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
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Bibliog a ía 61
C
Anexo III: Código del PLC
Código C.1: Código del cálculo del ajus e de la elocidad
1PROGRAM_CYCLIC
2// Si el con ol e s ac i ado y no e s en bo des , aplica el
con ol , si no , el ajus e de elocidad es de 0%
3IF gVisu . MainBu . 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
