Introducing Friction Stir Spot Additive Manufacturing process for producing aluminum parts

Resumen Técnico: Introducción de la Fabricación Aditiva por Puntos de Fricción y Agitación (FSSAM) para Piezas de Aluminio

Planteamiento del Problema
Si bien la fabricación aditiva (AM) ha revolucionado la producción de piezas metálicas, los métodos de capas tradicionales suelen depender de equipos costosos (láseres, polvos) o técnicas de unión complejas. Aunque la Fabricación Aditiva por Fricción y Agitación (FSAM) ofrece una alternativa de estado sólido y bajo costo para metales como el aluminio, enfrenta limitaciones significativas al fabricar piezas con geometrías internas intrincadas y canales complejos. La trayectoria continua de la herramienta requerida por la FSAM estándar restringe su capacidad para crear voladizos o vacíos internos sin estructuras de soporte. Esta investigación aborda la necesidad de un método aditivo más versátil y de bajo costo capaz de producir componentes de aluminio complejos manteniendo la integridad estructural.

Metodología
El estudio introduce la Fabricación Aditiva por Puntos de Fricción y Agitación (FSSAM), una variación de la FSAM que utiliza la Soldadura por Puntos de Fricción y Agitación (FSSW) para unir capas discretas. La metodología involucró tanto la fabricación experimental como la simulación numérica:

• Diseño y Fabricación: Se diseñó una pieza compleja de 80 mm de diámetro con geometrías internas (imposibles de mecanizar tradicionalmente). Para facilitar la alineación de las capas, se incorporaron dos agujeros de 8 mm para la tornillería. El proceso consistió en cortar láminas de aluminio mediante corte por láser con perfiles de capa específicos, apilarlas y unir las capas adyacentes mediante puntos de soldadura. La ubicación de los puntos de soldadura se escalonó entre las capas sucesivas (Capa n frente a Capa n-1) para asegurar la continuidad.
• Parámetros del Proceso: Se utilizó una herramienta de pinza (basada en el diseño de Bakhshian) en una máquina de taladro de columna. Se seleccionó una velocidad de rotación de 1500 rpm como óptima, equilibrando la generación de calor para la unión frente al riesgo de un crecimiento excesivo del grano y la reducción de la resistencia.
• Pruebas Experimentales: Para evaluar el rendimiento mecánico, se fabricaron vigas rectangulares (120 × 30 × 1 mm) con 4 capas. Se probaron tres configuraciones con 2, 4 y 6 puntos de soldadura por capa. Estas muestras se sometieron a pruebas de flexión de tres puntos (luz: 120 mm, velocidad: 2 mm/min) para medir el comportamiento de fuerza-desplazamiento.
• Simulación Numérica: Se realizó el Modelado de Elementos Finitos (FEM) para predecir el comportamiento mecánico. Debido a la simetría, se analizó un modelo de un cuarto de las vigas utilizando elementos S4R y S3. Se aplicó un refinamiento de malla cerca de los puntos de soldadura para considerar las concentraciones de esfuerzo. La simulación tenía como objetivo determinar la fuerza necesaria para lograr desplazamientos específicos y calcular el coeficiente de rigidez equivalente.

Contribuciones Clave

• Innovación de Proceso: El artículo propone la FSSAM como una solución viable para la fabricación de piezas de aluminio con geometrías internas complejas que son inalcanzables mediante FSAM estándar o mecanizado tradicional.
• Guías de Diseño: Establece una restricción de diseño crítica para la FSSAM: los diseñadores deben asegurar que existan "áreas sólidas" (aproximadamente el radio del hombro de la herramienta) en cada sección transversal de la pieza para acomodar los puntos de soldadura por puntos.
• Análisis Paramétrico: El estudio cuantifica la relación entre el número de puntos de soldadura por capa y la resistencia a la flexión resultante, proporcionando un enfoque basado en datos para optimizar el proceso.

Resultados

• Desempeño Mecánico: Los resultados experimentales y numéricos demostraron que aumentar el número de puntos de soldadura mejora significamente el comportamiento mecánico de las piezas aditivas, acercándolas al rendimiento de una viga sólida (monolítica).
• Rigidez y Resistencia: Los diagramas de fuerza-desplazamiento mostraron que, si bien aumentar el número de capas no alteró drásticamente el comportamiento de la viga, aumentar la densidad de los puntos de soldadura sí lo hizo. Específicamente, una viga fabricada con 8 puntos de soldadura alcanzó aproximadamente el 80% de la resistencia y rigidez a la flexión de una pieza de aluminio sólida ideal.
• Correlación de Simulación: Los modelos de elementos finitos predijeron con precisión las curvas de fuerza-desplazamiento experimentales, validando el uso de herramientas numéricas para optimizar la distribución de los puntos de soldadura en diseños futuros.
• Limitaciones Observadas: El uso de un taladro de columna operado manualmente resultó en una aplicación inconsistente de la presión en ciertos puntos, lo que llevó a una unión insuficiente en algunas áreas.

Significancia y Reivindicaciones
Los autores afirman que la FSSAM representa una opción rentable para la producción de piezas de aluminio, particularmente aquellas con complejidades geométricas. El estudio concluye que el método puede superar las limitaciones de la FSAM tradicional respecto a la complejidad de la forma. Sin embargo, los autores mantienen un tono modesto respecto a las limitaciones actuales, señalando que la aplicación manual de presión en su configuración fue una debilidad. Sugieren que la futura adopción industrial debería utilizar dispositivos controlados por CNC precisos para asegurar una presión constante y una calidad de unión consistente. Además, proponen que la investigación futura podría explorar la Soldadura por Puntos de Fricción y Agitación de Reflujo (RFSSW) para eliminar los agujeros de soldadura, mejorando así la calidad de la unión y reduciendo las concentraciones de esfuerzo. El artículo posiciona a la FSSAM no como un reemplazo para todos los métodos de AM, sino como una solución económica específica para componentes de aluminio donde el costo y la complejidad geométrica son los principales factores impulsores.