Implementación de un modelo térmico para la estimación de la geometría de la zona afectada térmicamente en la fabricación aditiva por arco con hilo (WAAM) mediante análisis FEM e integración de redes neuronales artificiales (ANN)

Resumen

Este artículo presenta el desarrollo y la validación de un modelo térmico para el proceso de fabricación aditiva por arco con hilo (WAAM). El modelo se basa en el método de elementos finitos (FEM) y está diseñado para predecir la distribución térmica del sustrato donde se va a depositar el cordón de soldadura. Para validar el modelo térmico, se llevó a cabo un proceso de experimentación utilizando tres espesores diferentes de sustrato (8, 10 y 30 mm), mientras se variaban los parámetros clave del proceso que influyen en la entrada de calor (como la velocidad de deposición y la velocidad de desplazamiento). Los resultados de la simulación se compararon con los datos experimentales mediante el análisis de parámetros térmicos críticos, como el área, la altura y la anchura de la zona afectada térmicamente (HAZ), así como las dimensiones del baño de fusión. La geometría de la HAZ obtenida a partir de la simulación térmica mostró una gran coincidencia con las observaciones experimentales, lo que confirmó la precisión del modelo. A continuación, el modelo se amplió para simular un rango más amplio de velocidad de desplazamiento y velocidad de deposición por espesor de muestra. Esto permitió realizar un estudio más exhaustivo de cómo estos parámetros afectan a la respuesta térmica del sustrato. El conjunto de datos ampliado generado a partir de las simulaciones se utilizó para entrenar una red neuronal artificial secuencial y, a continuación, se comparó con los resultados obtenidos en la experimentación. El modelo ANN demostró un rendimiento predictivo fiable en todos los casos, con el menor error observado para el espesor del sustrato de 30 mm debido a sus reducidos gradientes de temperatura extremos y fluctuaciones térmicas transitorias. La novedad de este trabajo radica en la integración de un modelo térmico FEM validado con una ANN secuencial, lo que permite una predicción rápida y precisa de los campos térmicos en el proceso WAAM.