Soluciones de impresión modulares de precisión para automoción y aeroespacial

APS Tech Solutions es una división de Automatisierte Produktions Systeme GmbH en Höchst, Austria. Fundada en 1987, la empresa proporciona soluciones de ingeniería, mecánicas y robóticas para corte por chorro de agua 3D y máquinas de utillaje usadas en mercados automotriz, aviación y mecánico.

"Hace tres años, queríamos una impresora 3D muy versátil, pero no podíamos encontrar nada que cumpliera nuestros requisitos", dice Nicolai Wampl, desarrollo de negocio para APS Tech Solutions. "Así que creamos nuestro propio sistema, el Wizard 480+, que lanzamos el año pasado. Puede imprimir con fibra continua, filamentos termoplásticos estándar, metal o cerámica."

El Wizard 480+ tiene un volumen de impresión de 400 mm de largo x 230 mm de ancho x 370 mm de alto y una cama de impresión que puede calentarse hasta 200 °C. Las boquillas para impresión de filamento de fibra continua pueden calentarse hasta 500 °C.

¿Realmente necesitamos otra impresora de sobremesa para compuestos industriales? "Nuestro objetivo no era una impresora de sobremesa para uso industrial sino más bien una máquina industrial real", dice Wampl. "Queríamos una impresora versátil sin restricciones pero con una configuración que no sea abrumadora. Por ejemplo, puedes modificar una impresora de sobremesa de bajo coste para que sea más versátil, pero requiere mucho know-how y tiempo. En el otro extremo está una impresora industrial donde puedes imprimir piezas de alto volumen en un puñado de materiales, pero si quieres imprimir algo nuevo, se vuelve difícil. Queríamos imprimir piezas usando cada material que está en el mercado, pero en alta calidad." Por ejemplo, la pieza de repuesto para una herramienta de estampado discutida abajo requería precisión de 0,02 milímetros.

"Las máquinas de corte por chorro de agua 3D y utillaje con las que trabajamos deben construirse con precisión para operar correctamente", explica Wampl. "Hemos puesto este conocimiento en el Wizard 480+ para aumentar la precisión de las piezas impresas. Otra diferencia es que tenemos un sistema de cambio de herramienta como en una máquina CNC, lo que nos permite usar múltiples tipos de materiales en una impresión. Por ejemplo, si un cliente quiere usar dos tipos diferentes de fibras continuas en una sola impresión, es posible porque los cabezales de impresión son intercambiables. Las impresiones pueden usar plásticos de alto rendimiento como PEEK [poliéteretercetona] y PEKK [poliétercetona-cetona], así como poliamida [PA] y filamentos FDM [modelado por deposición fundida] disponibles comercialmente. No cada pieza necesita fibra continua. También tenemos un cabezal de impresión para piezas verdes simples de cerámica y metal usando acero o titanio, por ejemplo. Nota que las piezas de cerámica y metal necesitarían sinterizarse en un segundo paso e no incluirían plásticos debido a este post-procesado de alta temperatura."

Sistema abierto

"La mayoría de empresas tienen dos máquinas separadas para metales versus no metales", señala Wampl. "Pero para nuevos desarrollos, no quieres tener que comprar una impresora nueva cada vez que pruebas un material nuevo. No queríamos un sistema cerrado y restringido, sino un sistema modular, flexible, con el que puedas mejorar o cambiar las piezas impresas." Por ejemplo, el cliente puede querer imprimir con fibra continua y poliuretano termoplástico (TPU). "Este es un material difícil porque su viscosidad cae tan rápido que es difícil mantener consistencia durante la impresión. Pero queríamos una impresora que pudiera acomodar esto."

El Wizard 480+ está diseñado para imprimir con cualquier filamento continuo, incluyendo fibra de vidrio o alambre de cobre. "Nuestro filamento estándar de fibra continua es 1K fibra de carbono/PA pero también hemos usado PEEK y PLA [ácido poliláctico] y podemos llegar hasta 3K fibra de carbono", dice Wampl. APS Tech Solutions quiere suministrar filamentos continuos al mercado, pero su impresora no está restringida a estos.

El Wizard 480+ también es abierto en su software. "Siempre hemos necesitado algo de ingeniería especial", dice Wampl, "y por eso queríamos tener la mayor cantidad de control. Con muchas impresoras, estás un poco restringido por el software. Pero con nuestro software, puedes colocar las fibras exactamente donde las quieres, y no estás restringido por ningún algoritmo. Aunque puedes usar un algoritmo para generar dónde deberían ir las fibras, queríamos que los ingenieros controlaran cómo colocar las fibras porque saben cómo se va a usar la pieza y qué tipo de fuerzas acaban dónde."

Dicho esto, el sistema es relativamente fácil de usar, dice Wampl. "Por ejemplo, para imprimir con dos materiales diferentes creas dos piezas diferentes en CAD. Luego eliges qué pieza se imprime en qué material usando Simplify3D [Cincinnati, Ohio, EE. UU.], un software de laminado usado para muchas impresoras 3D industriales. Luego tenemos un post-procesador que crea el código G para imprimir. Simplify3D permite configurar todos los parámetros de impresión como altura de capa, densidad de relleno. Para el post-proceso, solo arrastras y sueltas el archivo, y se ajustará a nuestra máquina porque tenemos algunas características – como el cambiador de herramienta y uso de filamentos de fibra continua – que no son muy comunes."

"Realmente solo tenemos una restricción", dice Wampl, "que es la longitud del filamento impreso. Tenemos una longitud mínima de 20 milímetros. Si un ingeniero hace una longitud impresa particular más corta de 20 milímetros, entonces entramos en complicaciones, y el post-proceso te dice que no es posible."

Calidad esperada, entregada

El primer cliente del Wizard 480+ fue el fabricante de herramientas de estampado de alto rendimiento Stepper Fritz GmbH & Co. KG. (Pforzheim, Alemania). "Necesitaban una pieza de repuesto para una de sus herramientas y preguntaron si podíamos imprimirla", dice Wampl. "Habían luchado por encontrar una impresora 3D para el trabajo debido a la geometría compleja y combinación de materiales requerida, incluyendo fibra de carbono continua, matriz termoplástica y soportes solubles en agua." La versión previa de esta pieza se hizo usando aluminio fresado por CNC. "Imprimimos la pieza sin cambios en la forma e integramos roscas para inserciones", señala Wampl. "Usamos un filamento PA relleno de fibra de carbono picada off-the-shelf para la carcasa exterior y nuestro filamento de fibra de carbono continua/PA para el interior."

Stepper evaluó la pieza, determinó que cumplía la precisión requerida, y luego pidió nuestra primera máquina, dice Wampl. "La han estado ejecutando desde julio de 2020 sin ningún problema y nos dicen que aún produce piezas con esta precisión."

La alta calidad también es una característica de los compuestos reforzados con fibra tal como se imprimen, como se muestra en la micrografía en la imagen de apertura, arriba. Con cinco capas de filamento PEEK reforzado con fibra de carbono continua 1K de APS Tech Solutions, la pieza fue cortada y micrografiada justo después de imprimir, sin consolidación adicional ni post-procesado. El material también se probó en FH Vorarlberg (Universidad de Ciencias Aplicadas en Vorarlberg, Alemania) y micrografiado en la Universidad de Bayreuth (Bayreuth, Alemania). Los resultados muestran una resistencia a la tracción de 1.060 megapascales y una resistencia a la flexión de 750 megapascales. "Sin embargo, esto fue una prueba muy preliminar y ahora estamos preparando pruebas más estandarizadas, durante las cuales nuestros técnicos creen que lograremos propiedades aún más altas" dice Wampl.

"Nuestras ventas, por ahora, son principalmente a universidades y empresas como Stepper que no están satisfechas con lo que hay en el mercado", dice Wampl. "Hay impresoras 3D de fibra continua con buena tecnología, pero la mayoría están restringidas en materiales o software. Nuestro objetivo es servir a clientes que necesitan la más alta calidad de piezas así como flexibilidad, como empresas de ingeniería mecánica y especializada, así como las que trabajan en ciencia y desarrollo de materiales."

La empresa continúa trabajando en sus propios nuevos desarrollos, como adaptar su sistema para un brazo robótico de seis ejes y materiales para aplicaciones espaciales. "Creemos que los compuestos impresos en 3D tienen una aplicación mucho más amplia de lo que se ha visto hasta ahora, pero estamos expandiendo esos horizontes y permitiendo nuevas posibilidades para piezas industriales."