Liderada por Karem Tello, académica del Departamento de Ingeniería de Minas, Metalurgia y Materiales, la iniciativa integra conocimientos de metalurgia, electrónica, mecánica, automatización y modelación, con potencial de aplicación en distintas industrias.
La Universidad Técnica Federico Santa María (USM) ha consolidado durante los últimos tres años nuevas capacidades de investigación en Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM), tecnología de manufactura aditiva que utiliza un arco eléctrico y alambre metálico para fabricar componentes capa a capa. A diferencia de una impresora 3D convencional, este proceso emplea equipamiento de soldadura integrado a un sistema robotizado.
El trabajo es liderado por la Dra. Karem Tello, académica del Departamento de Ingeniería de Minas, Metalurgia y Materiales de la USM, y ha permitido avanzar en la comprensión de los fenómenos que ocurren durante la fabricación de diferentes componentes. “Partimos estudiando cómo implementar WAAM y cómo controlar metalúrgicamente un proceso que para nosotros era completamente nuevo. Hoy tenemos el proceso instalado, conocemos mucho mejor la relación entre los parámetros de fabricación y el material obtenido, contamos con sensorización térmica y estamos comenzando a integrar herramientas propias de automatización”, explica Tello.
Una tecnología que se construye entre disciplinas
Uno de los aspectos distintivos de esta línea ha sido su progresiva articulación con otras áreas de la universidad. En este proceso, el Centro Integrado de Manufactura y Automatización (CIMA) se ha configurado como un espacio donde confluyen distintas capacidades vinculadas a la manufactura y automatización.
En una primera etapa, el trabajo de Tello se centró en estudiar los parámetros de fabricación y su efecto en distintos materiales, incluyendo aleaciones de aluminio, cobre y acero, siendo este último uno de los materiales con mayor desarrollo en la línea. Sin embargo, la complejidad del proceso llevó a identificar desafíos que requerían conocimientos de otras especialidades.
De esta forma, se incorporaron los académicos Manuel Olivares, del Departamento de Ingeniería Electrónica, y Martín Cisternas Fernández, del Departamento de Ingeniería Mecánica. Esta colaboración permite abordar el proceso desde distintas perspectivas: mientras la metalurgia estudia la relación entre los parámetros de fabricación, la solidificación, la microestructura y las propiedades del material, la electrónica y la automatización contribuyen al control del sistema y al desarrollo de herramientas para el robot. Desde la mecánica, en tanto, se trabaja en la modelación de fenómenos térmicos y de solidificación.
Colaboración con el Centro Científico Tecnológico de Valparaíso
Uno de los principales avances de la investigación ha sido la incorporación de sensorización térmica al proceso, con el objetivo de comprender mejor qué ocurre durante la fabricación. Mediante cámaras infrarrojas y termocuplas, el equipo estudia los ciclos de temperatura que experimenta el material a medida que se depositan nuevas capas del componente. “Para nosotros no basta con lograr fabricar una geometría. El desafío es entender qué está ocurriendo durante la fabricación y establecer condiciones que permitan reproducir el resultado”, señala Tello.
En este proceso también ha sido clave el apoyo del Centro Científico Tecnológico de Valparaíso (CCTVal), que ha contribuido al fortalecimiento de las capacidades experimentales y al estudio de distintas geometrías, incluyendo cilindros, paredes inclinadas y conos truncados, además de la caracterización microestructural de los materiales.
El trabajo más reciente incorpora el estudio del efecto del ángulo de la torcha y de la composición del gas de protección sobre la estabilidad del proceso y las características del material depositado. Paralelamente, el grupo trabaja en la puesta en marcha de una plataforma WAAM que integra una fuente de soldadura robotizada con el sistema robótico disponible en la Universidad, con el objetivo de aumentar el control y la reproducibilidad del proceso.
Formación de capital humano y proyecciones industriales
El objetivo actual es avanzar desde probetas y geometrías simples hacia componentes representativos de necesidades industriales. Para ello, la formación de capital humano ha sido parte importante del desarrollo de la línea, que desde 2023 ha involucrado a nueve estudiantes —siete memoristas de pregrado y dos estudiantes de magíster— de las áreas de metalurgia, electrónica y mecánica.
En paralelo, el equipo trabaja en el desarrollo inicial de un slicer, software que transforma un modelo digital en 3D en instrucciones para que el robot pueda fabricar una pieza capa por capa. En WAAM, esta herramienta resulta especialmente relevante, ya que las trayectorias del robot deben considerar las condiciones del proceso y el comportamiento térmico del material.
El desarrollo de esta herramienta representa un paso hacia la integración de las distintas capacidades construidas por el grupo: desde la geometría digital y la programación, hasta la deposición del material, el monitoreo térmico y la caracterización de la pieza. El objetivo es avanzar hacia procesos cada vez más controlados y reproducibles. “Ahora el desafío es transformar todo ese conocimiento acumulado en procedimientos que puedan utilizarse para resolver problemas reales de fabricación y reparación de componentes metálicos”, sostiene Tello.
La tecnología podría encontrar aplicaciones en sectores donde existe demanda por fabricar o recuperar componentes metálicos, particularmente a través de la industria metalmecánica que presta servicios a áreas como minería, industria papelera y energía. La proyección del grupo es que la manufactura aditiva metálica pueda incorporarse como una capacidad más dentro de los servicios de estas industrias.
