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 > Es udian e: Albe di, González, Da id Di ec o /Di ec o a: Cabanes, Axpe, I zia Codi ec o /Codi ec o a: Cu so: 2024 -2025 Fecha: <Bilbao, 30, 07, 2025> Resumen T ilingüe Resumen Es e T abajo de Fin de Más e p esen a el desa ollo de un sis ema de moni o ización y con ol basado en un senso de Tomog a ía de Cohe encia Óp ica (OCT). Es a medida se á u ilizada pa a p opone una moni o ización de la dis ancia de abajo en p ocesos como el de ab icación po Deposición Di ec a de Ene gía con Láse y alimen ación po hilo me álico (DED-LB/MW). Adicionalmen e, es e sis ema de medida se ha in eg ado en una célula obo izada de ab icación adi i a, de mane a que pe mi e ajus a en iempo eal los pa áme os del p oceso, mejo ando su es abilidad y educiendo de ec os c í icos en las piezas ab icadas. Es e desa ollo ha sido alidado expe imen almen e, ob eniendo una deposición más uni o me y p ecisa, adecuada a los es ánda es indus iales. palab as cla e: DED-LB/MW, senso OCT, moni o ización, con ol, ab icación adi i a po hilo me álico. Abs ac This Mas e ’s Thesis p esen s he de elopmen o a moni o ing and con ol sys em based on an Op ical Cohe ence Tomog aphy (OCT) senso . The measu emen p o ided by his sys em is used o moni o he wo king dis ance in manu ac u ing p ocesses such as Di ec ed Ene gy Deposi ion wi h lase beam and me al wi e (DED- LB/MW). Addi ionally, he measu emen sys em has been in eg a ed in o a obo ic addi i e manu ac u ing cell, enabling eal- ime adjus men o p ocess pa ame e s. This con ibu es o enhanced p ocess s abili y and a educ ion in c i ical de ec s in he manu ac u ed pa s. The sys em has been expe imen ally alida ed, esul ing in mo e uni o m and accu a e deposi ion, in line wi h indus ial s anda ds. Keywo ds: DED-LB/MW, OCT senso , moni o iza ion, con ol, wi e di ec ed addi i e manu ac u ing, Labu pena Mas e Amaie ako Lan honek Kohe en zia Op ikoko Tomog a ia (OCT) sen so e ba ean oina i u ako moni o izazio e a kon ol sis ema ba en ga apena au kez en 3 du. Neu i ho i e abiliko da lase -so a e a ha i me alikoa (DED-LB/MW) di uen Di ec ed Ene gy Deposi ion ab ikazio-p ozesuko lan-dis an zia en moni o izazioa p oposa zeko. Gaine a, neu ke a-sis ema ho i ab ikazio adi iboko zelula obo iza u ba ean in eg a u da, e a, hala, p ozesua en pa ame oak denbo a e ealean doi u dai ezke, egonko asuna hobe uz e a ab ika u ako piezen aka s k i ikoak mu iz- uz. Sis ema espe imen alki balioz a u da, e a ho i eske deposizio uni o mea e a zeha zagoa lo u da, indus ia-es anda ekin ba e o iz. Hi z gakoak: DED-LB/MW, OCT sen so ea, moni o izazioa, kon ola, ha i bidezko ab ikazio gehiga ia 4 Índice Índice de Figu as 7 Índice de Tablas 9 Ac ónimos 11 1 In oducción 1 2 Con ex o 3 3 Obje i os y alcance 5 3.1 Obje i os ................................. 5 3.2 Alcance .................................. 6 4 Bene icios que apo a el TFM y su elación con los Obje i os de Desa - ollo Sos enible (ODS) 9 4.1 BENEFICIOS TECNOLÓGICOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 4.2 BENEFICIOS ECONÓMICOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 4.3 BENEFICIOS AMBIENTALES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 4.4 Relación del TFM con los Obje i os de Desa ollo Sos enible . . . . . 10 5 Es ado del a e 13 5.1 Fab icaciónAdi i a............................ 13 5.2 Clasi icación de p ocesos de ab icación adi i a . . . . . . . . . . . . 14 5.2.1 DED-LB/MW: P oceso de Deposición Di ec a de Ene gía con alimen ación de hilo me álico . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 5.3 MONITORIZACIÓN............................ 19 5.4 NECESIDAD DE CONTROL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 6 Diseño y desa ollo de la solución 25 6.1 Desc ipción de la célula obo izada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 6.1.1 Equipamien o........................... 26 6.1.2 Sis ema de con ol ha dwa e . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 6.1.3 So wa eTekAM©........................ 28 6.1.4 Inco po ación y pues a en ma cha del nue o senso OCT . . . 29 6.2 Diseño de la a qui ec u a de comunicaciones . . . . . . . . . . . . . . 34 5 6.3 Desa ollo del algo i mo de cap u a y de ección de la dis ancia de abajo................................... 36 6.3.1 Validación del sis ema de medición de dis ancias . . . . . . . 38 6.4 Desa ollo del algo i mo de op imización de pa áme os pa a una ab icación sin de ec os . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 7 Me odología 47 7.1 FasesdelP oyec o ............................ 47 7.2 Hi osdelp oyec o ............................ 50 7.3 Diag amadeGan ............................ 51 8 Desc ipción del p esupues o 53 9 Conclusiones y Líneas Fu u as 57 Bibliog a ía 59 A Anexo I: Funcionamien o del senso OCT 63 B Anexo II: Código MATLAB 65 C Anexo III: Código del PLC 69 6 Índice de Figu as 2.1 Á eas de in es igación en Teknike . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 4.1 ODS 9. Indus ia, Inno ación e In aes uc u a . . . . . . . . . . . . . . 11 4.2 ODS 12. P oducción y Consumo Responsables . . . . . . . . . . . . . . 11 4.3 ODS 13. Acción po el clima . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 4.4 ODS 8. T abajo Decen e y C ecimien o Económico . . . . . . . . . . . . 11 5.1 Tecnologías de ab icación adi i a [1] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 5.2 E olución del enómeno de o mación de bola o d ipping [22]. . . . . 18 5.3 E olución del enómeno de oce del hilo o s ubbing [22]. . . . . . . . . 18 6.1 Célula obó ica ............................... 25 6.2 Robo IRB 4600 de ABB (izquie da) y posicionado IRP A de ABB (de echa)................................... 26 6.3 Pan alla p incipal de TekAM © . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 6.4 Pasos del p ocedimien o de calib ación del senso OCT: (1) Ma caje eje "x", (2) posicionamien o de la boquilla sob e la diana, (3) ajus e de los espejos, (4) comp obación de la alineación de los ejes. . . . . . . . . . 31 6.5 Lec u a del OCT con el cabezal es á ico en la aplicación IDM Explo e , eje e ical en µm. ............................. 33 6.6 Lec u a del senso con el cabezal en mo imien o en la aplicación IDM Explo e , eje e ical en µm......................... 33 6.7 A qui ec u a de comunicaciones del sis ema . . . . . . . . . . . . . . . 34 6.8 Ejemplo del código RAPID de una ayec o ia . . . . . . . . . . . . . . 36 6.9 Es a egias de moni o ización: a) Medición en cí culos, b) Medición po delan e, c) Medición po de ás, d) Medición en a co po delan e. . 38 6.10 Compa a i a de mediciones sob e co dón deposi ado: a) Medición en cí culos, b) Medición po delan e, c) Medición po de ás, d) Medición ena co.................................... 38 6.11 Pieza de ensayo con escalones pa a p ueba de medición en a co . . . . 39 6.12 Resul ado del escaneo de la pieza con la es a egia de medición en a co 40 6.13 Diag ama de con ol con ealimen ación uni a ia y con olado p opo - cional..................................... 41 6.14 Cu a del con ol p opo cional con sa u ación . . . . . . . . . . . . . . 41 7 6.15 Resul ados de p uebas pa a ajus e del pa áme o p opo cional del con- olado . Compa a i a con y sin con ol . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 6.16 Va ios co dones pa a el ajus e del con olado . . . . . . . . . . . . . . . 43 6.17 T ayec o ia po capas de la pieza pa a la p ueba inal (En ojo ayec o- ias sin deposición y en azul ayec o ias donde se deposi a ma e ial). . 44 6.18 Piezas allidas ab icando sin con ol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 6.19 Resul ado de la pieza ab icada con el con ol p opo cional ac i o . . . 45 6.20 Análisis de la a iación de la dis ancia de abajo en la pieza inal . . . 46 7.1 Diag ama de Gan del p oyec o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 8 Índice de Tablas 5.1 Compa ación en e el uso de hilo y pol o en la alimen ación . . . . . . 16 5.2 Resumen de los sis emas de con ol empleados en DED-LB. No a: WS = Velocidad de alimen ación del hilo, H = Al u a del co dón, W = Ancho del co dón, PL = Po encia del láse , T = Tempe a u a, CCD = Cáma a CCD, OCT = Tomog a ía de Cohe encia Óp ica, FF = Feed o wa d, PI = Con olado P opo cional-In eg al, MPC = Model P edic i e Con ol, ILC = I e a i e Lea ning Con olle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 7.1 Hi os p incipales del p oyec o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 8.1 Ho as in e nas y cos es asociados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 8.2 Amo izaciones ............................... 54 8.3 Gas osma e iales.............................. 54 8.4 Resumen de los gas os o ales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 9 3 Obje i os y alcance 3.1 Obje i os En el ma co de la FA y, en pa icula , del p oceso DED-LB/MW, los a ances ec- nológicos han pe mi ido explo a nue as aplicaciones indus iales, pe o ambién han pues o en e idencia la necesidad de con ola y mi iga cie os de ec os que a ec an la calidad y es abilidad del p oceso. Pa a abo da es os desa íos, es e T abajo de Fin de Más e p opone un en oque o ien ado a mejo a el desempeño del p oceso median e he amien as de moni o ización y con ol. A con inuación, se de allan los obje i os que guían el desa ollo de es e TFM, así como el alcance que delimi a las ac i idades y esul ados espe ados. Con el con ex o p esen ado en el apa ado 2, el obje i o p incipal de es e TFM es desa olla un sis ema de moni o ización y con ol del p oceso DED-LB/MW basado en el ajus e de uno de los pa áme os cla e del p oceso: la elocidad de alimen ación del hilo, en unción de la dis ancia de abajo en e la boquilla y el sus a o. Man ene unas condiciones óp imas del apo e es undamen al pa a ga an iza la es abilidad de la deposición y educi los de ec os c í icos, mejo ando la iabilidad y la e iciencia del p oceso de ab icación. Pa a log a es e obje i o p incipal, se plan ean los siguien es obje i os pa ciales: •O.1. In eg ación de un senso de dis ancia: Inco po a un senso de Tomog a ía de Cohe encia Óp ica (OCT) en la célula obó ica, asegu ando su in eg ación an o ísica como uncional con el es o del sis ema. Es e obje i o incluye la co ec a colocación del senso en el cabezal y la conexión con los disposi i os de adquisición, así como su con igu ación y calib ación pa a log a mediciones p ecisas y iables de la dis ancia de abajo du an e el p oceso DED-LB/MW. •O.2. Desa ollo del sis ema de adquisición de la dis ancia de abajo: Sinc oniza de o ma e ec i a la ayec o ia del obo con la o ien ación del senso OCT, ga an izando una lec u a p ecisa y con inua de la dis ancia de abajo du an e el p oceso de ab icación. Es e obje i o implica la in eg ación del senso con el sis ema de gene ación de ayec o ias pa a la ab icación en la célula, la con igu ación del ha dwa e y so wa e de adquisición, y la alidación de la calidad de los da os ob enidos en dis in as condiciones ope a i as. 5 •O.3. Diseño del sis ema de con ol: De ini la a qui ec u a del sis ema de con ol, modelando su compo amien o espe ado y desa ollando los algo i mos necesa ios pa a la supe isión y ajus e en iempo eal del p oceso. Es e obje i o aba ca desde la elabo ación de dia- g amas uncionales has a la c eación de bloques de con ol lógico y es a egias de ac uación basadas en las lec u as del senso OCT. • O.4. Implemen ación del sis ema de con ol en la célula de ab icación obo izada de DED-LB/MW: In eg a y pone en ma cha el sis ema comple o den o de la célula, ali- dando su uncionamien o en condiciones eales de ab icación. Es o incluye la ca ga del p og ama en el PLC, la conexión con el es o de disposi i os ( obo , cabezal, senso es), así como la ealización de p uebas pa a asegu a la co ec a ejecución del con ol y la supe isión del p oceso en iempo eal. 3.2 Alcance El p esen e T abajo de Fin de Más e se enma ca en la ecnología de deposición di ec a de ene gía con haz láse y ma e ial de apo e en o ma de hilo me álico, es deci , en la a ian e DED-LB/MW. Aunque exis en o as con igu aciones den o de es a amilia de p ocesos, como la DED-LB/MP (Lase Beam wi h Me al Powde ), es a úl ima queda ue a del alcance del es udio, a pesa de compa i cie os p incipios ísicos comunes. El en oque del abajo se cen a especí icamen e en la moni o ización y el con ol de la dis ancia de abajo en e la boquilla y el sus a o, empleando pa a ello un senso OCT y ac uando sob e la elocidad de alimen ación del hilo me álico. Po an o, no se abo dan o os ipos de moni o ización, como la é mica o la geomé ica, ni se con empla el análisis de los de ec os in e nos gene ados du an e la ab icación, como po osidad, inclusiones o al a de usión. Asimismo, el análisis mecánico o me alog á ico de las piezas ab icadas ampoco o ma pa e de los obje i os de es e TFM. El es udio no incluye ensayos des uc i os ni ca ac e ización a anzada del ma e ial deposi ado, ya que el oco se encuen a en el diseño, in eg ación y alidación uncional de un sis ema de moni o ización aplicado al con ol de p oceso. Po o o lado, se ha abajado sob e una con igu ación en línea, en la que el sis ema OCT p opo ciona in o mación en iempo eal du an e la ab icación, a di e encia de o as es a egias que ecu en a un pos p ocesado de da os. 6Chap e 3 Obje i os y alcance Todo aquello que no se haya a ado explíci amen e en es e apa ado queda ue a del alcance del p esen e abajo, y pod á se conside ado como base pa a u u as in es igaciones. 3.2 Alcance 7 4 Bene icios que apo a el TFM y su elación con los Obje i os de Desa ollo Sos enible (ODS) El diseño de una es a egia de moni o ización y con ol pa a el p oceso de DED- LB/MW ae múl iples bene icios en el ámbi o de la ab icación adi i a. És os se clasi ican en las siguien es ca ego ías: bene icios ecnológicos, bene icios económicos y bene icios ambien ales. Cada una de es as ca ego ías no solo supone un a ance signi ica i o en la e iciencia y calidad del p oceso, sino que ambién e ue za la sos enibilidad de la ab icación indus ial y la ges ión esponsable de los ecu sos ma e iales y ene gé icos. 4.1 BENEFICIOS TECNOLÓGICOS La implemen ación de un sis ema de moni o ización y con ol basado en Tomog a ía de Cohe encia Óp ica (OCT) en el p oceso DED-LB/MW ep esen a un cla o a ance ecnológico den o del campo de la FA me álica. Es e sis ema pe mi e ajus a en iempo eal los pa áme os del p oceso pa a man ene unas condiciones óp imas de apo e, lo que mejo a signi ica i amen e la es abilidad del p oceso y la calidad de la deposición. Además, es e ipo de solución apo a una mayo capacidad de espues a an e des ia- ciones no p e is as du an e la ab icación, lo que ab e la pue a a sis emas de con ol más in eligen es y adap a i os. En es e sen ido, el abajo con ibuye al desa ollo de ecnologías más obus as y e icien es, alineadas con los equisi os de una indus ia 4.0, donde la in eg ación de senso es, au oma ización y con ol a anzado es cla e pa a el desa ollo de p ocesos al amen e op imizados. 4.2 BENEFICIOS ECONÓMICOS Desde el pun o de is a económico, la op imización del p oceso DED-LB/MW me- dian e sis emas de moni o ización como el p opues o pe mi e educi signi ica i a- men e el núme o de piezas de ec uosas y el despe dicio de ma e ial, lo que epe cu e di ec amen e en la mejo a del endimien o económico del p oceso. Es a mejo a en la e iciencia p oduc i a a o ece la implemen ación de en oques como Fi s -Time- Righ (FTR), cen ado en la ob ención de componen es desde la p ime a ejecución 9 del p oceso, y Ze o De ec Manu ac u ing (ZDM), o ien ado a la p e ención sis- emá ica de de ec os median e un con ol p eciso y con inuo de la ab icación. Una mayo e iciencia implica meno es cos es de p oducción y una mejo u ilización de ecu sos. Asimismo, la in eg ación de ecnologías a anzadas como la OCT en en o nos indus- iales e ue za la compe i i idad de las emp esas que apues an po la inno ación en sus p ocesos p oduc i os. Es e ipo de desa ollos, además, impulsa la gene ación de empleo écnico y especializado, con ibuyendo al c ecimien o del ejido indus ial inculado a la I+D+i. 4.3 BENEFICIOS AMBIENTALES Aunque el impac o ambien al no es el eje p incipal del p esen e abajo, sí se puede señala una epe cusión posi i a indi ec a de i ada de la mejo a de la e iciencia del p oceso. Una deposición más con olada y p ecisa conlle a una meno gene ación de esiduos me álicos y un uso más acional de ma e iales y ene gía du an e la ab icación. Además, la posibilidad de ab ica piezas con mayo p ecisión y meno necesidad de ope aciones pos e io es de mecanizado ayuda a educi la huella ambien al asociada a las ope aciones indus iales. En es e sen ido, el abajo con ibuye, aunque de o ma secunda ia, a los obje i os de sos enibilidad en los p ocesos de ab icación. 4.4 Relación del TFM con los Obje i os de Desa ollo Sos enible El p esen e TFM se alinea con di e sos Obje i os de Desa ollo Sos enible es ableci- dos en la Agenda 2030 de las Naciones Unidas. En pa icula , con ibuye de o ma di ec a a los siguien es: ODS 9: Indus ia, Inno ación e In aes uc u a El desa ollo de ecnologías de moni o ización a anzadas aplicadas a p ocesos de FA ep esen a una cla a con ibución al o alecimien o de in aes uc u as indus- iales inno ado as y sos enibles. Es e abajo p omue e la in es igación aplicada y la ans e encia ecnológica, pila es undamen ales de una indus ia mode na y esilien e. 10 Chap e 4 Bene icios que apo a el TFM y su elación con los Obje i os de Desa ollo Sos enible (ODS) Figu a 4.1: ODS 9. Indus ia, Inno ación e In aes uc u a ODS 12: P oducción y Consumo Responsables La mejo a de la e iciencia del p oceso DED-LB/MW median e el con ol de pa áme - os c í icos con ibuye a una educción signi ica i a del despe dicio de ma e ial y a una u ilización más esponsable de los ecu sos en en o nos indus iales, alineándose con los p incipios de sos enibilidad y ab icación e icien e. Figu a 4.2: ODS 12. P oducción y Consumo Responsables ODS 13: Acción po el Clima Aunque de o ma indi ec a, el aumen o de la e iciencia y es abilidad en los p ocesos de ab icación puede supone una disminución del consumo ene gé ico y, po an o, una educción de la huella ambien al asociada a la p oducción indus ial. Es e ipo de a ances ecnológicos e ue zan la mi igación del cambio climá ico desde una pe spec i a écnica. Figu a 4.3: ODS 13. Acción po el clima ODS 8: T abajo Decen e y C ecimien o Económico Al omen a la inno ación ecnológica en el en o no indus ial, se con ibuye a mejo a la compe i i idad emp esa ial y a la gene ación de empleo cuali icado en sec o es es a égicos como el de la ab icación a anzada. Figu a 4.4: ODS 8. T abajo Decen e y C ecimien o Económico 4.4 Relación del TFM con los Obje i os de Desa ollo Sos enible 11 5 Es ado del a e En es e capí ulo se ealiza una e isión exhaus i a del es ado ac ual de la ecnología y las me odologías elacionadas con la ab icación adi i a (FA), en pa icula aquellas basadas en la écnica de Deposición Di ec a de Ene gía con Láse y alimen ación po hilo me álico (DED-LB/MW). Se comienza con una in oducción gene al a los undamen os y en ajas de la FA, seguida de una clasi icación de allada de los dis in os p ocesos exis en es. Pos e io men e, se p o undiza especí icamen e en la ecnología DED-LB/MW, des acando sus ca ac e ís icas pa icula es, bene icios y desa íos asociados, con én asis en la impo ancia de asegu a la calidad y es abilidad del p oceso a a és de es a egias de moni o ización y con ol a anzadas. 5.1 Fab icación Adi i a La FA, conocida en inglés como Addi i e Manu ac u ing (AM), es una ecnología inno ado a que pe mi e la c eación de obje os idimensionales median e la supe - posición con olada de capas de ma e ial, a pa i de un modelo digi al. Es e en oque con as a con los mé odos de ab icación adicionales, que suelen depende de p o- cesos sus ac i os, como el mecanizado, o con o ma i os, como el moldeo. Desde su in oducción, la FA ha e olucionado múl iples sec o es indus iales, consolidándose como una he amien a cla e en el diseño y la p oducción a anzada. En e las p incipales en ajas de la FA des aca su capacidad pa a ab ica geome ías complejas, que se ían in iables o ex emadamen e cos osas con mé odos con en- cionales. Es o pe mi e op imiza diseños en unción de c i e ios uncionales y es é icos, a o eciendo su uso en sec o es como el ae oespacial [8], el biomédico [28] y el sec o de au omoción [3]. O a en aja ele an e es la op imización del uso de ma e iales. En compa ación con los mé odos sus ac i os, que gene an una conside able can idad de despe dicio, la FA u iliza únicamen e el ma e ial necesa io, haciéndola más e icien e y sos enible. Es a educción en el despe dicio ambién con ibuye a minimiza el impac o ambien- al de los p ocesos p oduc i os[16]. La pe sonalización es o o aspec o des acado. La FA pe mi e adap a p oduc os a las necesidades especí icas del clien e sin inc emen a signi ica i amen e los cos es. Es o es pa icula men e ú il en aplicaciones como la ab icación de p ó esis, dis- 13 Las a iables más ele an es que suelen moni o iza se en es os p ocesos incluyen la al u a del co dón deposi ado, el ancho del mismo, la empe a u a del baño undido y la dis ibución é mica en la zona a ec ada po el láse . Además, se analiza la p esencia de de ec os supe iciales, como anomalías, p oyecciones de ma e ial o la o mación de go a (d ipping). La cap ación p ecisa de es os pa áme os es undamen al pa a e alua la calidad dimensional y la in eg idad mecánica de las piezas, y pa a p opo ciona los da os de en ada a los sis emas de con ol. La moni o ización en iempo eal en en a di e sos e os écnicos, de i ados p in- cipalmen e de la na u aleza dinámica y hos il del p oceso. Po un lado, la al a luminosidad gene ada po el láse y el baño undido di icul a la adquisición de imá- genes cla as y p ecisas, especialmen e cuando se u ilizan cáma as óp icas. Po o o lado, las al as empe a u as y la p esencia de p oyecciones de ma e ial pueden daña los senso es o gene a lec u as e óneas si no se implemen an sis emas de p o ección adecuados, e imposibili an comple amen e el uso de senso es de con ac o. Además, la necesidad de adqui i da os a al a elocidad pa a cap u a enómenos ansi o ios plan ea exigencias signi ica i as en é minos de p ocesamien o y ansmisión de la in o mación. En es e con ex o, la omog a ía de cohe encia óp ica (OCT) se p esen a como una ecnología especialmen e p ome edo a po su al a esolución axial, su capacidad de adquisición en iempo eal y su compa ibilidad con en o nos hos iles. El senso OCT ob iene in o mación sob e la dis ancia en e el cabezal y el ma e ial base a a és del pue o óp ico y midiendo ue a del baño undido ( e Anexo A), lo que pe mi e dispone de in o mación independien e de la di ección de mo imien o y de las ca ac e ís icas y a iaciones del baño undido. No obs an e, en los es udios p opues os has a el momen o, el sis ema OCT se encuen a o ien ado en una única di ección de apo e [6, 5], lo que limi a su aplicación al con ol de geome ías simples y especí icas, di icul ando su uso en escena ios más complejos y ep esen a i os de p ocesos de ab icación 3D median e DED-LB/MW. 5.4 NECESIDAD DE CONTROL La p esencia de de ec os ex e nos, como la o mación de bola (d ipping) y el oce del hilo (s ubbing), e idencia la impo ancia de implemen a es a egias de con ol en iempo eal pa a op imiza la calidad de la deposición. Es os de ec os no solo a ec an nega i amen e la es abilidad del p oceso, sino que además comp ome en la in eg idad es uc u al y geomé ica de las piezas ab icadas. Po an o, el desa ollo y aplicación de es a egias e icaces pa a la de ección emp ana y la co ección dinámica de des iaciones en los pa áme os del p oceso esul an undamen ales pa a ga an iza la calidad de la deposición. 20 Chap e 5 Es ado del a e En la li e a u a se han in es igado di e sas écnicas des inadas a mejo a el con ol y la es abilidad en los p ocesos de DED-LB. En e ellas, des acan el uso de senso es óp icos y é micos, así como es a egias de e oalimen ación en iempo eal pa a ajus a dinámicamen e la po encia del láse , la elocidad de alimen ación del hilo y o os pa áme os cla e. En es a sección, se analiza án las es a egias de con ol disponibles y su impac o en la educción de de ec os du an e la deposición. Hua y Choi [15] implemen a on un sis ema de con ol en lazo ce ado pa a egula la al u a del co dón median e lógica di usa, u ilizando cáma as CCD pa a medi la dis ancia de abajo y ajus a en iempo eal la po encia del láse . Es e en oque mejo ó signi ica i amen e la uni o midad del co dón deposi ado; no obs an e, los au o es ad i ie on que un uso excesi o del sis ema de con ol podía induci de ec os po al a de usión, p incipalmen e debido a la in e upción ecuen e del haz láse , lo que a ec aba nega i amen e la con inuidad del p oceso de deposición. Pos e io men e, He ali´ c e al. [12] in oduje on un esquema doble PI pa a la egulación simul ánea de la al u a y el ancho del co dón deposi ado, median e la modulación de la po encia del láse y la elocidad de alimen ación del hilo. U ilizando una cáma a CCD pa a ob ene e oalimen ación isual en iempo eal, log a on mejo a signi ica i amen e la es abilidad dimensional del p oceso. Sin emba go, el con ol de la al u a p esen ó limi aciones debido a la necesidad de posiciona el sis ema de medición a cie a dis ancia del baño de usión, lo que gene aba un e aso en la señal de e oalimen ación que di icul aba la compensación de pe u baciones ápidas. Con inuando es a línea, es os mismos au o es desa olla on dos es a egias indepen- dien es: un con olado PI pa a man ene cons an e la anchu a del co dón ajus ando la po encia del láse , y un compensado an icipa i o ( eed- o wa d) pa a la al u a del co dón, basado en mediciones óp icas con cáma as mon adas ex e namen e [14]. Aunque ambas écnicas log a on mejo as signi ica i as en la es abilidad dimensional del p oceso, se iden i ica on limi aciones elacionadas con posibles e o es de medi- ción de i ados del posicionamien o de las cáma as y las di icul ades pa a medi la al u a jus o de ás del baño de usión debido a su al a luminosidad. En el ma co de los a ances en el con ol de p ocesos de deposición po láse , He ali´ c e al. [13] explo a on el uso de un con ol i e a i o basado en ap endizaje (ILC, po sus siglas en inglés) como es a egia de con ol o line pa a op imiza el con ol de al u a del co dón. En su p opues a, emplea on un escáne láse 3D pa a ob ene mediciones p ecisas de la al u a del co dón as la deposición de cada capa, lo que pe mi ió ajus a la elocidad de alimen ación del hilo en la capa siguien e según las des iaciones de ec adas. Es e en oque demos ó se e icaz en la educción p og esi a de los e o es acumulados, log ando una no able mejo a en la es abilidad geomé ica del p oceso du an e la deposición de múl iples capas. No obs an e, los 5.4 NECESIDAD DE CONTROL 21 au o es señala on que el escaneado de supe icies me álicas calien es p esen aba cie as di icul ades, especialmen e en la medición de los co dones pe i é icos debido a p oblemas de e lexión y baja in ensidad de la luz e lejada hacia el senso . Gibson e al. [11] cen a on su es a egia en la es abilidad é mica del baño un- dido, implemen ando un con ol en lazo ce ado basado en cáma as é micas pa a man ene cons an e el amaño del baño undido. Es e en oque pe mi ió con ola p opiedades geomé icas locales y mi iga de ec os é micos como la al a de usión o sob ecalen amien os locales. En el ámbi o de écnicas a anzadas de medición, Becke e al. [5] u iliza on la omog a ía de cohe encia óp ica (OCT) pa a con ola la al u a del co dón en iempo eal median e un con olado PI que egulaba la elocidad del hilo. Es e en oque log ó educi conside ablemen e las des iaciones geomé icas acumuladas en la ab icación de componen es de aluminio Al-5356. Po o a pa e, Be naue e al. [7] implemen a on un con ol é mico en p ocesos de deposición con ace o inoxidable u ilizando pi óme os coaxiales. Man u ie on así la empe a u a del baño undido den o de un in e alo óp imo, educiendo de ec os elacionados an o con empe a u as excesi amen e bajas ( al a de usión) como al as (sob ecalen amien o). En o o es udio, Be naue e al. [6] desa olla on un con ol segmen ado de la al u a del co dón, empleando escáne es láse pa a medi y co egi des iaciones locales median e múl iples con olado es PI independi- en es. Es e en oque ga an izó una p ecisión dimensional des acable incluso en e a pe u baciones geomé icas signi ica i as. O a écnica di e en e, como la basada en una es a egia p edic i a sin senso es en iempo eal, ue p opues a po Wang e al. [30]. Pa a ello, u iliza on un modelo dinámico pa a ajus a an icipadamen e la po encia láse , log ando educi has a en un 42% los e o es geomé icos en compa ación con écnicas sin con ol an icipa i o. Finalmen e, en el abajo de Mbodj e al. [21] aplica on un con olado p edic i o basado en modelo (MPC), egulando la empe a u a median e pe ilóme os y ajus ando en iempo eal la dis ibución ene gé ica. Es o pe mi ió una educción signi ica i a en de ec os é micos y geomé icos en piezas ab icadas con Inconel 718. En conjun o, es os abajos e lejan una e olución signi ica i a en las es a egias de con ol aplicadas a p ocesos DED-LB. En la Tabla 5.2 se p esen a un esumen compa - a i o de los mé odos analizados, indicando (cuando el a ículo lo p opo ciona) los ma e iales u ilizados, a iables con oladas y manipuladas, ipos de con olado es implemen ados y senso es empleados en cada caso, p opo cionando así una isión global de las soluciones disponibles y sus pa icula idades. 22 Chap e 5 Es ado del a e Ma e ial Va . con oladas Va . manipuladas Con olado Senso Re . Ti-6Al-4V Tamaño del baño undido PLLazo ce ado Cáma a é mica [11] Ace o y i anio H, W WS, PLDoble PI SISO CCD [12] Ace o H PLDi uso CCD [15] Ti–6Al-4V H WS ILC Escáne láse [13] Ti–6Al-4V H, W WS, PLPI + FF Doble cáma a [14] S Al 5356 H WS PI OCT [5] Ti-6Al-4V H PLModel-based FF - [30] Inconel 718 H T MPC Pe ilóme o [21] - H - - OCT [19] AISI 304 T PLPI Pi óme o [7] ER316LSi H WS P op. + FF OCT [6] Tabla 5.2: Resumen de los sis emas de con ol empleados en DED-LB. No a: WS = Velocidad de alimen ación del hilo, H = Al u a del co dón, W = Ancho del co dón, PL = Po encia del láse , T = Tempe a u a, CCD = Cáma a CCD, OCT = Tomog a ía de Cohe encia Óp ica, FF = Feed o wa d, PI = Con olado P opo cional-In eg al, MPC = Model P edic i e Con ol, ILC = I e a i e Lea ning Con olle . No obs an e, en los es udios p opues os has a el momen o con ecnología OCT, el senso se encuen a o ien ado en una única di ección, lo que limi a su aplicación al con ol de geome ías simples y especí icas, di icul ando su uso en escena ios más complejos y ep esen a i os de p ocesos de ab icación 3D median e DED-LB/MW. La es a egia de moni o ización y con ol p opues a pe mi e ajus a en iempo eal la elocidad de alimen ación del hilo en unción de la al u a medida median e el senso OCT, lo que p opo ciona dos en ajas cla e: po un lado, es abiliza el p oceso e i ando si uaciones de ines abilidad o allo; po o o, compensa de o ma ac i a las des iaciones en el c ecimien o capa a capa. Una ca ac e ís ica di e enciado a de es e en oque es la a ención a la comunicación y coo dinación en e equipos, lo que asegu a una o ien ación óp ima del senso OCT en la di ección de a ance. Además, el sis ema p opues o posibili a una o al independencia espec o a la di ección de mo imien o, pe mi iendo su aplicación a cualquie ipología de pieza y es a egia de ab icación, incluyendo ayec o ias no lineales o mul ieje. Es e plan eamien o, que a más allá de los sis emas adicionales de con ol en lazo ce ado al in eg a ambién la sinc onización espacial en e el senso y el mo imien o, supone un a ance signi ica i o espec o a las soluciones ac uales. Como esul ado, se ha log ado no solo mejo a la p ecisión del seguimien o, sino ambién amplia la obus ez y adap abilidad del sis ema, consolidando su po encial pa a aplicaciones indus iales a anzadas. 5.4 NECESIDAD DE CONTROL 23 6 Diseño y desa ollo de la solución En es e capí ulo se expone el diseño, desa ollo e implemen ación de la solución p opues a en el TFM. Se de allan los elemen os que con o man la célula obo izada, los disposi i os u ilizados pa a la ejecución del p oceso DED-LB/MW, así como los ins umen os de moni o ización y el sis ema de con ol empleado. 6.1 Desc ipción de la célula obo izada La célula obo izada u ilizada en es e TFM es á o mada po di e sos elemen os que, en conjun o, pe mi en lle a a cabo el p oceso de DED-LB/MW de mane a p ecisa y con olada. En la igu a 6.1 se mues a una is a gene al de la célula con sus p incipales componen es. Figu a 6.1: Célula obó ica Se a a de una célula obo izada de dimensiones ap oximadas de 4,7 × 4,7 × 3 me os, diseñada especí icamen e pa a p ocesos láse de ab icación adi i a. La es uc u a es á equipada con en anas de p o ección en e a la adiación láse en el espec o del in a ojo, lo que pe mi e la obse ación del p oceso sin comp ome e la segu idad del pe sonal. Además, la célula dispone de omas pa a ai e comp imido 25 y suminis o de gases écnicos como a gón, ni ógeno y helio, esenciales pa a ga an iza un en o no de p oceso con olado y p o ege la zona de deposición en e a la oxidación y o as con aminaciones a mos é icas. 6.1.1 Equipamien o 6.1.1.1 Robo La célula obo izada es á compues a po el obo ABB IRB 4600 ( igu a 6.2, izquie da) y el posicionado IRP A ( igu a 6.2, de echa), ambos de la ma ca ABB. En conjun o, es os disposi i os pe mi en alcanza un o al de ocho g ados de libe ad (GDL), lo que p opo ciona una ele ada lexibilidad y capacidad de maniob a du an e el p oceso de ab icación. Figu a 6.2: Robo IRB 4600 de ABB (izquie da) y posicionado IRP A de ABB (de echa). El obo ABB IRB 4600 iene 6 GDL, un alcance de 1,5 me os y una capacidad de ca ga ú il de has a 45 kg. Es as especi icaciones pe mi en manipula con p ecisión el cabezal láse y man ene una ayec o ia es able du an e el p oceso DED-LB/MW, lo que esul a esencial pa a ga an iza la calidad de la deposición. Po su pa e, el posicionado IRP A ac úa como un eje adicional que posibili a la o ación con o- lada de la pieza, acili ando la deposición desde múl iples ángulos y mejo ando la accesibilidad en geome ías complejas. 6.1.1.2 Fuen e de ene gía La uen e de ene gía u ilizada en el sis ema de deposición DED-LB/MW es un gene ado láse de ib a modelo YLS-4000-S2T, ab icado po IPG Pho onics. Se a a de una uen e láse de al a po encia diseñada especí icamen e pa a aplicaciones indus iales exigen es como la ab icación adi i a median e láse , el co e y la soldadu a de me ales. 26 Chap e 6 Diseño y desa ollo de la solución Es e modelo p opo ciona una po encia máxima de salida de 4 kW, con una longi ud de onda de emisión de 1070 nm, co espondien e al espec o del in a ojo ce cano, lo que pe mi e una excelen e abso ción po pa e de la mayo ía de los me ales u ilizados en p ocesos de ab icación adi i a. 6.1.1.3 Cabezal En el p oceso de DED-LB/MW, el cabezal de p ocesamien o es undamen al pa a di igi an o el ma e ial de apo e como el haz láse hacia la zona de abajo. El cabezal en cues ión es el CoaxP in e de P eci ec, un cabezal diseñado pa a aplicaciones de ab icación adi i a que aba can desde es uc u as delicadas has a o mas idimensionales de g an olumen. Es e cabezal se ca ac e iza po la alimen ación coaxial del hilo me álico, lo que pe mi e una deposición uni o me en cualquie di ección, sin depende del sen ido de a ance. En el in e io del CoaxP in e , el haz láse se di ide en dos semici cun- e encias g acias a su diseño óp ico, lo que da luga a una dis ibución de ene gía que o ma un "spo " en o ma de anillo en la zona de apo e. Es a con igu ación odea el hilo con ene gía láse de mane a simé ica, a o eciendo una usión es able y homogénea del ma e ial de apo e. 6.1.1.4 Cáma a Ca i a Pa a la moni o ización isual del p oceso DED-LB/MW, se ha empleado una cáma a de al a elocidad Ca i a , diseñada especí icamen e pa a la obse ación de p ocesos é micamen e in ensos como la soldadu a o la deposición láse . Es a cáma a pe mi e la isualización en iempo eal del baño undido y la in e acción láse -ma e ial, incluso en p esencia de al os ni eles de luminosidad y emisión é mica. La Ca i a inco po a un sis ema de iluminación láse cohe en e, que gene a imágenes de al o con as e y esolución sin que el b illo del a co eléc ico o del láse sa u e la señal cap ada. Es a ca ac e ís ica esul a especialmen e ú il pa a es udia la es abilidad del p oceso, la geome ía del co dón de apo e, la o mación de de ec os o la in e acción dinámica en e el haz láse y el ma e ial. En cuan o a sus especi icaciones écnicas, la cáma a alcanza una ecuencia de cap u a de 70 o og amas po segundo ( ps), una esolución máxima de 1440 × 1080 píxeles y pe mi e una dis ancia de abajo comp endida en e 150 y 300 mm. La cáma a Ca i a es á posicionada en una con igu ación de isión la e al oblicua, lige amen e inclinada espec o al plano ho izon al, lo que pe mi e una obse ación cla a y simul ánea de la geome ía del co dón, la in e acción del hilo con el baño undido y la es abilidad del p oceso de deposición. Es a disposición esul a espe- 6.1 Desc ipción de la célula obo izada 27 cialmen e adecuada pa a moni o iza enómenos ansi o ios y de ec a posibles des iaciones en iempo eal. 6.1.1.5 Ma e ial de apo e Como ma e ial base se ha empleado una placa laminada de ace o AISI C45, con unas dimensiones de 200 × 200 mm y un espeso de 15 mm. An es de los ensayos, la supe icie del sus a o ue ec i icada pa a ga an iza una co ec a adhe encia y uni o midad du an e la deposición. El ma e ial de apo e u ilizado es un hilo macizo de ace o inoxidable AISI 316L, con un diáme o de 1,2 mm, cuya composición química es equi alen e a la del sus a o, a o eciendo la compa ibilidad me alú gica y educiendo la apa ición de de ec os. 6.1.2 Sis ema de con ol ha dwa e El sis ema de con ol u ilizado en es e p oyec o es á implemen ado median e el au óma a p og amable B&R X20CP3586, pe enecien e a la se ie X20 de B&R Indus- ial Au oma ion (ABB G oup). Se a a de un PLC modula de al as p es aciones, diseñado pa a aplicaciones indus iales que equie en p ocesamien o ápido, comu- nicaciones en iempo eal y una a qui ec u a escalable. El X20CP3586 inco po a un p ocesado In el A om a 1.6 GHz y dispone de memo ia RAM de 512 MB, pe mi iendo el manejo e icien e de a eas de con ol complejas. Es á equipado con in e aces in eg adas de E he ne , POWERLINK, USB y RS232, lo que acili a su in eg ación en edes indus iales di e sas. Asimismo, es compa ible con módulos de en adas y salidas de la se ie X20, lo que acili a su expansión y adap ación a di e en es equisi os del sis ema. La p og amación del PLC se ealiza median e el en o no de desa ollo Au oma ion S udio, con o me a los lenguajes de inidos en la no ma IEC 61131-3 (S uc u ed Tex , Ladde Diag am, Func ion Block Diag am, en e o os). 6.1.3 So wa e TekAM © TekAM © es un so wa e desa ollado po Teknike sob e el en o no de MATLAB, diseñado especí icamen e pa a da sopo e a los p ocesos de ab icación adi i a median e ecnología DED. Es a he amien a in eg al pe mi e ealiza múl iples unciones cla e den o del lujo de abajo, en e las que des acan: • La gene ación de ayec o ias a pa i de modelos 3D en o ma o STL, adap- adas a las ca ac e ís icas del p oceso DED. 28 Chap e 6 Diseño y desa ollo de la solución • El análisis y p ocesado de los da os egis ados du an e el p oceso, incluyendo in o mación de senso es, posición del obo y pa áme os de ab icación. • La isualización en iempo eal del baño undido median e la cáma a Ca i a , lo que acili a la moni o ización y el con ol del p oceso du an e la deposición. En la igu a 6.3 se mues a la in e az del so wa e TekAM ©, en conc e o la pes aña de gene ación de ayec o ias. Figu a 6.3: Pan alla p incipal de TekAM © 6.1.4 Inco po ación y pues a en ma cha del nue o senso OCT Dado que la dis ancia de abajo y la al u a de c ecimien o son pa áme os cla e pa a log a una deposición sin de ec os, esul a undamen al pode medi es as a iables con p ecisión. La Tomog a ía de Cohe encia Óp ica (OCT) es una écnica de imagen basada en luz de baja cohe encia que pe mi e ob ene esoluciones mic omé icas en p o undidad, incluso en ma e iales semi anspa en es o dispe si os. 6.1.4.1 Selección e in eg ación del senso en la célula En el con ex o del DED-LB/MW, el sis ema P eci ec IDM (In-P ocess Dep h Me e ) emplea OCT pa a medi en línea la dis ancia de abajo en e la boquilla y la pieza. Es e sis ema ealiza mediciones coaxiales incluso a al as elocidades de desplazamien o y bajo condiciones des a o ables, lo que lo con ie e en una solución idónea pa a aplicaciones exigen es. 6.1 Desc ipción de la célula obo izada 29 el cálculo del ángulo de o ien ación del senso OCT, inco po ando un des ase de 4 líneas pa a adap a se al compo amien o del con olado ABB, que ejecu a las ayec o ias con an icipación median e un mecanismo de lec u a adelan ada (lookahead), p ocesando a ias líneas de código an es de su ejecución ísica. G acias a es e des ase, el ángulo se de e mina en unción de la di ección u u a p e is a del mo imien o, lo que ga an iza una co ec a alineación del senso incluso an e cambios de ayec o ia. Además, TekAM gene a au omá icamen e las ins ucciones ela i as a la ac i ación y desac i ación del láse , hilo y demás. En la igu a 6.8 se puede e la inco po ación del ángulo del OCT. Figu a 6.8: Ejemplo del código RAPID de una ayec o ia G acias a es a a qui ec u a modula e in eg ada, el sis ema es capaz de: • Adqui i da os de medición en iempo eal median e el senso OCT. • Coo dina el mo imien o del obo con los da os de más ele an es del p oceso. • Ejecu a algo i mos de análisis en MATLAB de o ma sinc onizada con el p oceso. • Facili a la azabilidad y la e aluación de la calidad de cada capa deposi ada. 6.3 Desa ollo del algo i mo de cap u a y de ección de la dis ancia de abajo La in eg ación del senso OCT en el sis ema DED-LB/MW pe mi e ob ene mediciones en iempo eal de la dis ancia de abajo y la al u a de c ecimien o. Sin emba go, debido a las p opiedades del baño undido, el senso no puede ealiza mediciones iables di ec amen e sob e es a zona, ya que las e lexiones y el b illo del baño 36 Chap e 6 Diseño y desa ollo de la solución in e ie en en la señal, po lo que se pone de mani ies o la necesidad de medi , como mínimo a 3-4 mm del cen o del baño undido. An e es a limi ación, se hace necesa io diseña es a egias de cap u a que pe mi an ob ene da os ú iles e i ando las in e e encias gene adas en el cen o del co dón. Pa a ello, se desa ollan y p ueban a ias me odologías de adquisición con el obje i o de iden i ica la más obus a y ep esen a i a pa a la moni o ización del p oceso. El senso OCT cuen a con una lib e ía DLL que pe mi e comanda dinámicamen e su o ien ación o ejecu a pa ones de mo imien o complejos. Es a lib e ía, compilada especí icamen e pa a sis emas Windows, equie e su ejecución desde un en o no compa ible. En es e abajo se emplea MATLAB pa a in e ac ua con dicha lib e ía, lo que pe mi e desa olla u inas de o ien ación lexibles y ácilmen e in eg ables con el es o del sis ema. Pa a acili a es as a eas de adquisición y con ol, se in eg a el módulo CUA32, un componen e adicional que ac úa como in e az en e MATLAB y el sis ema de con ol de los espejos gal anomé icos del senso . En es e apa ado se p esen an las cua o es a egias desa olladas, compa ando sus en ajas e incon enien es, así como los esul ados ob enidos en cada caso. Finalmen e, se jus i ica la elección de la es a egia adop ada pa a el desa ollo del algo i mo de ini i o de de ección de allos, p opo cionando las bases pa a su implemen ación. La p ime a de ellas, y en la que no hab ía que eo ien a el OCT du an e la deposición, se a a de una medición ci cula comandada al inicio del p oceso. De iniendo el adio de la ci cun e encia y la elocidad de ma cado del láse . Las es siguien es ope an con la eo ien ación dinámica del pun e o, es deci , siemp e an o ien adas en unción de la ayec o ia del cabezal. De odas ellas, la más in e esan e y uncional es la medición en a co, ya que en caso de pequeñas des-sinc onizaciones en cu as ce adas, con un buen ángulo de a co de inido, el OCT segui ía ecogiendo un alo ep esen a i o de la al u a del co dón. En la igu a 6.9 se ep esen an de o ma esquemá ica las cua o es a egias. 6.3 Desa ollo del algo i mo de cap u a y de ección de la dis ancia de abajo 37 Figu a 6.9: Es a egias de moni o ización: a) Medición en cí culos, b) Medición po delan e, c) Medición po de ás, d) Medición en a co po delan e. 6.3.1 Validación del sis ema de medición de dis ancias Con el obje i o de alida las dis in as es a egias de medición desa olladas, se ealiza on p uebas uncionales sob e un co dón deposi ado. Se lle a on a cabo cua o p uebas de adquisición dis in as sob e un mismo co dón: medición po delan e, po de ás, en cí culos y en a co. En la Figu a 6.10 se p esen a una compa a i a isual de los esul ados ob enidos con cada es a egia. Figu a 6.10: Compa a i a de mediciones sob e co dón deposi ado: a) Medición en cí culos, b) Medición po delan e, c) Medición po de ás, d) Medición en a co 38 Chap e 6 Diseño y desa ollo de la solución Del análisis de los esul ados, se ex aen las siguien es obse aciones: • La medición po de ás mues a un ele ado ni el de uido, y a mi ad del p oceso deja de da una señal álida, p obablemen e debido a la in e e encia óp ica gene ada po el baño undido, lo que comp ome e la iabilidad de los da os ob enidos. • La medición en cí culos o ece esul ados más es ables, pe o p esen a di i- cul ades pa a disc imina cla amen e en e zonas den o y ue a del co dón. Además, sin una adecuada ecuencia de mues eo y sinc onización, pueden egis a se da os no ep esen a i os del p oceso eal. • La medición po delan e p opo ciona una señal más limpia y cohe en e, pe o puede queda se co a en zonas con cu as p onunciadas o ansiciones ápidas, al depende únicamen e del pun o on al. • Po el con a io, la medición en a co, que ecoge da os desde un conjun o de pun os o ien ados en un ango angula po delan e del co dón, p esen a una buena es abilidad y una posible mejo cobe u a en cu as ce adas donde la medición en pun o po delan e pod ía se inse ible. En base a es as obse aciones, se op a po adop a la es a egia de medición en a co como base pa a el desa ollo pos e io del algo i mo de con ol. Pa a comp oba su compo amien o an e geome ías más complejas, se ealizó una segunda p ueba uncional sob e una pieza con escalones y cu as, simulando di e en es si uaciones opog á icas que pueden encon a se en p ocesos eales. La Figu a 6.11 mues a la geome ía de la pieza u ilizada, mien as que en la Figu a 6.12 se p esen a el esul ado de la adquisición con la es a egia en a co. Figu a 6.11: Pieza de ensayo con escalones pa a p ueba de medición en a co 6.3 Desa ollo del algo i mo de cap u a y de ección de la dis ancia de abajo 39 Figu a 6.12: Resul ado del escaneo de la pieza con la es a egia de medición en a co Los esul ados demues an que la medición en a co man iene una buena espues a an e discon inuidades y cambios de al u a, adap ándose de o ma obus a a la geome ía de la pieza y pe mi iendo de ec a co ec amen e a iaciones opog á icas ele an es. Asimismo, se ap ecian las ib aciones inducidas po el mo imien o del b azo obó ico, las cuales, aunque p esen es, no comp ome en la iabilidad del sis ema. En conjun o, es a alidación con i ma la idoneidad de la es a egia seleccionada pa a su in eg ación en el sis ema de moni o ización y con ol del p oceso DED-LB/MW. 6.4 Desa ollo del algo i mo de op imización de pa áme os pa a una ab icación sin de ec os An es del desa ollo del algo i mo de con ol au omá ico, el ajus e de cie os pa áme - os cla e del p oceso, en pa icula , la elocidad de a ance del obo , se ealizaba de o ma manual po pa e del ope a io enca gado de la ab icación. Es e ajus e se basaba undamen almen e en la obse ación isual de la al u a del co dón de deposición a a és de la cáma a de supe isión, pe mi iendo ealiza pequeñas co ecciones en iempo eal pa a e i a de ec os en la pieza. Con el obje i o de eplica y au oma iza es a a ea, se ha diseñado e implemen ado un con olado p opo cional en lazo ce ado ( e 6.13, cuya unción es co egi de o ma con inua la elocidad de alimen ación del hilo en unción de la dis ancia medida po el senso OCT. Es e en oque busca man ene cons an e la al u a del co dón deposi ado, homogeneizando el c ecimien o de la pieza y buscando e i a el d ipping o el s ubbing que causan el pa o del p oceso. 40 Chap e 6 Diseño y desa ollo de la solución PPlan a R(s)Y(s) + − Figu a 6.13: Diag ama de con ol con ealimen ación uni a ia y con olado p opo cional. La sin onización del con olado se ha lle ado a cabo de o ma heu ís ica, basándose en el conocimien o empí ico del pe sonal écnico y en ensayos ealizados sob e mues as de e e encia. Es a decisión esponde a la ele ada complejidad inhe en e al p oceso DED-LB/MW, en el que in e ienen múl iples a iables acopladas (po encia láse , elocidad del hilo, dinámica é mica, geome ía del co dón, e c.) di íciles de modela de mane a p ecisa. La ob ención de un modelo ma emá ico comple o, obus o y ep esen a i o del p oceso eque i ía una ca ac e ización exhaus i a y un ni el de de alle que, en muchos casos, esul a in iable an o po limi aciones p ác icas como po la a iabilidad in ínseca del sis ema. Así, la ap oximación heu ís ica pe mi e implemen a un con ol e ec i o sin necesidad de un modelo de allado, ga an izando una espues a su icien emen e ápida y es able pa a man ene la calidad del co dón du an e la ab icación. Pa a el diseño del con olado se ha de inido una banda de e o ole able en o no a la dis ancia de e e encia, con emplando des iaciones de has a ±2 mm espec o a la al u a deseada del co dón de deposición. Den o de es e ma gen, el sis ema ac úa de o ma p opo cional sob e la elocidad de desplazamien o del obo con el obje i o de co egi de o ma con inua la ayec o ia y man ene la calidad geomé ica del apo e. Figu a 6.14: Cu a del con ol p opo cional con sa u ación 6.4 Desa ollo del algo i mo de op imización de pa áme os pa a una ab icación sin de ec os 41 En el caso de que el e o supe e es e umb al, se alcanza la zona de sa u ación del con olado , en la que se aplica un inc emen o o educción máxima del ±40% sob e la elocidad nominal del obo . Es a sa u ación ha sido es ablecida pa a e i a an o oscilaciones b uscas como espues as demasiado ag esi as que pudie an comp ome e la calidad de la pieza. 6.4.0.1 Validación de la es a egia de con ol Pa a alida el co ec o uncionamien o del con olado p opo cional implemen ado, se lle a on a cabo di e sas p uebas expe imen ales, an o en geome ías simples como en condiciones más exigen es. Es as p uebas han pe mi ido ajus a el alo de la cons an e p opo cional y e i ica la capacidad del sis ema pa a man ene una dis ancia de abajo es able du an e la deposición. La p ime a se ie de ensayos se cen ó en el ajus e de la cons an e p opo cional del con olado . Pa a ello, se ealiza on di e en es co dones con un cambio b usco de la dis ancia de abajo y ampas de pendien e cons an e que simulaban cambios en la dis ancia de abajo. Se pa ió de una ganancia inicial conse ado a, con la que el sis ema no eaccionaba lo su icien e en e a la a iación de la dis ancia de abajo, lo que p o ocaba pa ones del p oceso po o mación de bola o enganchón del hilo con el sus a o. A pa i de es os p ime os esul ados, se ue inc emen ando p og esi- amen e el alo de la ganancia, obse ando en cada caso la es abilidad del p oceso, la elocidad de espues a y la ausencia de oscilaciones o e o es acumula i os. El obje i o e a alcanza un alo su icien e como pa a e i a los pa ones en el p oceso, pe o sin comp ome e la sua idad del mo imien o ni gene a espues as demasiado ag esi as. En la Figu a 6.15 se p esen an dos co dones deposi ados en condiciones compa ables, en los cuales se inc emen ó de mane a a i icial la dis ancia de abajo has a alcanza los 4 mm de des iación en la dis ancia de abajo. En la compa ación se ap ecia de o ma e iden e la mejo a en el compo amien o del sis ema cuando se aplica el con ol, en e al co dón sin con ol, que no log a comple a los 90 mm de ayec o ia p e is a. 42 Chap e 6 Diseño y desa ollo de la solución Figu a 6.15: Resul ados de p uebas pa a ajus e del pa áme o p opo cional del con olado . Compa a i a con y sin con ol En la igu a 6.16 se obse an a ios co dones deposi ados du an e el p oceso de ajus e del con olado . El úl imo de ellos co esponde al p ime o en el que se log a ep oduci el co dón deseado en su o alidad, como esul ado de una adecuada selección de la acción p opo cional. Figu a 6.16: Va ios co dones pa a el ajus e del con olado . T as de ini un alo adecuado de ganancia p opo cional que ga an izaba una espues a es able, se ealizó una p ueba inal sob e una geome ía de mayo com- plejidad. En es e caso, se ab icó una pieza con un pe íme o ce ado en o ma de co dón único, lo que la hace especialmen e di ícil de ab ica , que además incluye cu as p onunciadas diseñadas especí icamen e pa a o za el c ecimien o i egula del apo e si no se co ige dinámicamen e la elocidad de alimen ación del hilo. Ve igu a 6.17. 6.4 Desa ollo del algo i mo de op imización de pa áme os pa a una ab icación sin de ec os 43 Figu a 6.17: T ayec o ia po capas de la pieza pa a la p ueba inal (En ojo ayec o ias sin deposición y en azul ayec o ias donde se deposi a ma e ial). Es e ipo de ayec o ia ep esen a un caso ealis a de ab icación exigen e, en el que la elocidad cons an e p oduci ía de ec os po acumulación o dé ici de ma e ial en las cu as. La Figu a 6.18 mues a los in en os de ab icación en lazo abie o, mien as que la Figu a 6.19 p esen a la pieza ab icada con el sis ema de con ol desplegado. Figu a 6.18: Piezas allidas ab icando sin con ol 44 Chap e 6 Diseño y desa ollo de la solución Figu a 6.19: Resul ado de la pieza ab icada con el con ol p opo cional ac i o Los esul ados mues an una mejo a signi ica i a en la homogeneidad del co dón espec o a casos sin con ol, donde además, a pa i de la décima capa el p oceso se de enía cons an emen e po o mación de bolas. El sis ema ue capaz de adap a se a las a iaciones geomé icas de la ayec o ia, ajus ando en iempo eal la elocidad de desplazamien o del obo pa a man ene la al u a deseada. En pa icula , se obse a una co ección e ec i a en las zonas cu as, donde se e i ó la sob eacumulación de ma e ial, así como en los amos ec os, donde se man u o una elocidad ce cana a la nominal. Po o o lado, los da os egis ados po el senso du an e la deposición (Figu a 6.20) mues an que la a iación de la dis ancia de abajo se man u o den o del ango de ±1mm . Es e esul ado con i ma la es abilidad del lazo de con ol y la capacidad del sis ema pa a compensa pe u baciones du an e el p oceso, man eniendo la ayec o ia e ec i a den o de má genes compa ibles con las ole ancias p opias de la écnica DED-LB/MW. En ausencia de con ol, es e ni el de p ecisión esul a di ícil de alcanza , lo que e ue za la ele ancia de la es a egia implemen ada pa a ga an iza la calidad geomé ica del co dón y la epe ibilidad del p oceso. 6.4 Desa ollo del algo i mo de op imización de pa áme os pa a una ab icación sin de ec os 45 8 Desc ipción del p esupues o En es e apa ado se ecogen los cos es asociados al desa ollo del p oyec o, o ganiza- dos po ca ego ías pa a una mayo cla idad. Se incluyen an o los ecu sos ma e iales y écnicos necesa ios (equipos, so wa e y consumibles), como la dedicación es i- mada de pe sonal y o os gas os de i ados. El obje i o es o ece una isión cla a y o denada del p esupues o o al, acili ando la comp ensión de la in e sión necesa ia pa a lle a a cabo el p oyec o. En la p ime a abla se ecogen las ho as in e nas dedicadas, desglosadas en las di e en es ca ego ías de pe sonal implicadas en el p oyec o. Tabla 8.1: Ho as in e nas y cos es asociados Uds. (h) Concep o Cos e Uni a io (C/h) Cos e To al (C) 500 Ingenie ía Junio 62,00 31 000,00 50 Ingenie ía Senio 81,00 4050,00 20 Di ec o de P oyec o 100,00 2000,00 80 Maes o de Talle 50,00 4000,00 Sub o al 41 050,00 En la segunda abla se ecogen las amo izaciones de los equipos, ins umen os y licencias empleados en el desa ollo del p oyec o. Pa a cada elemen o se de allan el núme o de ho as de uso es imadas, el cos e de adquisición, la ida ú il conside ada y el cos e uni a io po ho a, lo que pe mi e calcula el cos e o al impu able al p oyec o. De es e modo, se ob iene una isión cla a de la epe cusión económica asociada al uso de ecu sos ma e iales y ecnológicos. 53 Tabla 8.2: Amo izaciones Uso (h) Concep o Cos e (C) Vida ú il (años) Cos e Ud. (C/h) Cos e To al (C) 210 Celda de DED-LB/MW 500 000,00 5 66,67 14 000,70 210 Robo ABB 30 000,00 5 4,00 840,00 210 Láse de Es ado Sólido 80 000,00 5 10,67 2240,70 210 Cabezal COAXwi e®de F aunho e IWS 20 000,00 2 6,67 1400,70 210 Alimen ado de Hilo 10 000,00 2 3,33 699,30 210 Seso OCT 35 000,00 4 5,83 1224,30 210 Cáma a Cá i a ®15 000,00 5 2,5 525,00 800 O denado 1500,00 5 0,20 160,00 300 Licencia MS O ice 180,00 1 0,12 36,00 500 Licencia Ma lab 800,00 1 0,53 266,67 Sub o al 21393,37 Finalmen e, es necesa io conside a los gas os ma e iales de i ados del desa ollo del p oyec o. En es a pa ida se incluyen los consumibles, componen es y ma e iales empleados du an e la ejecución de los ensayos, cuyo cos e di ec o debe se impu ado al p esupues o global. Tabla 8.3: Gas os ma e iales Uds. Concep o Cos e Uni a io (C/Ud) Cos e To al (C) 1 Bobina de Ace o 15kg 1.2mm de hilo de Ace o 316L 208,58 208,58 2 Sus a o ace o 316L 17,50 35,00 3 Boquillas 39,00 117,00 7 ce ámicas de p o ección 41,00 217,00 – Ma e ial de O icina – 50,00 Sub o al 627,58 Po úl imo, se p esen a el esumen de los gas os o ales a pa i de la suma de los an e io es. Tabla 8.4: Resumen de los gas os o ales. Gas os o ales To al (C) Gas os in e nos 41.050,00 Amo izaciones 21.393,37 Gas os ma e iales 627,58 Sub o al gas os di ec os 63070,95 Cos es indi ec os (7%) 4414,97 To al P esupues o 67485,92 54 Chap e 8 Desc ipción del p esupues o Po lo an o, el p esupues o necesa io pa a lle a a cabo es e TFM es de 67.485,92 eu os. 55 9 Conclusiones y Líneas Fu u as El p esen e T abajo de Fin de Más e ha pe mi ido demos a que la in eg ación de un senso de Tomog a ía de Cohe encia Óp ica (OCT) en una célula obo izada de ab icación adi i a cons i uye una solución e icaz pa a la moni o ización en iempo eal de la dis ancia de abajo du an e p ocesos DED-LB/MW. G acias a es a inco po ación, se ha conseguido un mayo con ol sob e la es abilidad del p oceso y una mejo a signi ica i a en la iabilidad de la deposición. En e las es a egias ensayadas, la medición en a co con el senso OCT ha mos ado un compo amien o especialmen e obus o en e a o as al e na i as, ya que man iene lec u as más es ables y ep esen a i as incluso en ayec o ias complejas o con cu as p onunciadas. Asimismo, la implemen ación de un algo i mo de con ol p opo cional, alimen ado po las lec u as del senso , ha pe mi ido man ene la al u a del co dón den o de má genes de ole ancia p ede inidos, educiendo de mane a no able la apa ición de de ec os c í icos como el d ipping o el s ubbing. La alidación expe imen al con i ma que el sis ema de moni o ización y con ol p opues o no solo mejo a la homogenei- dad del co dón deposi ado, sino que ambién inc emen a la ep oducibilidad de los esul ados, lo que ep esen a un a ance hacia p ocesos de ab icación adi i a más iables, consis en es y obus os en en o nos indus iales. Desde una pe spec- i a económica, la educción de de ec os y de despe dicio de ma e ial con ibuye di ec amen e a inc emen a la e iciencia p oduc i a y la compe i i idad del p oceso, e o zando al mismo iempo su alineación con los obje i os de sos enibilidad y de p oducción esponsable. De ca a a u u as líneas de in es igación, se iden i ican a ios ámbi os de desa ollo. En p ime luga , esul a necesa io op imiza la sinc onización de la o ien ación del pun e o del senso OCT con la ayec o ia de deposición, a in de ga an iza la co ec a adquisición de da os en geome ías más exigen es. Igualmen e, se p opone alida el sis ema de con ol en la ab icación de piezas con aplicación indus ial eal, como un álabe, lo que pe mi i á e alua su endimien o en condiciones ep e- sen a i as. En un segundo ni el, se plan ea a anza hacia un sis ema de con ol más a anzado que ac úe de mane a conjun a sob e la elocidad de alimen ación del hilo y la po encia del láse , inco po ando además la moni o ización de la empe a u a del baño undido como a iable de e e encia adicional. 57 Finalmen e, como ho izon e más ambicioso, se p opone e oluciona hacia un sis ema comple amen e au ónomo, capaz de ope a sin supe isión con inua, lo que inc e- men a ía de o ma signi ica i a su iabilidad y acili a ía su in eg ación en en o nos de p oducción indus ial au oma izados. 58 Chap e 9 Conclusiones y Líneas Fu u as Bibliog a ía [1]3D p in ing: Wha is i & how does i wo k? en (ci . on p. 15). [2] Addi i e manu ac u ing - Gene al p inciples - Fundamen als and ocabula y: en (ci . on p. 14). [3] Abdul Hai Alami, Abdul Ghani Olabi, Adnan Alashka , e al. „Addi i e manu ac u ing in he ae ospace and au omo i e indus ies: Recen ends and ole in achie ing sus ainable de elopmen goals“. en. 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Con olOn AND NOT gRobABB . onBounda ies THEN 4e o Dis _ alue := gVisu . Se ingsBu . Re OCT - gOc IDM . Dis ancia ; 5e o Dis _ alue := MAX ( e o Dis _ alue , -2); 6e o Dis _ alue := MIN ( e o Dis _ alue , 2) ; 7n1 := 0; 8n2 := 0; 9; 10 num_VelHilo := 0.0; 11 den_VelHilo := 0.0; 12 FOR i := 0 TO 4DO 13 mu_e o Dis [i] := T iangula MF ( e o Dis _ alue , MF_e o Dis [i].a,MF_e o Dis [i].b,MF_e o Dis [i].c) ; 14 15 IF mu_e o Dis [i] > 0.0 THEN 16 17 idx_e o Dis [n2 ] := i; // Almacenando el indice donde el alo de pe enencia es > 0.0 , pa a agiliza el c l c u l o de las eglas 18 n2 := n2 + 1; 19 END_IF 20 21 END_FOR 22 23 FOR j:= 0 TO n2 DO 24 idx2 := idx_e o Dis [j ]; 25 g ado_pe enencia := mu_e o Dis [ idx2 ]; 26 num_VelHilo := num_VelHilo + g ado_pe enencia * ules_VelHiloSimple[idx2]; 27 den_VelHilo := den_VelHilo + g ado_pe enencia ; 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 . Se ingsBu . Salida_Sim_Aux := sal_VelHilo ; 36 gMul icon ol . Ajus eVel := sal_VelHilo ; 69 37 38 ELSE 39 gMul icon ol . Ajus eVel := 0.0; 40 END_IF 41 42 END_PROGRAM 70 Chap e C Anexo III: Código del PLC 71