Reconstrucción de cruces de vías mediante fabricación aditiva

Uno de los componentes clave de las redes ferroviarias, ya sean de alta velocidad o urbanas, es el paso a nivel. Situada en el centro de los aparatos de vía, la rana tiene por objeto garantizar la continuidad de las vías de cruce. Debido a su función, esta parte de la vía está sometida a esfuerzos importantes, como cargas/presiones elevadas e impactos, que provocan el desgaste y la deformación del carril.

Una vez que el desgaste es evidente en los raíles, estos componentes pueden repararse in situ, siguiendo un procedimiento de soldadura muy preciso. El objetivo principal es reconstruir la geometría deseada mediante soldadura por arco, gracias a una deposición de material, y proceder a continuación al rectificado del carril para devolverle su perfil original antes de volver a ponerlo en servicio.

En general, cuando el paso a nivel ha sido objeto de varias reparaciones in situ, el gestor de la red ya no autoriza reparaciones suplementarias por soldadura con arco, ya que existe el riesgo de que las características mecánicas iniciales del paso se hayan deteriorado demasiado (debido a los diferentes Ciclos térmicos que se producen durante las operaciones de soldadura). El cruce desgastado se desecha (para ser reciclado) y se sustituye por uno nuevo.

Con la fabricación aditiva, podemos replantearnos el ciclo de vida de estos cruces de vía

La impresión 3D en metal se utiliza con éxito en la industria desde hace varias décadas, con distintos procesos (arco, láser, etc.). Estas tecnologías de fabricación permiten fabricar piezas con geometrías muy a menudo complejas, añadiendo material y superponiendo la cantidad necesaria de capas.

Esta nueva forma de diseñar y fabricar abre el campo de las posibilidades aportando importantes ventajas en términos de tiempo de producción, pero también de costes.

En este artículo, el proceso utilizado se basa en el uso de soldadura por rayo láser con metal de aportación en forma de alambre tubular. Comúnmente conocido por las siglas WLAM (Wire Láser Additive Manufacturing) o Ded-Clad-w (Wire Directed Energy Deposition), este proceso consiste en la fusión mediante un haz láser enfocado sobre un alambre metálico, con el fin de formar un depósito en el que las dimensiones están completamente controladas.

Esta técnica altamente productiva se utiliza para fabricar piezas de gran tamaño (varios metros). La utilización de un Alambre tubular permite aumentar la productividad, gracias a una mayor tasa de deposición del metal de aportación (el alambre tubular se funde más rápidamente que una sección completa de alambre macizo). También es posible adaptar y ajustar la química del metal soldado ajustando la composición química del alambre (sin salirse de unas cantidades de lote de producción razonables).

1. Reconstrucción: una alternativa respetuosa con el medio ambiente

La reconstrucción mediante fabricación aditiva WLAM amplía el ciclo de vida del cruce. Así, en lugar de enviarse a una acería para su reciclaje, el cruce puede reacondicionarse por completo en un taller especializado.

El primer paso consiste en eliminar la parte del cruce que se ha visto afectada por el desgaste, asegurándose de que sólo quede el material original “sano” y no afectado.

Tras comprobar la calidad del metal base del material restante, se realiza una captura en 3D utilizando una herramienta de metrología portátil. Esto permite simular el método de fabricación aditiva por láser de hilo para reconstruir la forma original del cruce. A continuación, sólo es cuestión de aplicar el procedimiento de soldadura adecuado (parámetros, ciclos térmicos, etc.) para superponer las capas necesarias de calidad óptima, de acuerdo con la geometría deseada.

2. El nuevo diseño – alternativa técnico-económica

Hasta la fecha, los cruces de vía son piezas de fundición con una composición química que varía en función de las redes y las necesidades. Superponiendo las capas necesarias a un soporte de base (por ejemplo, acero C-Mn del grupo 1), la fabricación aditiva permitirá producir grandes cruces de geometría variable en la aleación elegida por el cliente:

• Acero de baja y media aleación que proporciona una dureza significativa (350-600HB);
• acero de alta aleación para responder a tensiones/desgaste importantes;
• Acero austenítico al Cr-Mn o Cr-Ni-Mn con propiedades de endurecimiento por deformación;
• apilamiento de capas con varias aleaciones para responder a las tensiones con la mayor precisión posible.

El uso del proceso de hilo láser Ded-Clad en la fabricación aditiva ofrece varias ventajas:

• reducción de los costes de producción;
• personalización de componentes;
• mejora general del rendimiento.

Láser Irepa(1) y Welding Alloys France(2) han combinado sus conocimientos y habilidades en soldadura láser y fabricación aditiva para producir una demostración.

Algunos datos clave:

El cruce de vías utilizado era chatarra y estaba listo para ser reciclado

→ Material base = 400 HB

→ Dimensiones de las piezas: 1.870 x 800 x 370 mm (370 kg).

→ Welding Alambres tubulares con fundente = Endurecido por deformación HARDFACE AP-G

→ Preparación = Gubiado por arco y esmerilado

→ Generación de un modelo 3D mediante un escáner 3D de luz blanca = 30 min.

→ Programación offline (definición de planteamiento, parámetros y simulación postprocesamiento) = 1 hora 30 minutos.

→ Tiempo de reconstrucción mediante el proceso de alambre láser Ded-Clad = 11 horas.

→ Cantidad de Alambre tubular utilizado = 13 kg.

(1) Irepa Láser es una empresa cooperativa orientada a la comunidad (SCIC) especializada en procesos y materiales láser. Ofrece a sus clientes soluciones industriales a medida para apoyarles en sus proyectos de desarrollo e industrialización de productos. Actúa a escala nacional con un enfoque europeo. La naturaleza de sus actividades y su huella están en el centro de las cuestiones sociales relacionadas con las personas, el medio ambiente o la ética. Frente a estos retos, Irepa Láser y sus socios aspiran a convertirse en líderes de procesos de fabricación innovadores y responsables mediante el uso del láser.

(2) Welding Alloys France SAS es una filial del grupo Welding Alloys, un grupo familiar implantado en más de veinte países de todos los continentes. Su objetivo es mejorar la durabilidad de los equipos industriales de sus clientes. Su competencia: el Recubrimiento mediante soldadura de materiales resistentes al desgaste. Para ello, desarrolla y fabrica sus propios Alambres tubulares y sus propias máquinas automáticas de soldadura, pero también ofrece, gracias a equipos de soldadores especializados, la reparación de las instalaciones / piezas de sus clientes in situ, o en sus talleres.