Mecanizado CNC frente a impresión 3D:¿cuál es la mejor opción para su trabajo?

El inventor de la estereolitografía y fundador de 3D Systems, Charles Hull, comenzó a vender impresoras 3D en 1986. Unos años más tarde, Scott Crump de Stratasys comercializó su tecnología de modelado por deposición fundida. Pronto siguieron otros, y no pasó mucho tiempo antes de que los empresarios de todo el mundo compraran estas máquinas de "creación rápida de prototipos" y abrieran "oficinas de servicios", empresas que se centraban únicamente en la impresión 3D.

Hoy en día, cada uno de esos términos que alguna vez fueron de vanguardia es en su mayoría obsoleto. La fabricación aditiva ya no se limita a la creación de prototipos, rápidos o de otro tipo. Y las oficinas de servicios han dado paso a los fabricantes electrónicos, cuyos propietarios y gerentes sostienen que la impresión 3D complementa el mecanizado CNC y otros procesos de fabricación más tradicionales, y se ha convertido en una herramienta más en su caja de herramientas (aunque muy poderosa).

Compensar las fortalezas y debilidades

Sin duda, ese es el caso de Stratasys Direct Manufacturing, con sede en Los Ángeles, donde el vicepresidente de operaciones, Greg Reynolds, explica que decidir qué tecnología de fabricación usar para un proyecto determinado depende de numerosos factores, comenzando con la complejidad de la pieza.

“La fabricación aditiva ofrece varias ventajas importantes sobre los procesos convencionales, particularmente en lo que respecta al metal”, dice. “Alto en esta lista es la consolidación de piezas. En lugar de mecanizar un montón de piezas y luego atornillarlas o soldarlas, la impresión 3D de metal le permite producir el ensamblaje como una sola pieza de trabajo, a menudo mucho más liviana. Con eso vienen características como pasillos internos, superficies barridas complejas y otras formas orgánicas, y estructuras de celosía de paredes delgadas. Cada uno de estos es muy costoso o absolutamente imposible de mecanizar. Sin embargo, para aditivos, son bastante fáciles”.

Por otro lado, las piezas más simples y monolíticas, como soportes, ejes, carcasas y una gran cantidad de otros componentes "en bloque" permanecen firmemente en el ámbito del mecanizado, ya sea que el taller esté fabricando una pieza prototipo o una serie de producción de muchos miles.

Y debido a que la impresión 3D no puede competir con el mecanizado en términos de precisión, las piezas con tolerancias estrechas y acabados superficiales muy suaves también son más adecuadas para un torno CNC o un centro de mecanizado.

Debido a eso, muchas piezas de plástico y prácticamente todas las de metal requieren un viaje posterior a la construcción al taller de máquinas para terminar las características críticas de la pieza y quitar los soportes, la ruina de la mayoría de los procesos de impresión 3D.

Impresión 3D:buena para geometrías complejas, características intrincadas

“Para volúmenes de producción más bajos donde la precisión de la pieza y el acabado de la superficie no son la máxima prioridad, la impresión 3D es sin duda el camino a seguir”, dice Gisbert Ledvon, director de desarrollo comercial para máquinas herramienta en Heidenhain Corp. “Esto también es cierto para piezas con geometrías muy complejas, y donde la impresión 3D puede producir características que de otro modo serían difíciles de fabricar. Aunque pueden requerir un mecanizado secundario, este tipo de piezas se producen cada vez más mediante la fabricación aditiva de metal”.

Un molde de inyección de plástico es un ejemplo, dice Ledvon. En lugar de perforar una serie de orificios de enfriamiento similares a los de un queso suizo en toda la base del molde o sus insertos, como ocurre con la fabricación tradicional de moldes, las máquinas láser de lecho de polvo metálico (LPBF) pueden imprimir todo el molde y llenarlo con canales de enfriamiento ubicados estratégicamente, que se ajustan y rodear la cavidad del molde. Los resultados, dice, son moldes con tiempos de ciclo mucho más rápidos y piezas de mayor calidad de lo que sería posible de otro modo.

Aquí nuevamente, se necesitan operaciones secundarias para mecanizar el acabado de la cavidad del molde y otras superficies críticas; como señalan tanto Ledvon como Reynolds, la fabricación aditiva de metal deja un acabado superficial comparable al de una pieza fundida o forjada.

Ambos expertos dicen que transferir estas y otras partes de una impresora 3D a una máquina CNC requiere una estrategia de fijación sólida. "Sería ideal si su impresora 3D tuviera algún tipo de sistema de paletas que se integre con su centro de mecanizado, ya que esto le ahorrará mucho tiempo y dolores de cabeza", dice Ledvon.

Agarrar una pieza impresa en 3D es similar a agarrar una pieza fundida, añade Reynolds, en el sentido de que a menudo no hay un punto de referencia fijo al que hacer referencia. “Al igual que con las piezas fundidas, comienza el proceso de mecanizado desde una forma casi neta, por lo que primero debe fresar o tornear un punto cero y luego continuar desde allí. Varía de un trabajo a otro, pero en general, diría que el control dimensional es definitivamente más desafiante con las piezas impresas en 3D".

CNC satisface la necesidad de velocidad

Otra ventaja del mecanizado CNC es la velocidad. Mientras que los tornos CNC y los centros de mecanizado pueden extraer material de una barra o palanquilla a gran velocidad, las impresoras 3D de polímeros y metales basadas en láser son notoriamente lentas y tardan muchas horas en producir la mayoría de las piezas e incluso días para las más grandes.

Sin embargo, los láseres están lejos de ser la única forma de unir materiales. La fabricación aditiva cuenta con siete tecnologías distintas y numerosas ramificaciones, algunas de las cuales se han vuelto francamente rápidas en los últimos años. Por ejemplo, los fabricantes de impresoras 3D como Markforged han desarrollado máquinas de inyección de aglomerante capaces de imprimir grandes cantidades de piezas "verdes" que luego se sinterizan, imitando el proceso de moldeo por inyección de metal de décadas de antigüedad. Y las impresoras de modelado por deposición fundida como las de MakerBot y la empresa matriz Stratasys no solo se han vuelto mucho más rápidas que en los primeros días de Scott Crump, sino que ahora pueden imprimir ciertos metales.

Del mismo modo, el proceso de estereolitografía de Chuck Hull se ha ampliado para incluir el procesamiento de luz digital, que cura capas enteras de resina de fotopolímero en una sola pasada en lugar de rastrearlas minuciosamente línea por línea con una fuente de luz ultravioleta.

Estas y otras impresoras de polímeros también son mucho más precisas que antes (aunque todavía mucho menos precisas que el mecanizado), y cuando se usan junto con el llamado equipo de "pulido por vapor", pueden producir acabados superficiales excepcionales.

Luego está la fusión por absorción selectiva de Stratasys. Aunque actualmente se limita al nailon PA11 ecológico, imprime piezas con una tinta patentada que reduce el punto de fusión de cualquier polvo de polímero que toque. Cuando se exponen a una fuente de calor infrarrojo, estas áreas se fusionan para producir piezas totalmente funcionales. “No importa si es una parte o 1000, las velocidades de construcción son las mismas”, dice Reynolds. "Esto lo hace ideal para volúmenes de producción más altos y, dado que no genera tanto calor en la pieza como la sinterización selectiva por láser (SLS), la integridad del material es generalmente mayor".

Recortar el tiempo de producción

Las herramientas son otra distinción importante entre la impresión 3D y la fabricación tradicional. Debido a que el primero es un proceso completamente digital, no hay necesidad de plantillas, accesorios y otras herramientas (aparte de las que se usan en el procesamiento secundario) requeridas con los procesos de fabricación tradicionales.

Eso ofrece numerosos beneficios, siendo el más obvio la eliminación de algunos o todos los costos de herramientas. Pero también está el tiempo de espera necesario para fabricar las herramientas y, cuando estén listas, instalarlas en la máquina herramienta, seleccionar el programa cero y luego probar el programa CNC. Una impresora 3D, por otro lado, puede pasar del modelo CAD a la pieza terminada en tan solo unas pocas horas.

Reynolds señala que la impresión 3D se ha vuelto más automatizada últimamente con respecto al descascarillado y la eliminación de soportes, aunque la automatización también está desempeñando un papel más importante en otros tipos de fabricación.

Independientemente, elegir cómo producir una pieza determinada es una decisión compleja, que depende de la cantidad de trabajo, la geometría de la pieza, su precisión y acabado superficial, el material del que está hecha y muchos otros factores.

Los trabajadores metalúrgicos que intentan decidir entre las dos técnicas pueden cargar una pieza en el sitio web de Stratasys para obtener una cotización instantánea y averiguar cuál es la forma más rápida y efectiva.

"Para aquellos que podrían haber considerado invertir en su propia impresora 3D en algún momento y la encontraron demasiado costosa o no lo suficientemente capaz, los alentaría a echar otro vistazo", dice. "Se ha convertido en una tecnología muy madura y, como con tornos CNC y centros de mecanizado, es solo una forma más de fabricar piezas."

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