Un grupo de investigadores del Virginia Tech impulsa la WAAM con la ayuda de la IA

Según una información publicada por el Virginia Tech, un grupo de investigadores está trabajando en una solución para fabricar piezas de repuesto para submarinos y aviones mediante la fabricación aditiva por arco de alambre (WAAM). Un nuevo estudio dirigido por Prahalada Rao, profesor titular de la Facultad de Ingeniería, y publicado recientemente en la revista Materials and Design demuestra cómo el uso de la inteligencia artificial (IA) para supervisar la tecnología WAAM permite detectar defectos durante la fabricación de las piezas, corregirlos en tiempo real y garantizar que los componentes estén preparados para su uso una vez finalizada la impresión.

«Tradicionalmente, dependíamos del mecanizado convencional, pero se requieren meses para producir incluso una sola pieza», explica Rao. «La fabricación aditiva nos permite elaborar estos componentes mucho más rápido y con menos residuos, lo que abre la puerta a redefinir la concepción que tenemos del concepto de producción».

La WAAM

Anteriormente, las cadenas de suministro de las industrias de la defensa y la aeroespacial solían depender de talleres mecánicos de carácter familiar. Estas pequeñas empresas contaban con la experiencia necesaria para mecanizar, fundir o forjar componentes esenciales para submarinos y aviones a partir de bloques sólidos de metal. Sin embargo, sus métodos eran lentos, ineficaces, consumían muchos recursos y dependían demasiado de una mano de obra cada vez más escasa. A menudo, los defectos no se descubrían hasta que la pieza estaba terminada, lo que implicaba perder varias semanas de trabajo y obligaba a los fabricantes a desechar las piezas.

Tras el final de la Guerra Fría, muchos de estos talleres desaparecieron, y con ellos los técnicas que los caracterizaban. La AM, en particular la WAAM, ha contribuido a llenar ese vacío, ya que ofrece una forma más rápida de fabricar componentes complejos y reduce considerablemente el tiempo que se tarda en poner las piezas en servicio.

«La fabricación aditiva por arco de alambre consiste básicamente en realizar la soldadura en 3D», continúa Rao. «Si la fabricación aditiva por fusión de lecho de polvo por láser produce medio litro de material al día, el arco de alambre permite fabricar el equivalente a un tonel. Con esta tecnología, podemos elaborar entre 40 y 50 kilogramos de material en un solo día. Lo complicado es asegurarnos de que todo ese metal se funde sin ningún tipo de defecto».

El papel de la IA

En lugar de revisar las piezas en busca de grietas o poros una vez terminadas, el equipo de Rao está entrenando una serie de algoritmos para detectar las señales de alarma a medida que se asienta el material. Al analizar el baño de fusión del metal caliente y comparar el aspecto de las impresiones «válidas» y las «deficientes», la IA aprende a reconocer los defectos en tiempo real y a indicar las modificaciones necesarias antes de que se propaguen.

«Cuando el baño de fusión tenía el aspecto deseado, la pieza se imprimía tal y como estaba previsto. Cuando detectábamos algún problema en esta fase, sabíamos automáticamente que aparecería alguna anomalía tras la impresión», asegura Rao. «Por este motivo, desarrollamos un algoritmo de aprendizaje automático capaz de predecir con una certeza de aproximadamente el 90% la aparición de defectos».

Objetivo: avanzar hacia la industria 4.0

Rao forma parte de un equipo más amplio de investigadores del Center for Advanced Manufacturing de la iniciativa Virginia Tech Made. Este proyecto promueve la colaboración entre campus, refuerza las alianzas entre la industria y el gobierno y forma a estudiantes y profesionales del sector de la fabricación basándose en la experiencia de la universidad en el ámbito de los materiales avanzados, las tecnologías de fabricación, el diseño computacional, el análisis de datos y la infraestructura digital.

Como parte del Departamento de Ingeniería y Sistemas Industriales Grado, Rao aplica su experiencia en el ámbito del pensamiento de sistemas para lograr que los sistemas de fabricación no solo sean más rápidos, sino también más inteligentes.

«El objetivo final es conseguir que todo el proceso sea más rápido, mejor y más barato», asegura Rao. «Mi intención es optimizarlo mediante un sistema de control de la calidad, agilizarlo sin tener que perder tiempo rehaciendo las piezas y abaratarlo minimizando el número de defectos. Eso es precisamente lo que mejor se nos da en el campo del control de procesos».

Rao y su equipo llevan a cabo gran parte de su trabajo en su laboratorio de Kelly Hall, pero también utilizan la Learning Factory, un centro práctico que el Virginia Tech ha dedicado a la formación en el ámbito de la fabricación. Recientemente, la institución ha incorporado a las instalaciones un equipo de fusión de lecho de polvo por láser más pequeño y un sistema híbrido de impresión con láser de hilo, un recurso que Rao atribuye a la visión de futuro de la jefa de departamento, Eileen Van Aken. En este sentido, Rao ha explicado que los esfuerzos de Van Aken para conseguir el equipo han sido fundamentales tanto a la hora de avanzar en la investigación como para ofrecer a los alumnos la oportunidad de formarse con la misma tecnología que se utiliza en la industria.

«Es fundamental que los estudiantes tengan acceso a los mismos sistemas con los que trabajarán en el sector», defiende Rao. «Por eso son tan valiosos el sistema de fusión de lecho de polvo por láser y el sistema con láser de hilo de la Learning Factory. Nuestros alumnos se familiarizan rápidamente con las técnicas de fabricación aditiva, por lo que salen preparados para trabajar con la tecnología que va a definir el futuro de la fabricación».