¿La impresión 3D reemplazará a la industria de herramientas?

Publicado el 11 de noviembre de 2019 | Fabricación rápida de WayKen

Fabricar un producto no implica simplemente procesar las piezas reales y ensamblarlas. El proceso de producción implica muchas tareas adicionales, como el desarrollo del empaque, pensar en la logística y, lo que es más importante, desarrollar y producir las herramientas. Herramientas es un significado general para los componentes que son necesarios para la producción exitosa de todos los componentes en el volumen requerido y con todos los requisitos prescritos. La industria de las herramientas cuesta miles de millones de dólares a los empresarios de todo el mundo. Los costos de las herramientas pueden alcanzar hasta el 50% del costo total del producto. Sin embargo, se están desarrollando nuevas tecnologías para disminuir el tiempo y el precio de las herramientas. La impresión 3D ha demostrado ser una técnica fiable y prometedora para este tipo de trabajo.

A lo largo de los años, la tecnología de fabricación aditiva o, como comúnmente se le llama, impresión 3D, es una analogía con el proceso convencional de copiar imágenes digitales 2D en una hoja de papel. A medida que la técnica maduró, la precisión, la resistencia de las piezas, el acabado superficial y la gama de materiales para la fabricación aditiva crecieron drásticamente. Hace 5 años las partes impresas solo podían usarse para maquetas y presentaciones. Hoy escuchamos que se están instalando componentes metálicos impresos en motores, transbordadores espaciales y automóviles de Airbus. Eso significa que la impresión 3D también se ha vuelto útil para las herramientas. Si consideramos un desarrollo tan rápido, ¿quizás es posible que la impresión 3D pueda sustituir todos los procesos convencionales para la fabricación de herramientas en toda la Industria?

Impresión 3D de plástico para sustituir herramientas blandas

Las herramientas blandas generalmente se conocen como elementos que no requieren muchas discapacidades. El ejemplo más común de herramientas blandas son los moldes de silicona para moldear plástico. Se fabrican con diferentes mezclas de silicona curada, mientras que las herramientas duras para el moldeo por inyección se fabrican con aleaciones metálicas. Su durabilidad es minúscula en comparación con las herramientas duras (solo de 1 a 1000 piezas según la complejidad), pero el precio es considerablemente más económico. Los moldes de silicona son perfectos para ser utilizados en trabajos de creación de prototipos, fabricación de pequeño volumen y personalización. Solo necesitaría un modelo maestro y una o dos formas de matriz para producir un lote de piezas pequeño pero significativo. Entonces, ¿cómo puede la fabricación aditiva mejorar y reemplazar el proceso convencional aquí?

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Mejoras por la fabricación aditiva

En primer lugar, la impresión 3D ya juega un papel importante en la fundición de silicona. Es indispensable para la fabricación del modelo maestro. La impresión 3D sobresale en la producción de una sola pieza personalizada y la ventaja es que la complejidad de la geometría juega poco o ningún papel en el tiempo y costo final. Una única pieza compleja personalizada es una definición del modelo maestro para la fundición de plástico. Una vez realizada la master-part, se sumerge en silicona líquida y una vez endurecida se obtienen las dos mitades del troquel.

¿Y si vamos más allá y producimos los propios troqueles de silicona simplemente imprimiendo los moldes de silicona? Eso eliminaría la necesidad de una pieza maestra y su procesamiento posterior. Las impresoras 3D modernas no alcanzan el acabado superficial necesario con los materiales necesarios, pero pueden producir piezas extremadamente suaves con polímeros más blandos. ¿Quién puede decir que las impresoras no podrán lograr la misma precisión en los materiales más complejos en un par de años? Cuando eso suceda, la industria de herramientas de silicona convencional estará en problemas.

La impresión 3D y la industria del moldeo por inyección

Hemos analizado las herramientas blandas. Ahora veamos qué puede aportar la impresión 3D a la industria de herramientas duras. La mayor parte de esta industria involucra troqueles duraderos de acero para piezas de moldeo por inyección de plástico. Sin embargo, el herramental duro incluye troqueles de forja de metal, accesorios de mecanizado y herramientas de sujeción de medición (o unidades completas de equipos de medición especializados para piezas específicas).

Herramientas duras para diferentes industrias

Las herramientas duras se producen más comúnmente mediante mecanizado CNC. Los troqueles y accesorios están hechos de acero inoxidable o aleaciones de metales duros, que pueden tratarse térmicamente para prolongar aún más su vida útil. Dichos materiales son muy difíciles de procesar. Es por eso que el procesamiento de fabricación de herramientas duras cuesta mucho dinero y requiere una parte significativa del tiempo de entrega del producto.

El herramental duro generalmente se fabrica como una sola unidad o como un lote muy pequeño. Comúnmente tiene una geometría muy compleja con características internas. Esta situación es exactamente donde sobresale la impresión 3D. Sin embargo, la fabricación aditiva aún no se usa mucho para producir troqueles.

Razones por las que aún no vemos la fabricación aditiva

Hay algunas razones para eso. Una de las razones es que la fabricación aditiva de metal aún no proporciona la precisión y el acabado superficial que pueden alcanzar las piezas mecanizadas por CNC. Por lo tanto, no puede evitar completamente el procesamiento con herramientas de corte. Todo eso significa que no puede evitar el posprocesamiento y el costo de las piezas posprocesadas es mayor. Sin embargo, la razón más importante es que las propiedades de fatiga de las piezas sinterizadas aún no han sido bien investigadas. Significa que la durabilidad de las piezas impresas no se puede prever de forma fiable. Una vez que se realizan más pruebas de investigación, podemos establecer las curvas de fatiga generales de los materiales sinterizados. Una vez hecho esto, será posible utilizar la fabricación aditiva para componentes duraderos. Además, no hay tantos materiales adecuados para la sinterización de piezas metálicas, por lo que las variaciones de troqueles son limitadas.

El futuro de las herramientas

Ahora que conocemos las limitaciones actuales de la impresión 3D en metal, veamos qué puede pasar en el futuro cuando finalmente se superen esas limitaciones. Si desarrollamos impresoras que puedan fabricar piezas precisas a partir de componentes complejos, el ritmo de fabricación se disparará. Los troqueles se fabricarán en cuestión de días y serán mucho más baratos que la fabricación actual. El costo de mecanizar una sola pieza es muy alto, mientras que la impresión en 3D de una mascota personalizada es en realidad más rentable que hacer un lote. La dureza del material no importará ya que se funde localmente y no se corta.

Y por último, pero no menos importante, la fabricación aditiva puede aportar mucho en términos de canales de refrigeración internos. Los taladros y perforaciones no pueden alcanzar cavidades y espacios más profundos, lo que da como resultado diferentes velocidades de enfriamiento. Sin embargo, las tecnologías aditivas pueden ofrecer cualquier forma compleja de canales que sean eficientes, se distribuyan uniformemente sobre la cavidad y no aumenten el costo del troquel.

Conclusión

La fabricación aditiva tiene un largo camino por recorrer para sustituir los métodos infalibles convencionales de creación de herramientas. Sin embargo, una vez que la tecnología madure y las propiedades de sus partes se entiendan mejor, los métodos convencionales no tendrán ninguna posibilidad.