lado, la alta luminosidad generada por el láser y el baño fundido dificulta la adquisición de imágenes claras y precisas, especialmente cuando se utilizan cámaras ópticas. Por otro lado, las altas temperaturas y la presencia de proyecciones de material pueden dañar los sensores o generar lecturas erróneas si no se implementan sistemas de protección adecuados, e imposibilitan completamente el uso de sensores de contacto. Además, la necesidad de adquirir datos a alta velocidad para capturar fenómenos transitorios plantea exigencias significativas en términos de procesamiento y transmisión de la información. En este contexto, la tomografía de coherencia óptica (OCT) se presenta como una tecnología especialmente prometedora por su alta resolución axial, su capacidad de adquisición en tiempo real y su compatibilidad con entornos hostiles. El sensor OCT obtiene información sobre la distancia entre el cabezal y el material base a través del puerto óptico y midiendo fuera del baño fundido (ver Anexo A), lo que permite disponer de información independiente de la dirección de movimiento y de las características y variaciones del baño fundido. No obstante, en los estudios propuestos hasta el momento, el sistema OCT se encuentra orientado en una única dirección de aporte [6, 5], lo que limita su aplicación al control de geometrías simples y específicas, dificultando su uso en escenarios más complejos y representativos de procesos de fabricación 3D mediante DED-LB/MW. 5.4 NECESIDAD DE CONTROL La presencia de defectos externos, como la formación de bola (dripping) y el roce del hilo (stubbing), evidencia la importancia de implementar estrategias de control en tiempo real para optimizar la calidad de la deposición. Estos defectos no solo afectan negativamente la estabilidad del proceso, sino que además comprometen la integridad estructural y geométrica de las piezas fabricadas. Por tanto, el desarrollo y aplicación de estrategias eficaces para la detección temprana y la corrección dinámica de desviaciones en los parámetros del proceso resultan fundamentales para garantizar la calidad de la deposición. 20 Chapter 5 Estado del arte En la literatura se han investigado diversas técnicas destinadas a mejorar el control y la estabilidad en los procesos de DED-LB. Entre ellas, destacan el uso de sensores ópticos y térmicos, así como estrategias de retroalimentación en tiempo real para ajustar dinámicamente la potencia del láser, la velocidad de alimentación del hilo y otros parámetros clave. En esta sección, se analizarán las estrategias de control disponibles y su impacto en la reducción de defectos durante la deposición. Hua y Choi [15] implementaron un sistema de control en lazo cerrado para regular la altura del cordón mediante lógica difusa, utilizando cámaras CCD para medir la distancia de trabajo y ajustar en tiempo real la potencia del láser. Este enfoque mejoró significativamente la uniformidad del cordón depositado; no obstante, los autores advirtieron que un uso excesivo del sistema de control podía inducir defectos por falta de fusión, principalmente debido a la interrupción frecuente del haz láser, lo que afectaba negativamente la continuidad del proceso de deposición. Posteriormente, Herali´ c et al. [12] introdujeron un esquema doble PI para la regulación simultánea de la altura y el ancho del cordón depositado, mediante la modulación de la potencia del láser y la velocidad de alimentación del hilo. Utilizando una cámara CCD para obtener retroalimentación visual en tiempo real, lograron mejorar significativamente la estabilidad dimensional del proceso. Sin embargo, el control de la altura presentó limitaciones debido a la necesidad de posicionar el sistema de medición a cierta distancia del baño de fusión, lo que generaba un retraso en la señal de retroalimentación que dificultaba la compensación de perturbaciones rápidas. Continuando esta línea, estos mismos autores desarrollaron dos estrategias independientes: un controlador PI para mantener constante la anchura del cordón ajustando la potencia del láser, y un compensador anticipativo (feed-forward) para la altura del cordón, basado en mediciones ópticas con cámaras montadas externamente [14]. Aunque ambas técnicas lograron mejoras significativas en la estabilidad dimensional del proceso, se identificaron limitaciones relacionadas con posibles errores de medición derivados del posicionamiento de las cámaras y las dificultades para medir la altura justo detrás del baño de fusión debido a su alta luminosidad. En el marco de los avances en el control de procesos de deposición por láser, Herali´ c et al. [13] exploraron el uso de un control iterativo basado en aprendizaje (ILC, por sus siglas en inglés) como estrategia de control offline para optimizar el control de altura del cordón. En su propuesta, emplearon un escáner láser 3D para obtener mediciones precisas de la altura del cordón tras la deposición de cada capa, lo que permitió ajustar la velocidad de alimentación del hilo en la capa siguiente según las desviaciones detectadas. Este enfoque demostró ser eficaz en la reducción progresiva de los errores acumulados, logrando una notable mejora en la estabilidad geométrica del proceso durante la deposición de múltiples capas. No obstante, los 5.4 NECESIDAD DE CONTROL 21 autores señalaron que el escaneado de superficies metálicas calientes presentaba ciertas dificultades, especialmente en la medición de los cordones periféricos debido a problemas de reflexión y baja intensidad de la luz reflejada hacia el sensor. Gibson et al. [11] centraron su estrategia en la estabilidad térmica del baño fundido, implementando un control en lazo cerrado basado en cámaras térmicas para mantener constante el tamaño del baño fundido. Este enfoque permitió controlar propiedades geométricas locales y mitigar defectos térmicos como la falta de fusión o sobrecalentamientos locales. En el ámbito de técnicas avanzadas de medición, Becker et al. [5] utilizaron la tomografía de coherencia óptica (OCT) para controlar la altura del cordón en tiempo real mediante un controlador PI que regulaba la velocidad del hilo. Este enfoque logró reducir considerablemente las desviaciones geométricas acumuladas en la fabricación de componentes de aluminio Al-5356. Por otra parte, Bernauer et al. [7] implementaron un control térmico en procesos de deposición con acero inoxidable utilizando pirómetros coaxiales. Mantuvieron así la temperatura del baño fundido dentro de un intervalo óptimo, reduciendo defectos relacionados tanto con temperaturas excesivamente bajas (falta de fusión) como altas (sobrecalentamiento). En otro estudio, Bernauer et al. [6] desarrollaron un control segmentado de la altura del cordón, empleando escáneres láser para medir y corregir desviaciones locales mediante múltiples controladores PI independientes. Este enfoque garantizó una precisión dimensional destacable incluso frente a perturbaciones geométricas significativas. Otra técnica diferente, como la basada en una estrategia predictiva sin sensores en tiempo real, fue propuesta por Wang et al. [30]. Para ello, utilizaron un modelo dinámico para ajustar anticipadamente la potencia láser, logrando reducir hasta en un 42% los errores geométricos en comparación con técnicas sin control anticipativo. Finalmente, en el trabajo de Mbodj et al. [21] aplicaron un controlador predictivo basado en modelo (MPC), regulando la temperatura mediante perfilómetros y ajustando en tiempo real la distribución energética. Esto permitió una reducción significativa en defectos térmicos y geométricos en piezas fabricadas con Inconel 718. En conjunto, estos trabajos reflejan una evolución significativa en las estrategias de control aplicadas a procesos DED-LB. En la Tabla 5.2 se presenta un resumen comparativo de los métodos analizados, indicando (cuando el artículo lo proporciona) los materiales utilizados, variables controladas y manipuladas, tipos de controladores implementados y sensores empleados en cada caso, proporcionando así una visión global de las soluciones disponibles y sus particularidades. 22 Chapter 5 Estado del arte Material Var. controladas Var. manipuladas Controlador Sensor Ref. Ti-6Al-4V Tamaño del baño fundido PLLazo cerrado Cámara térmica [11] Acero y titanio H, W WS, PLDoble PI SISO CCD [12] Acero H PLDifuso CCD [15] Ti–6Al-4V H WS ILC Escáner láser [13] Ti–6Al-4V H, W WS, PLPI + FF Doble cámara [14] S Al 5356 H WS PI OCT [5] Ti-6Al-4V H PLModel-based FF - [30] Inconel 718 H T MPC Perfilómetro [21] - H - - OCT [19] AISI 304 T PLPI Pirómetro [7] ER316LSi H WS Prop. + FF OCT [6] Tabla 5.2: Resumen de los sistemas de control empleados en DED-LB. Nota: WS = Velocidad de alimentación del hilo, H = Altura del cordón, W = Ancho del cordón, PL = Potencia del láser, T = Temperatura, CCD = Cámara CCD, OCT = Tomografía de Coherencia Óptica, FF = Feedforward, PI = Controlador Proporcional-Integral, MPC = Model Predictive Control, ILC = Iterative Learning Controller. No obstante, en los estudios propuestos hasta el momento con tecnología OCT, el sensor se encuentra orientado en una única dirección, lo que limita su aplicación al control de geometrías simples y específicas, dificultando su uso en escenarios más complejos y representativos de procesos de fabricación 3D mediante DED-LB/MW. La estrategia de monitorización y control propuesta permite ajustar en tiempo real la velocidad de alimentación del hilo en función de la altura medida mediante el sensor OCT, lo que proporciona dos ventajas clave: por un lado, estabiliza el proceso evitando situaciones de inestabilidad o fallo; por otro, compensa de forma activa las desviaciones en el crecimiento capa a capa. Una característica diferenciadora de este enfoque es la atención a la comunicación y coordinación entre equipos, lo que asegura una orientación óptima del sensor OCT en la dirección de avance. Además, el sistema propuesto posibilita una total independencia respecto a la dirección de movimiento, permitiendo su aplicación a cualquier tipología de pieza y estrategia de fabricación, incluyendo trayectorias no lineales o multieje. Este planteamiento, que va más allá de los sistemas tradicionales de control en lazo cerrado al integrar también la sincronización espacial entre el sensor y el movimiento, supone un avance significativo respecto a las soluciones actuales. Como resultado, se ha logrado no solo mejorar la precisión del seguimiento, sino también ampliar la robustez y adaptabilidad del sistema, consolidando su potencial para aplicaciones industriales avanzadas. 5.4 NECESIDAD DE CONTROL 23 6 Diseño y desarrollo de la solución En este capítulo se expone el diseño, desarrollo e implementación de la solución propuesta en el TFM. Se detallan los elementos que conforman la célula robotizada, los dispositivos utilizados para la ejecución del proceso DED-LB/MW, así como los instrumentos de monitorización y el sistema de control empleado. 6.1 Descripción de la célula robotizada La célula robotizada utilizada en este TFM está formada por diversos elementos que, en conjunto, permiten llevar a cabo el proceso de DED-LB/MW de manera precisa y controlada. En la figura 6.1 se muestra una vista general de la célula con sus principales componentes. Figura 6.1: Célula robótica Se trata de una célula robotizada de dimensiones aproximadas de 4,7 × 4,7 × 3 metros, diseñada específicamente para procesos láser de fabricación aditiva. La estructura está equipada con ventanas de protección frente a la radiación láser en el espectro del infrarrojo, lo que permite la observación del proceso sin comprometer la seguridad del personal. Además, la célula dispone de tomas para aire comprimido 25 y suministro de gases técnicos como argón, nitrógeno y helio, esenciales para garantizar un entorno de proceso controlado y proteger la zona de deposición frente a la oxidación y otras contaminaciones atmosféricas. 6.1.1 Equipamiento 6.1.1.1 Robot La célula robotizada está compuesta por el robot ABB IRB 4600 (figura 6.2, izquierda) y el posicionador IRP A (figura 6.2, derecha), ambos de la marca ABB. En conjunto, estos dispositivos permiten alcanzar un total de ocho grados de libertad (GDL), lo que proporciona una elevada flexibilidad y capacidad de maniobra durante el proceso de fabricación. Figura 6.2: Robot IRB 4600 de ABB (izquierda) y posicionador IRP A de ABB (derecha). El robot ABB IRB 4600 tiene 6 GDL, un alcance de 1,5 metros y una capacidad de carga útil de hasta 45 kg. Estas especificaciones permiten manipular con precisión el cabezal láser y mantener una trayectoria estable durante el proceso DED-LB/MW, lo que resulta esencial para garantizar la calidad de la deposición. Por su parte, el posicionador IRP A actúa como un eje adicional que posibilita la rotación controlada de la pieza, facilitando la deposición desde múltiples ángulos y mejorando la accesibilidad en geometrías complejas. 6.1.1.2 Fuente de energía La fuente de energía utilizada en el sistema de deposición DED-LB/MW es un generador láser de fibra modelo YLS-4000-S2T, fabricado por IPG Photonics. Se trata de una fuente láser de alta potencia diseñada específicamente para aplicaciones industriales exigentes como la fabricación aditiva mediante láser, el corte y la soldadura de metales. 26 Chapter 6 Diseño y desarrollo de la solución Este modelo proporciona una potencia máxima de salida de 4 kW, con una longitud de onda de emisión de 1070 nm, correspondiente al espectro del infrarrojo cercano, lo que permite una excelente absorción por parte de la mayoría de los metales utilizados en procesos de fabricación aditiva. 6.1.1.3 Cabezal En el proceso de DED-LB/MW, el cabezal de procesamiento es fundamental para dirigir tanto el material de aporte como el haz láser hacia la zona de trabajo. El cabezal en cuestión es el CoaxPrinter de Precitec, un cabezal diseñado para aplicaciones de fabricación aditiva que abarcan desde estructuras delicadas hasta formas tridimensionales de gran volumen. Este cabezal se caracteriza por la alimentación coaxial del hilo metálico, lo que permite una deposición uniforme en cualquier dirección, sin depender del sentido de avance. En el interior del CoaxPrinter, el haz láser se divide en dos semicircunferencias gracias a su diseño óptico, lo que da lugar a una distribución de energía que forma un "spot" en forma de anillo en la zona de aporte. Esta configuración rodea el hilo con energía láser de manera simétrica, favoreciendo una fusión estable y homogénea del material de aporte. 6.1.1.4 Cámara Cavitar Para la monitorización visual del proceso DED-LB/MW, se ha empleado una cámara de alta velocidad Cavitar, diseñada específicamente para la observación de procesos térmicamente intensos como la soldadura o la deposición láser. Esta cámara permite la visualización en tiempo real del baño fundido y la interacción láser-material, incluso en presencia de altos niveles de luminosidad y emisión térmica. La Cavitar incorpora un sistema de iluminación láser coherente, que genera imágenes de alto contraste y resolución sin que el brillo del arco eléctrico o del láser sature la señal captada. Esta característica resulta especialmente útil para estudiar la estabilidad del proceso, la geometría del cordón de aporte, la formación de defectos o la interacción dinámica entre el haz láser y el material. En cuanto a sus especificaciones técnicas, la cámara alcanza una frecuencia de captura de 70 fotogramas por segundo (fps), una resolución máxima de 1440 × 1080 píxeles y permite una distancia de trabajo comprendida entre 150 y 300 mm. La cámara Cavitar está posicionada en una configuración de visión lateral oblicua, ligeramente inclinada respecto al plano horizontal, lo que permite una observación clara y simultánea de la geometría del cordón, la interacción del hilo con el baño fundido y la estabilidad del proceso de deposición. Esta disposición resulta espe6.1 Descripción de la célula robotizada 27 cialmente adecuada para monitorizar fenómenos transitorios y detectar posibles desviaciones en tiempo real. 6.1.1.5 Material de aporte Como material base se ha empleado una placa laminada de acero AISI C45, con unas dimensiones de 200 × 200 mm y un espesor de 15 mm. Antes de los ensayos, la superficie del sustrato fue rectificada para garantizar una correcta adherencia y uniformidad durante la deposición. El material de aporte utilizado es un hilo macizo de acero inoxidable AISI 316L, con un diámetro de 1,2 mm, cuya composición química es equivalente a la del sustrato, favoreciendo la compatibilidad metalúrgica y reduciendo la aparición de defectos. 6.1.2 Sistema de control hardware El sistema de control utilizado en este proyecto está implementado mediante el autómata programable B&R X20CP3586, perteneciente a la serie X20 de B&R Industrial Automation (ABB Group). Se trata de un PLC modular de altas prestaciones, diseñado para aplicaciones industriales que requieren procesamiento rápido, comunicaciones en tiempo real y una arquitectura escalable. El X20CP3586 incorpora un procesador Intel Atom a 1.6 GHz y dispone de memoria RAM de 512 MB, permitiendo el manejo eficiente de tareas de control complejas. Está equipado con interfaces integradas de Ethernet, POWERLINK, USB y RS232, lo que facilita su integración en redes industriales diversas. Asimismo, es compatible con módulos de entradas y salidas de la serie X20, lo que facilita su expansión y adaptación a diferentes requisitos del sistema. La programación del PLC se realiza mediante el entorno de desarrollo Automation Studio, conforme a los lenguajes definidos en la norma IEC 61131-3 (Structured Text, Ladder Diagram, Function Block Diagram, entre otros). 6.1.3 Software TekAM © TekAM © es un software desarrollado por Tekniker sobre el entorno de MATLAB, diseñado específicamente para dar soporte a los procesos de fabricación aditiva mediante tecnología DED. Esta herramienta integral permite realizar múltiples funciones clave dentro del flujo de trabajo, entre las que destacan: • La generación de trayectorias a partir de modelos 3D en formato STL, adaptadas a las características del proceso DED. 28 Chapter 6 Diseño y desarrollo de la solución • El análisis y procesado de los datos registrados durante el proceso, incluyendo información de sensores, posición del robot y parámetros de fabricación. • La visualización en tiempo real del baño fundido mediante la cámara Cavitar, lo que facilita la monitorización y el control del proceso durante la deposición. En la figura 6.3 se muestra la interfaz del software TekAM ©, en concreto la pestaña de generación de trayectorias. Figura 6.3: Pantalla principal de TekAM © 6.1.4 Incorporación y puesta en marcha del nuevo sensor OCT Dado que la distancia de trabajo y la altura de crecimiento son parámetros clave para lograr una deposición sin defectos, resulta fundamental poder medir estas variables con precisión. La Tomografía de Coherencia Óptica (OCT) es una técnica de imagen basada en luz de baja coherencia que permite obtener resoluciones micrométricas en profundidad, incluso en materiales semitransparentes o dispersivos. 6.1.4.1 Selección e integración del sensor en la célula En el contexto del DED-LB/MW, el sistema Precitec IDM (In-Process Depth Meter) emplea OCT para medir en línea la distancia de trabajo entre la boquilla y la pieza. Este sistema realiza mediciones coaxiales incluso a altas velocidades de desplazamiento y bajo condiciones desfavorables, lo que lo convierte en una solución idónea para aplicaciones exigentes. 6.1 Descripción de la célula robotizada 29 el cálculo del ángulo de orientación del sensor OCT, incorporando un desfase de 4 líneas para adaptarse al comportamiento del controlador ABB, que ejecuta las trayectorias con anticipación mediante un mecanismo de lectura adelantada (lookahead), procesando varias líneas de código antes de su ejecución física. Gracias a este desfase, el ángulo se determina en función de la dirección futura prevista del movimiento, lo que garantiza una correcta alineación del sensor incluso ante cambios de trayectoria. Además, TekAM genera automáticamente las instrucciones relativas a la activación y desactivación del láser, hilo y demás. En la figura 6.8 se puede ver la incorporación del ángulo del OCT. Figura 6.8: Ejemplo del código RAPID de una trayectoria Gracias a esta arquitectura modular e integrada, el sistema es capaz de: • Adquirir datos de medición en tiempo real mediante el sensor OCT. • Coordinar el movimiento del robot con los datos de más relevantes del proceso. • Ejecutar algoritmos de análisis en MATLAB de forma sincronizada con el proceso. • Facilitar la trazabilidad y la evaluación de la calidad de cada capa depositada. 6.3 Desarrollo del algoritmo de captura y detección de la distancia de trabajo La integración del sensor OCT en el sistema DED-LB/MW permite obtener mediciones en tiempo real de la distancia de trabajo y la altura de crecimiento. Sin embargo, debido a las propiedades del baño fundido, el sensor no puede realizar mediciones fiables directamente sobre esta zona, ya que las reflexiones y el brillo del baño 36 Chapter 6 Diseño y desarrollo de la solución interfieren en la señal, por lo que se pone de manifiesto la necesidad de medir, como mínimo a 3-4 mm del centro del baño fundido. Ante esta limitación, se hace necesario diseñar estrategias de captura que permitan obtener datos útiles evitando las interferencias generadas en el centro del cordón. Para ello, se desarrollan y prueban varias metodologías de adquisición con el objetivo de identificar la más robusta y representativa para la monitorización del proceso. El sensor OCT cuenta con una librería DLL que permite comandar dinámicamente su orientación o ejecutar patrones de movimiento complejos. Esta librería, compilada específicamente para sistemas Windows, requiere su ejecución desde un entorno compatible. En este trabajo se emplea MATLAB para interactuar con dicha librería, lo que permite desarrollar rutinas de orientación flexibles y fácilmente integrables con el resto del sistema. Para facilitar estas tareas de adquisición y control, se integra el módulo CUA32, un componente adicional que actúa como interfaz entre MATLAB y el sistema de control de los espejos galvanométricos del sensor. En este apartado se presentan las cuatro estrategias desarrolladas, comparando sus ventajas e inconvenientes, así como los resultados obtenidos en cada caso. Finalmente, se justifica la elección de la estrategia adoptada para el desarrollo del algoritmo definitivo de detección de fallos, proporcionando las bases para su implementación. La primera de ellas, y en la que no habría que reorientar el OCT durante la deposición, se trata de una medición circular comandada al inicio del proceso. Definiendo el radio de la circunferencia y la velocidad de marcado del láser. Las tres siguientes operan con la reorientación dinámica del puntero, es decir, siempre van orientadas en función de la trayectoria del cabezal. De todas ellas, la más interesante y funcional es la medición en arco, ya que en caso de pequeñas des-sincronizaciones en curvas cerradas, con un buen ángulo de arco definido, el OCT seguiría recogiendo un valor representativo de la altura del cordón. En la figura 6.9 se representan de forma esquemática las cuatro estrategias. 6.3 Desarrollo del algoritmo de captura y detección de la distancia de trabajo 37 Figura 6.9: Estrategias de monitorización: a) Medición en círculos, b) Medición por delante, c) Medición por detrás, d) Medición en arco por delante. 6.3.1 Validación del sistema de medición de distancias Con el objetivo de validar las distintas estrategias de medición desarrolladas, se realizaron pruebas funcionales sobre un cordón depositado. Se llevaron a cabo cuatro pruebas de adquisición distintas sobre un mismo cordón: medición por delante, por detrás, en círculos y en arco. En la Figura 6.10 se presenta una comparativa visual de los resultados obtenidos con cada estrategia. Figura 6.10: Comparativa de mediciones sobre cordón depositado: a) Medición en círculos, b) Medición por delante, c) Medición por detrás, d) Medición en arco 38 Chapter 6 Diseño y desarrollo de la solución Del análisis de los resultados, se extraen las siguientes observaciones: • La medición por detrás muestra un elevado nivel de ruido, y a mitad del proceso deja de dar una señal válida, probablemente debido a la interferencia óptica generada por el baño fundido, lo que compromete la fiabilidad de los datos obtenidos. • La medición en círculos ofrece resultados más estables, pero presenta dificultades para discriminar claramente entre zonas dentro y fuera del cordón. Además, sin una adecuada frecuencia de muestreo y sincronización, pueden registrarse datos no representativos del proceso real. • La medición por delante proporciona una señal más limpia y coherente, pero puede quedarse corta en zonas con curvas pronunciadas o transiciones rápidas, al depender únicamente del punto frontal. • Por el contrario, la medición en arco, que recoge datos desde un conjunto de puntos orientados en un rango angular por delante del cordón, presenta una buena estabilidad y una posible mejor cobertura en curvas cerradas donde la medición en punto por delante podría ser inservible. En base a estas observaciones, se opta por adoptar la estrategia de medición en arco como base para el desarrollo posterior del algoritmo de control. Para comprobar su comportamiento ante geometrías más complejas, se realizó una segunda prueba funcional sobre una pieza con escalones y curvas, simulando diferentes situaciones topográficas que pueden encontrarse en procesos reales. La Figura 6.11 muestra la geometría de la pieza utilizada, mientras que en la Figura 6.12 se presenta el resultado de la adquisición con la estrategia en arco. Figura 6.11: Pieza de ensayo con escalones para prueba de medición en arco 6.3 Desarrollo del algoritmo de captura y detección de la distancia de trabajo 39 Figura 6.12: Resultado del escaneo de la pieza con la estrategia de medición en arco Los resultados demuestran que la medición en arco mantiene una buena respuesta ante discontinuidades y cambios de altura, adaptándose de forma robusta a la geometría de la pieza y permitiendo detectar correctamente variaciones topográficas relevantes. Asimismo, se aprecian las vibraciones inducidas por el movimiento del brazo robótico, las cuales, aunque presentes, no comprometen la fiabilidad del sistema. En conjunto, esta validación confirma la idoneidad de la estrategia seleccionada para su integración en el sistema de monitorización y control del proceso DED-LB/MW. 6.4 Desarrollo del algoritmo de optimización de parámetros para una fabricación sin defectos Antes del desarrollo del algoritmo de control automático, el ajuste de ciertos parámetros clave del proceso, en particular, la velocidad de avance del robot, se realizaba de forma manual por parte del operario encargado de la fabricación. Este ajuste se basaba fundamentalmente en la observación visual de la altura del cordón de deposición a través de la cámara de supervisión, permitiendo realizar pequeñas correcciones en tiempo real para evitar defectos en la pieza. Con el objetivo de replicar y automatizar esta tarea, se ha diseñado e implementado un controlador proporcional en lazo cerrado (ver 6.13, cuya función es corregir de forma continua la velocidad de alimentación del hilo en función de la distancia medida por el sensor OCT. Este enfoque busca mantener constante la altura del cordón depositado, homogeneizando el crecimiento de la pieza y buscando evitar el dripping o el stubbing que causan el paro del proceso. 40 Chapter 6 Diseño y desarrollo de la solución PPlanta R(s)Y(s) + − Figura 6.13: Diagrama de control con realimentación unitaria y controlador proporcional. La sintonización del controlador se ha llevado a cabo de forma heurística, basándose en el conocimiento empírico del personal técnico y en ensayos realizados sobre muestras de referencia. Esta decisión responde a la elevada complejidad inherente al proceso DED-LB/MW, en el que intervienen múltiples variables acopladas (potencia láser, velocidad del hilo, dinámica térmica, geometría del cordón, etc.) difíciles de modelar de manera precisa. La obtención de un modelo matemático completo, robusto y representativo del proceso requeriría una caracterización exhaustiva y un nivel de detalle que, en muchos casos, resulta inviable tanto por limitaciones prácticas como por la variabilidad intrínseca del sistema. Así, la aproximación heurística permite implementar un control efectivo sin necesidad de un modelo detallado, garantizando una respuesta suficientemente rápida y estable para mantener la calidad del cordón durante la fabricación. Para el diseño del controlador se ha definido una banda de error tolerable en torno a la distancia de referencia, contemplando desviaciones de hasta ±2 mm respecto a la altura deseada del cordón de deposición. Dentro de este margen, el sistema actúa de forma proporcional sobre la velocidad de desplazamiento del robot con el objetivo de corregir de forma continua la trayectoria y mantener la calidad geométrica del aporte. Figura 6.14: Curva del control proporcional con saturación 6.4 Desarrollo del algoritmo de optimización de parámetros para una fabricación sin defectos 41 En el caso de que el error supere este umbral, se alcanza la zona de saturación del controlador, en la que se aplica un incremento o reducción máxima del ±40% sobre la velocidad nominal del robot. Esta saturación ha sido establecida para evitar tanto oscilaciones bruscas como respuestas demasiado agresivas que pudieran comprometer la calidad de la pieza. 6.4.0.1 Validación de la estrategia de control Para validar el correcto funcionamiento del controlador proporcional implementado, se llevaron a cabo diversas pruebas experimentales, tanto en geometrías simples como en condiciones más exigentes. Estas pruebas han permitido ajustar el valor de la constante proporcional y verificar la capacidad del sistema para mantener una distancia de trabajo estable durante la deposición. La primera serie de ensayos se centró en el ajuste de la constante proporcional del controlador. Para ello, se realizaron diferentes cordones con un cambio brusco de la distancia de trabajo y rampas de pendiente constante que simulaban cambios en la distancia de trabajo. Se partió de una ganancia inicial conservadora, con la que el sistema no reaccionaba lo suficiente frente a la variación de la distancia de trabajo, lo que provocaba parones del proceso por formación de bola o enganchón del hilo con el sustrato. A partir de estos primeros resultados, se fue incrementando progresivamente el valor de la ganancia, observando en cada caso la estabilidad del proceso, la velocidad de respuesta y la ausencia de oscilaciones o errores acumulativos. El objetivo era alcanzar un valor suficiente como para evitar los parones en el proceso, pero sin comprometer la suavidad del movimiento ni generar respuestas demasiado agresivas. En la Figura 6.15 se presentan dos cordones depositados en condiciones comparables, en los cuales se incrementó de manera artificial la distancia de trabajo hasta alcanzar los 4 mm de desviación en la distancia de trabajo. En la comparación se aprecia de forma evidente la mejora en el comportamiento del sistema cuando se aplica el control, frente al cordón sin control, que no logra completar los 90 mm de trayectoria prevista. 42 Chapter 6 Diseño y desarrollo de la solución Figura 6.15: Resultados de pruebas para ajuste del parámetro proporcional del controlador. Comparativa con y sin control En la figura 6.16 se observan varios cordones depositados durante el proceso de ajuste del controlador. El último de ellos corresponde al primero en el que se logra reproducir el cordón deseado en su totalidad, como resultado de una adecuada selección de la acción proporcional. Figura 6.16: Varios cordones para el ajuste del controlador. Tras definir un valor adecuado de ganancia proporcional que garantizaba una respuesta estable, se realizó una prueba final sobre una geometría de mayor complejidad. En este caso, se fabricó una pieza con un perímetro cerrado en forma de cordón único, lo que la hace especialmente difícil de fabricar, que además incluye curvas pronunciadas diseñadas específicamente para forzar el crecimiento irregular del aporte si no se corrige dinámicamente la velocidad de alimentación del hilo. Ver figura 6.17. 6.4 Desarrollo del algoritmo de optimización de parámetros para una fabricación sin defectos 43 Figura 6.17: Trayectoria por capas de la pieza para la prueba final (En rojo trayectorias sin deposición y en azul trayectorias donde se deposita material). Este tipo de trayectoria representa un caso realista de fabricación exigente, en el que la velocidad constante produciría defectos por acumulación o déficit de material en las curvas. La Figura 6.18 muestra los intentos de fabricación en lazo abierto, mientras que la Figura 6.19 presenta la pieza fabricada con el sistema de control desplegado. Figura 6.18: Piezas fallidas fabricando sin control 44 Chapter 6 Diseño y desarrollo de la solución Figura 6.19: Resultado de la pieza fabricada con el control proporcional activo Los resultados muestran una mejora significativa en la homogeneidad del cordón respecto a casos sin control, donde además, a partir de la décima capa el proceso se detenía constantemente por formación de bolas. El sistema fue capaz de adaptarse a las variaciones geométricas de la trayectoria, ajustando en tiempo real la velocidad de desplazamiento del robot para mantener la altura deseada. En particular, se observa una corrección efectiva en las zonas curvas, donde se evitó la sobreacumulación de material, así como en los tramos rectos, donde se mantuvo una velocidad cercana a la nominal. Por otro lado, los datos registrados por el sensor durante la deposición (Figura 6.20) muestran que la variación de la distancia de trabajo se mantuvo dentro del rango de ±1mm . Este resultado confirma la estabilidad del lazo de control y la capacidad del sistema para compensar perturbaciones durante el proceso, manteniendo la trayectoria efectiva dentro de márgenes compatibles con las tolerancias propias de la técnica DED-LB/MW. En ausencia de control, este nivel de precisión resulta difícil de alcanzar, lo que refuerza la relevancia de la estrategia implementada para garantizar la calidad geométrica del cordón y la repetibilidad del proceso. 6.4 Desarrollo del algoritmo de optimización de parámetros para una fabricación sin defectos 45 8 Descripción del presupuesto En este apartado se recogen los costes asociados al desarrollo del proyecto, organizados por categorías para una mayor claridad. Se incluyen tanto los recursos materiales y técnicos necesarios (equipos, software y consumibles), como la dedicación estimada de personal y otros gastos derivados. El objetivo es ofrecer una visión clara y ordenada del presupuesto total, facilitando la comprensión de la inversión necesaria para llevar a cabo el proyecto. En la primera tabla se recogen las horas internas dedicadas, desglosadas en las diferentes categorías de personal implicadas en el proyecto. Tabla 8.1: Horas internas y costes asociados Uds. (h) Concepto Coste Unitario (C/h) Coste Total (C) 500 Ingeniería Junior 62,00 31 000,00 50 Ingeniería Senior 81,00 4050,00 20 Director de Proyecto 100,00 2000,00 80 Maestro de Taller 50,00 4000,00 Subtotal 41 050,00 En la segunda tabla se recogen las amortizaciones de los equipos, instrumentos y licencias empleados en el desarrollo del proyecto. Para cada elemento se detallan el número de horas de uso estimadas, el coste de adquisición, la vida útil considerada y el coste unitario por hora, lo que permite calcular el coste total imputable al proyecto. De este modo, se obtiene una visión clara de la repercusión económica asociada al uso de recursos materiales y tecnológicos. 53 Tabla 8.2: Amortizaciones Uso (h) Concepto Coste (C) Vida útil (años) Coste Ud. (C/h) Coste Total (C) 210 Celda de DED-LB/MW 500 000,00 5 66,67 14 000,70 210 Robot ABB 30 000,00 5 4,00 840,00 210 Láser de Estado Sólido 80 000,00 5 10,67 2240,70 210 Cabezal COAXwire®de Fraunhofer IWS 20 000,00 2 6,67 1400,70 210 Alimentador de Hilo 10 000,00 2 3,33 699,30 210 Sesor OCT 35 000,00 4 5,83 1224,30 210 Cámara Cávitar®15 000,00 5 2,5 525,00 800 Ordenador 1500,00 5 0,20 160,00 300 Licencia MS Office 180,00 1 0,12 36,00 500 Licencia Matlab 800,00 1 0,53 266,67 Subtotal 21393,37 Finalmente, es necesario considerar los gastos materiales derivados del desarrollo del proyecto. En esta partida se incluyen los consumibles, componentes y materiales empleados durante la ejecución de los ensayos, cuyo coste directo debe ser imputado al presupuesto global. Tabla 8.3: Gastos materiales Uds. Concepto Coste Unitario (C/Ud) Coste Total (C) 1 Bobina de Acero 15kg 1.2mm de hilo de Acero 316L 208,58 208,58 2 Sustrato acero 316L 17,50 35,00 3 Boquillas 39,00 117,00 7 cerámicas de protección 41,00 217,00 – Material de Oficina – 50,00 Subtotal 627,58 Por último, se presenta el resumen de los gastos totales a partir de la suma de los anteriores. Tabla 8.4: Resumen de los gastos totales. Gastos totales Total (C) Gastos internos 41.050,00 Amortizaciones 21.393,37 Gastos materiales 627,58 Subtotal gastos directos 63070,95 Costes indirectos (7%) 4414,97 Total Presupuesto 67485,92 54 Chapter 8 Descripción del presupuesto Por lo tanto, el presupuesto necesario para llevar a cabo este TFM es de 67.485,92 euros. 55 9 Conclusiones y Líneas Futuras El presente Trabajo de Fin de Máster ha permitido demostrar que la integración de un sensor de Tomografía de Coherencia Óptica (OCT) en una célula robotizada de fabricación aditiva constituye una solución eficaz para la monitorización en tiempo real de la distancia de trabajo durante procesos DED-LB/MW. Gracias a esta incorporación, se ha conseguido un mayor control sobre la estabilidad del proceso y una mejora significativa en la fiabilidad de la deposición. Entre las estrategias ensayadas, la medición en arco con el sensor OCT ha mostrado un comportamiento especialmente robusto frente a otras alternativas, ya que mantiene lecturas más estables y representativas incluso en trayectorias complejas o con curvas pronunciadas. Asimismo, la implementación de un algoritmo de control proporcional, alimentado por las lecturas del sensor, ha permitido mantener la altura del cordón dentro de márgenes de tolerancia predefinidos, reduciendo de manera notable la aparición de defectos críticos como el dripping o el stubbing. La validación experimental confirma que el sistema de monitorización y control propuesto no solo mejora la homogeneidad del cordón depositado, sino que también incrementa la reproducibilidad de los resultados, lo que representa un avance hacia procesos de fabricación aditiva más fiables, consistentes y robustos en entornos industriales. Desde una perspectiva económica, la reducción de defectos y de desperdicio de material contribuye directamente a incrementar la eficiencia productiva y la competitividad del proceso, reforzando al mismo tiempo su alineación con los objetivos de sostenibilidad y de producción responsable. De cara a futuras líneas de investigación, se identifican varios ámbitos de desarrollo. En primer lugar, resulta necesario optimizar la sincronización de la orientación del puntero del sensor OCT con la trayectoria de deposición, a fin de garantizar la correcta adquisición de datos en geometrías más exigentes. Igualmente, se propone validar el sistema de control en la fabricación de piezas con aplicación industrial real, como un álabe, lo que permitirá evaluar su rendimiento en condiciones representativas. En un segundo nivel, se plantea avanzar hacia un sistema de control más avanzado que actúe de manera conjunta sobre la velocidad de alimentación del hilo y la potencia del láser, incorporando además la monitorización de la temperatura del baño fundido como variable de referencia adicional. 57 Finalmente, como horizonte más ambicioso, se propone evolucionar hacia un sistema completamente autónomo, capaz de operar sin supervisión continua, lo que incrementaría de forma significativa su fiabilidad y facilitaría su integración en entornos de producción industrial automatizados. 58 Chapter 9 Conclusiones y Líneas Futuras Bibliografía [1]3D printing: What is it & how does it work? en (cit. on p. 15). [2] Additive manufacturing - General principles - Fundamentals and vocabulary: en (cit. on p. 14). 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Distancia ; 5errorDist_value := MAX ( errorDist_value , -2); 6errorDist_value := MIN ( errorDist_value , 2) ; 7n1 := 0; 8n2 := 0; 9; 10 num_VelHilo := 0.0; 11 den_VelHilo := 0.0; 12 FOR i := 0 TO 4DO 13 mu_errorDist [i] := TriangularMF ( errorDist_value , MF_errorDist[i].a,MF_errorDist[i].b,MF_errorDist[i].c) ; 14 15 IF mu_errorDist[i] > 0.0 THEN 16 17 idx_errorDist [n2 ] := i; // Almacenando el indice donde el valor de pertenencia es > 0.0 , para agilizar el c l c u l o de las reglas 18 n2 := n2 + 1; 19 END_IF 20 21 END_FOR 22 23 FOR j:= 0 TO n2 DO 24 idx2 := idx_errorDist [j ]; 25 grado_pertenencia := mu_errorDist [ idx2 ]; 26 num_VelHilo := num_VelHilo + grado_pertenencia * rules_VelHiloSimple[idx2]; 27 den_VelHilo := den_VelHilo + grado_pertenencia ; 28 END_FOR 29 30 IF den_VelHilo <> 0.0 THEN 31 sal_VelHilo := num_VelHilo / den_VelHilo; 32 ELSE 33 sal_VelHilo := 0.0; 34 END_IF; 35 gVisu . SettingsBut . Salida_Sim_Aux := sal_VelHilo ; 36 gMulticontrol . AjusteVel := sal_VelHilo ; 69 37 38 ELSE 39 gMulticontrol . AjusteVel := 0.0; 40 END_IF 41 42 END_PROGRAM 70 Chapter C Anexo III: Código del PLC 71