Plantillas y accesorios:6 formas de mejorar la eficiencia de la producción con la impresión 3D

Ya se trate de plantillas, accesorios o agarres, las herramientas siguen siendo una parte vital, aunque aparentemente mundana, del proceso de fabricación. Independientemente de la complejidad de sus productos, la productividad y la eficiencia de su producción dependen de la disponibilidad de herramientas auxiliares de alta calidad.

En los últimos años, ha habido un cambio radical en la forma en que se producen estas herramientas auxiliares:de Volkswagen a Boeing, Jabil y más, los fabricantes líderes han visto los beneficios de la impresión 3D como un medio de fabricación de herramientas.

Entonces, ¿cómo puede la impresión 3D de estas ayudas de fabricación ayudar a los fabricantes a lograr un proceso de fabricación ajustada?

La importancia de las plantillas y los accesorios

Maximizar la eficiencia de la producción y la productividad es una preocupación clave para los fabricantes. Las plantillas y los accesorios son ayudas de fabricación que se utilizan para aumentar la fiabilidad, precisión y calidad del proceso de fabricación, minimizando al mismo tiempo los tiempos del ciclo de producción y mejorando la seguridad de los trabajadores.

Básicamente, el propósito de las plantillas, los accesorios y las ayudas de fabricación es proporcionar un proceso de fabricación preciso, repetible e intercambiable al tiempo que se reduce el tiempo de producción y el error humano.

Plantillas

Una plantilla es una herramienta que sostiene y sostiene la pieza de trabajo mientras guía la herramienta de corte o mecanizado para una operación específica. El tipo más común de plantilla son las plantillas de perforación, que guían la broca a la ubicación deseada.

Accesorios

Los accesorios sostienen, sostienen y ubican la pieza de trabajo (pero no guían la herramienta de corte) durante el proceso de mecanizado o ensamblaje. Por lo general, los accesorios se adjuntan a la máquina, y cada accesorio debe construirse para adaptarse a una pieza o forma en particular.

Las plantillas y los accesorios son vitales para optimizar los procesos de fabricación y los beneficios incluyen:

• Reducción de material de desecho
• Mejora de la precisión y repetibilidad de los procesos
• Reducir el nivel de habilidad requerido (para operar plantillas y accesorios)
• Aumento de la productividad

Herramientas impresas en 3D:Romper con la tradición

En 2021, más de la mitad (57%) de las empresas encuestadas por Jabil informan que utilizan la impresión 3D para herramientas, plantillas y accesorios, frente al 30% en 2017 y el 37% en 2019.

Los métodos de fabricación tradicionales requieren que las plantillas y los accesorios sean mecanizados por CNC o soldados y ensamblados manualmente. Este proceso puede llevar días (o semanas si se subcontrata), sobre todo porque el mecanizado de piezas requiere una planificación intensiva y operadores de máquinas capacitados.

Como era de esperar, el uso de métodos de fabricación tradicionales da como resultado tiempos de entrega prolongados y altos costos de producción y ofrece poca flexibilidad en los nuevos cambios de diseño.

La impresión 3D, sin embargo, es una alternativa ideal. Con una impresora 3D, puede fabricar plantillas y accesorios a pedido, por una fracción del costo del material, y puede iterar según sea necesario.

¿Por qué imprimir en 3D?

1. Tiempos de entrega más rápidos

Un beneficio clave de la impresión 3D es la velocidad con la que se pueden producir las piezas. Dado que la impresión 3D es un proceso de fabricación digital que utiliza modelos CAD en 3D, todo lo que se requiere es cargar dicho modelo CAD, y su pieza podría potencialmente imprimirse en cuestión de horas.

Esto presenta importantes beneficios para la producción de plantillas y accesorios. Con la fabricación tradicional, la producción de herramientas puede llevar días o incluso semanas e implica varios pasos de procesamiento. Sin embargo, con la impresión 3D, gran parte del proceso de fabricación está automatizado, lo que requiere menos intervención humana y acelera el proceso de producción.

Los casos de la vida real abundan:Volkswagen Autoeuropa, la planta automotriz más grande de Portugal, ha reportado un ahorro de tiempo del 89% gracias a las plantillas y accesorios de impresión 3D. Una investigación realizada por Stratasys cuenta una historia similar:según el fabricante, las plantillas y accesorios de impresión 3D pueden resultar en reducciones en el tiempo de entrega de hasta un 90%.

La velocidad con la que se pueden producir plantillas y accesorios con la impresión 3D significa que también es ideal para realizar múltiples iteraciones de un dispositivo, lo que facilita cambios de diseño nuevos e innovadores.

Con frecuencia, se pueden diseñar e imprimir varias iteraciones el mismo día. Compare eso con los altos costos y los plazos prolongados de utilizar un proveedor externo, y los beneficios de la fabricación aditiva son claros.

Estos beneficios significan que los ingenieros no tienen que sufrir ciclos de desarrollo prolongados y tiempos de entrega prolongados entre las iteraciones de recepción del taller de máquinas. Tienen la libertad y la flexibilidad de incorporar cambios de diseño hasta la producción.

2. Costos reducidos

Además del ahorro de tiempo, la impresión 3D ofrece una reducción significativa de los costes de producción. A menudo, la producción de plantillas, accesorios y otros equipos de herramientas se subcontrata a proveedores externos.

Por el contrario, la impresión 3D desafía este enfoque de frente al permitir a los fabricantes llevar la tecnología internamente. Esta nueva estrategia, de fabricación interna de herramientas de bajo volumen, significa que los fabricantes pueden reducir los gastos de subcontratación.

Por ejemplo, Liberty Electronics, un taller de fabricación por contrato que produce ensamblajes de alta gama para las industrias militar y aeroespacial en Pensilvania, ahorró el 85% del costo de una herramienta personalizada al imprimirla en 3D internamente en lugar de subcontratarla.

El inventario es otra área en la que los fabricantes pueden reducir drásticamente los gastos con la impresión 3D. En lugar de almacenar equipos de herramientas, la fabricación aditiva permite la fabricación bajo demanda, por lo que las herramientas se pueden producir cuando sea necesario.

Finalmente, dado que la impresión 3D es un proceso aditivo y no sustractivo, los fabricantes pueden minimizar fácilmente el desperdicio de material, reduciendo los costos de material.

3. Ergonomía mejorada

Dado que las plantillas y los accesorios requieren manipulación física por parte de los trabajadores en el piso de producción, la creación de piezas livianas que sean fáciles de manejar debe ser una prioridad para los fabricantes.

Aquí, la impresión 3D puede ayudar enormemente a reducir el peso. Los materiales de alto rendimiento, por ejemplo, son una excelente alternativa a los procesos de corte de metales y brindan una opción más liviana. Las herramientas más ligeras también significan una mayor facilidad de uso para los trabajadores en la planta de producción.

La fabricación aditiva permite a los ingenieros crear herramientas mejoradas para adaptarse a los requisitos exactos de los trabajadores.

El entorno de ensamblaje es duro y las tareas repetitivas pueden ser increíblemente exigentes para los empleados, dice Bob Heath, ingeniero de aplicaciones de AM en Eckhart, uno de los líderes en soluciones industriales avanzadas. El diseño de herramientas ergonómicas personalizadas que también sean mucho más livianas que las herramientas de diseño tradicional es uno de los beneficios del proceso aditivo en Eckhart.

La compañía mejora constantemente la ergonomía de las herramientas con la impresión 3D al incorporar comentarios del usuario final, todo mientras hace que las tareas sean más ligeras, seguras, repetibles y precisas para los trabajadores en la línea de ensamblaje.

Por ejemplo, es una pesadilla ergonómica para un ensamblador tener que instalar una escobilla limpiaparabrisas en un vehículo nuevo que ingresa a la estación cada 45 segundos.

Por lo tanto, Eckhart se asoció con Stratasys para desarrollar una plantilla impresa en 3D que se ubica fuera del cuerpo del motor del limpiaparabrisas, ayudando al operador succionando la herramienta hacia el parabrisas del vehículo.

La ubicación firme y fija que resulta de la nueva plantilla permite que el ensamblador instale de manera uniforme la hoja limpiadora y elimina cualquier reproceso o problemas de calidad posteriores.

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4. Mayor variedad de materiales

Una amplia gama de materiales está disponible en impresión 3D, desde plásticos y metales hasta cauchos y cera. La impresión 3D de múltiples materiales es un área de interés en rápido crecimiento, con materiales combinados para crear nuevos materiales con propiedades mecánicas mejoradas. Por ejemplo, las piezas impresas en 3D pueden ser resistentes a los productos químicos y al calor o poseer estabilidad a los rayos UV.

Una de las implicaciones más importantes para las plantillas y los accesorios es el desarrollo de materiales de alto rendimiento, como PEKK o ULTEM y compuestos, que pueden crear piezas de herramientas resistentes y ligeras con propiedades mecánicas mejoradas.

5. Rendimiento mejorado

La impresión 3D puede ayudar a mejorar el rendimiento de plantillas y accesorios al proporcionar una forma más sencilla de crear diseños nuevos y mejorados. Anteriormente, lograr esto sería una tarea gigantesca debido al nivel de esfuerzo y gasto requerido para producir nuevos accesorios de fabricación con métodos tradicionales

AM hace posible agregar funciones, como números de serie, fechas de fabricación y otros datos clave, lo que permite una mejor gestión y seguimiento del inventario.

Los componentes que se separarían en el proceso de mecanizado se pueden combinar al imprimir en 3D. Esto minimizará el espacio de separación y la acumulación no deseada de polvo y virutas (por ejemplo, para una herramienta de mecanizado).

6. Personalización

Finalmente, la impresión 3D facilita la creación de productos personalizados. Junto con la capacidad de crear geometrías complejas, la tecnología se puede utilizar fácilmente para producir herramientas complejas y personalizadas que de otro modo serían inalcanzables con los métodos de fabricación tradicionales.

Y las oportunidades de personalización tienen beneficios en una variedad de industrias, por ejemplo, en el campo de los dispositivos médicos. Aquí, la impresión 3D ya se utiliza para crear guías quirúrgicas, lo que reduce el tiempo de la cirugía y brinda una mejor experiencia al paciente.

Jigs y accesorios impresos en 3D en acción

Muchos fabricantes ya están aprovechando los beneficios económicos y de productividad de la impresión 3D para la producción de herramientas.

Fabricación

Jabil

Jabil es una empresa global de servicios de fabricación con 100 instalaciones repartidas en más de veinte países en todo el mundo. Con su arsenal de sistemas Ultimaker AM, la empresa ya está explorando la impresión 3D para producir plantillas y accesorios. Su planta de Auburn Hills en Michigan es pionera en la producción de herramientas mediante fabricación aditiva.

"Me parece que, a la larga, todos los accesorios y plantillas se imprimirán en 3D, algunos serán de plástico, algunos serán de metal, pero en última instancia, tiene mucho sentido". - John Dulchinos, Jabil.

Con la tecnología, la empresa puede producir lotes únicos de plantillas y accesorios con múltiples iteraciones de diseño sin restricciones de costos. La instalación ahora puede reducir el costo de las herramientas hasta en un 30% y reducir el tiempo requerido en un 80%, al tiempo que aumenta la satisfacción del cliente.

"Las herramientas y accesorios impresos en 3D son un área de la que la mayoría de los fabricantes pueden beneficiarse al aplicar la impresión 3D en sus procesos existentes", según el director de fabricación aditiva de Jabil, Tim DeRosett.

Aeroespacial

Grupo de aviones Moog

El fabricante aeroespacial y de defensa, Moog Aircraft Group, ha estado utilizando la tecnología Fused Deposition Modeling (FDM) para imprimir en 3D accesorios de la máquina de medición coordinada (CMM). Según la empresa, la subcontratación de la producción de accesorios CMM resultó en un plazo de entrega de cuatro a seis semanas, desde la concepción hasta la pieza final. Sin embargo, con la impresión 3D, la empresa puede producir los mismos accesorios internamente en aproximadamente 20 horas. El precio de los accesorios CMM impresos en 3D también ha bajado de £ 2,000 a un par de cientos de libras.

Boeing

Sin embargo, la impresión 3D no solo es beneficiosa para las pequeñas ayudas de fabricación. En 2016, un proyecto de colaboración entre Boeing y el Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL) del Departamento de Energía en Tennessee, produjo una herramienta impresa en 3D impresionantemente grande de recorte y perforación para el avión 777X de Boeing, estableciendo un récord mundial en ese momento para el más grande Objeto impreso en 3D.

Anteriormente fabricada con métodos de fabricación tradicionales que utilizan metal, la herramienta de corte y perforación se imprimió en 3D con ABS reforzado con fibra de carbono en solo 30 horas. La rápida producción se logró gracias a la máquina patentada Big Area Additive Manufacturing (BAAM), desarrollada principalmente para aplicaciones AM a gran escala.

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Automotriz

BMW

Las herramientas impresas en 3D también se utilizan ampliamente en el sector de la automoción. BMW es un ejemplo notable:el fabricante de automóviles alemán utilizó el modelado por deposición fundida para producir herramientas manuales para ensamblar y probar como una alternativa a los métodos tradicionales de fabricación de corte de metales como el fresado o el torneado. Gracias a la impresión 3D, el peso de las herramientas de diseño ergonómico se ha reducido en un 72%, lo que facilita su uso para los trabajadores y mejora la funcionalidad del dispositivo.

Renault Sport F1

La impresión 3D también ha sido una solución valiosa para la fabricación de herramientas en Renault Sport Formula 1. Entre sus muchas aplicaciones de impresión 3D, la empresa ha utilizado estereolitografía (SLA) para producir plantillas para el sistema de escape de su coche de carreras.

Antes de adoptar la fabricación aditiva, Renault utilizaba el mecanizado CNC para fabricar sus plantillas, lo que podía llevar días, y el montaje de piezas premecanizadas podía llevar una semana. Por el contrario, con la fabricación aditiva, se pueden producir 15 plantillas de la noche a la mañana, lo que supone un importante ahorro de tiempo.

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Cómo aprovechar al máximo las plantillas y accesorios de impresión 3D

Optimice el diseño de la herramienta

La impresión 3D exitosa de ayudas a la fabricación comienza con el diseño. Tómese un tiempo para considerar qué funcionalidad adicional se puede incorporar en la plantilla o dispositivo en la etapa de diseño para aprovechar la flexibilidad de diseño de AM. Las pequeñas características que serían difíciles de mecanizar y las geometrías consideradas imposibles debido a la holgura de la herramienta en el fresado o torneado están todas dentro del alcance de los procesos de AM.

Lo interesante es que las empresas de AM están desarrollando activamente soluciones automatizadas para acelerar el proceso de diseño y permitir que los ingenieros evalúen rápidamente las opciones de diseño antes de imprimir cualquier cosa en la máquina. Una herramienta de este tipo podría resultar beneficiosa para el diseño de herramientas.

Por ejemplo, Ford ha mostrado cómo la automatización puede reducir el tiempo de diseño de herramientas de horas a minutos.

Al asociarse con una empresa de software alemana, Trinckle, el fabricante de automóviles obtuvo acceso a un software que podía generar automáticamente la geometría de la herramienta para adaptarse al contorno del automóvil y formar la base de la nueva plantilla. Con un simple clic, los ingenieros también pueden agregar elementos como manijas, soportes magnéticos para la fijación y guías de borde.

La automatización del proceso de diseño de esta pieza ha ahorrado varias horas de trabajo, reduciendo el proceso de diseño a solo 10 minutos. Ford cree que este enfoque tiene el potencial de ahorrar miles de euros por herramienta.

El fabricante de hardware, Stratasys, también está desarrollando soluciones de automatización de diseño de herramientas 3D en colaboración con la empresa de software nTopology.

Esta nueva solución, denominada Generador de accesorios, permite a los ingenieros preparar piezas de herramientas con una simple operación de arrastrar y soltar. Lo hace mediante el uso del motor de software de optimización de topología de nTopology, que optimiza los diseños de piezas teniendo en cuenta la aplicación de uso final. Puede solicitar acceso al generador de accesorios aquí.

Digitalice el inventario para reordenar fácilmente las herramientas impresas en 3D

Si imprime muchas herramientas de forma regular, debería considerar simplificar el flujo de trabajo para su pedido.

Muchas empresas que implementan plantillas y accesorios impresos en 3D a menudo almacenan archivos de diseño en carpetas compartidas, mientras que los ingenieros necesitan enviar solicitudes por correo electrónico para solicitar sus herramientas. Al mismo tiempo, los jefes de departamento de 3D tienen que clasificar los correos electrónicos y buscar en las carpetas y hojas de cálculo para encontrar los archivos solicitados y sus requisitos de producción para enviarlos a producción.

Es evidente por qué este flujo de trabajo no es muy eficiente:no es fácil de usar para los ingenieros que solicitan piezas y requiere mucho tiempo y es propenso a errores para los técnicos de impresión 3D.

Una solución alternativa y más eficiente sería crear un catálogo digital completo con archivos de diseño 3D Y requisitos de producción. Al ponerlo a disposición de los ingenieros, las empresas pueden simplificar la programación de pedidos y producción si el catálogo también está integrado con un sistema MES aditivo.

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El futuro de las herramientas es la impresión 3D

Si bien las plantillas y los accesorios pueden no ser el aspecto más glamoroso de la fabricación aditiva, siguen siendo cruciales para el proceso de fabricación. AM es una alternativa ideal para asegurar un proceso de producción eficiente, ayudando a producir plantillas, accesorios y otras ayudas en una fracción del tiempo y costo.

De cara al futuro, a medida que la fabricación de herramientas se convierta en un esfuerzo más personalizado, los fabricantes que ya han adoptado la impresión 3D obtendrán los beneficios de un proceso de fabricación más simplificado y experimentarán grandes mejoras en la eficiencia y la calidad dentro de las líneas de producción y montaje.