Optimización de estrategias para el diseño orientado a la fabricación aditiva (DfAM) de piezas metálicas aligeradas por deposición de energía focalizada (DED)

Esta Tesis examina diversas etapas del flujo de fabricación aditiva metálica, con un enfoque especial en la tecnología Directed Energy Deposition-Arc (DED-Arc) y su conocimiento para orientar el diseño a la fabricación óptima. Cada estudio aborda un objetivo específico, motivado por las limitaciones actuales de esta tecnología. En la fase preliminar, se desarrolla una herramienta para la selección óptima de la tecnología de fabricación aditiva mediante la metodología AHP (Proceso Analítico Jerárquico), conocida por su efectividad en la toma de decisiones multicriterio. Los resultados indican que la Fiabilidad de la Técnica es el criterio más importante a la hora de seleccionar una tecnología de fabricación. Esta herramienta permite identificar la tecnología más adecuada para aplicaciones específicas, optimizando recursos y mejorando la calidad del producto final. La fase experimental se centra en el estudio de diferentes estrategias de deposición. Primero, se investiga la simetría en la fabricación mediante técnicas de solapamiento y oscilación, evaluando cómo la configuración geométrica y la técnica de deposición afectan la calidad y las propiedades mecánicas del material depositado. Los resultados principales muestran que la estrategia de oscilación produce mejores resultados en términos de simetría en comparación con la estrategia de solapamiento. Posteriormente, se comparan cuatro trayectorias distintas para abordar una intersección en cruz, con el fin de identificar la trayectoria óptima. Se comparan la intersección basada en el cruce de trayectorias solapadas (Cross-Overlapping), cruce de trayectorias oscilantes (Cross-Waving), una trayectoria oscilante de amplitud variable (Waving) y el solape de trayectoria en curva (Overlapping). Este análisis es crucial, ya que las intersecciones en las trayectorias pueden ser puntos críticos donde se concentran tensiones y se originan defectos. Su adecuada selección no solo mejora la integridad estructural de las piezas fabricadas, sino que también optimiza el tiempo y los costos de producción. El estudio reflejó que las estrategias Cross-Overlapping y Cross-Waving producen las geometrías óptimas, mientras que la estrategia de Waving requirió menos paradas por capa. Por último, se explora la fabricación de una pared combinando dos materiales mediante superposición y solapamiento (hibridación de materiales). Los resultados han demostrado que se pueden fabricar paredes con dos metales sin ningún defecto en la zona intermetálica. No se observaron defectos visuales, ni poros, ni grietas en la microestructura. Las paredes bimetálicas conservan la microestructura correspondiente a cada material por separado. Este estudio permite explorar nuevas propiedades híbridas y mejorar el rendimiento de las piezas finales. Para finalizar el trabajo, se presenta el diseño de un caso real: una pieza de utillaje aeronáutico orientada a la fabricación aditiva metálica (DfAM). Este caso práctico sintetiza los conocimientos adquiridos en las fases anteriores. La implementación de DfAM en el diseño de esta pieza ha permitido reducir un 63% el peso de la pieza inicial, optimizando su rendimiento y eficiencia. Esto demuestra cómo una comprensión profunda de las técnicas de fabricación aditiva puede transformar el proceso de diseño, reduciendo costos y mitigando el impacto ecológico de la producción. Esta Tesis contribuye al conocimiento teórico y tiene aplicaciones prácticas significativas de la tecnología, demostrando que un diseño bien fundamentado puede mejorar todos los aspectos de la fabricación aditiva.

This Thesis examines various stages of the metal additive manufacturing flow, with a special focus on Directed Energy Deposition-Arc (DED-Arc) technology and its knowledge to guide design for optimal manufacturing. Each study addresses a specific objective, motivated by the current limitations of this technique. In the preliminary phase, a tool for the optimal selection of additive manufacturing technology is developed using the Analytical Hierarchical Process (AHP) methodology, known for its effectiveness in multi-criteria decision making. The results indicate that the reliability of the technique is the most important criterion when selecting a manufacturing technology. This tool makes it possible to identify the most suitable technology for specific applications, optimising resources and improving the quality of the final product. The experimental phase focuses on the study of different deposition strategies. First, symmetry in fabrication is investigated using overlap and oscillation techniques, evaluating how the geometrical configuration and the deposition technique affect the quality and mechanical properties of the deposited material. The main results show that the oscillation strategy produces better results in terms of symmetry compared to the overlap strategy. Subsequently, four different trajectories for tackling a cross intersection are compared in order to identify the optimal trajectory. The intersection based on Cross-Overlapping, Cross-Waving, a variable amplitude oscillating trajectory (Waving) and the Overlapping of curved trajectory (Overlapping) are compared. This analysis is crucial, as the intersections in the paths can be critical points where stresses concentrate and defects originate. Their proper selection not only improves the structural integrity of the manufactured parts, but also optimises production time and costs. The study has shown that the Cross-Overlapping and Cross-Waving strategies produce the optimal geometries, while the Waving strategy required fewer stops per layer. Finally, the fabrication of a wall by combining two materials through overlapping and overlapping (material hybridisation) is explored. The results have shown that it is possible to manufacture walls with two metals without any defects in the intermetallic area. No visual defects, pores or cracks in the microstructure were observed. The bimetallic walls retain the microstructure corresponding to each separate material. This study allows to explore new hybrid properties and to improve the performance of the final parts. Finally, the design of a real case is presented: an aeronautical tooling part oriented to additive metal manufacturing (DfAM). This case study synthesises the knowledge acquired in the previous phases. The implementation of DfAM in the design of this part has allowed a 63% reduction in the weight of the initial part, optimising its performance and efficiency. This demonstrates how a thorough understanding of additive manufacturing techniques can transform the design process, reducing costs and mitigating the ecological impact of production. This Thesis contributes to theoretical knowledge and has significant practical applications of the technology, demonstrating that informed design can improve all aspects of additive manufacturing.