Mecanizado CNC vs. Impresión 3D: Elegir el método de fabricación adecuado para su proyecto

El inventor de la estereolitografía y fundador de 3D Systems, Charles Hull, comenzó a vender impresoras 3D en 1986. Unos años después, Scott Crump de Stratasys comercializó su tecnología de modelado por deposición fundida. Otros siguieron pronto, y no pasó mucho tiempo antes de que emprendedores en todas partes estuvieran comprando estas máquinas de "prototipado rápido" y abriendo "oficinas de servicios", empresas que se enfocaban solely en la impresión 3D.

Hoy, cada uno de esos términos una vez vanguardistas es mayormente obsoleto. La fabricación aditiva ya no se limita al prototipado, rápido o de otro modo. Y las oficinas de servicios han dado paso a fabricantes electrónicos, cuyos dueños y gerentes mantienen que la impresión 3D complementa el mecanizado CNC y otros procesos de fabricación más tradicionales, y se ha convertido en solo otra herramienta en su caja de herramientas (aunque muy poderosa).

Compensando fortalezas y debilidades

Ese es ciertamente el caso con Stratasys Direct Manufacturing, con sede en Los Ángeles, donde el vicepresidente de operaciones Greg Reynolds explica que decidir qué tecnología de fabricación usar para cualquier proyecto dado depende de numerosos factores, comenzando con la complejidad de la pieza.

"La fabricación aditiva trae varias ventajas importantes sobre procesos convencionales, particularmente donde el metal está involucrado", dice. "Alto en esta lista está la consolidación de piezas. En lugar de mecanizar un montón de piezas y luego atornillarlas o soldarlas juntas, la impresión 3D de metal le permite producir el ensamblaje como una sola pieza, a menudo mucho más ligera. Con eso vienen características como pasajes internos, superficies barridas complejas y otras formas orgánicas, y estructuras de celosía de paredes delgadas. Cada una de estas es o muy costosa o totalmente imposible de mecanizar. Para la aditiva, sin embargo, son bastante fáciles."

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

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

Por eso, muchas piezas de plástico y virtualmente todas las metálicas requieren un viaje posterior a la construcción al taller de máquinas para terminar características críticas de la pieza y eliminar soportes, la pesadilla 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 superficial no son la máxima prioridad, la impresión 3D es ciertamente el camino a seguir", dice Gisbert Ledvon, director de desarrollo de negocio 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 otra manera serían difíciles de fabricar. Aunque puedan requerir mecanizado secundario, este tipo de piezas son cada vez más producidas mediante fabricación aditiva de metal."

Un molde de inyección de plástico es un ejemplo, dice Ledvon. En lugar de taladrar una serie de agujeros de refrigeración como queso suizo a lo largo de la base del molde o sus insertos, como en la fabricación de moldes tradicional, las máquinas de lecho de polvo láser (LPBF) pueden imprimir el molde completo y llenarlo con canales de refrigeración colocados estratégicamente, que se adaptan y rodean la cavidad del molde. Los resultados, dice, son moldes con tiempos de ciclo mucho más rápidos y mayor calidad de pieza que de otra manera sería posible.

Aquí de nuevo, se necesitan operaciones secundarias para mecanizar de acabado la cavidad del molde y otras superficies críticas; como señalan Ledvon y Reynolds, la fabricación aditiva de metal deja un acabado superficial comparable al de una fundición o forja.

Ambos expertos dicen que transferir estas y otras piezas de una impresora 3D a una máquina CNC requiere una estrategia de sujeción robusta. "Sería ideal si su impresora 3D tiene algún tipo de sistema de palet que se integre con su centro de mecanizado, ya que esto ahorrará mucho tiempo y dolores de cabeza", dice Ledvon.

Sujetar una pieza impresa en 3D es similar a sujetar una fundición, añade Reynolds, en que a menudo no hay un punto de datum fijo para referenciar. "Como con las fundiciones, está comenzando el proceso de mecanizado desde una forma casi neta, así que tiene que fresar o tornear un punto cero primero y luego proceder desde allí. Varía de trabajo en trabajo, pero en general, diría que el control dimensional es definitivamente más desafiante con piezas impresas en 3D."

CNC satisface la necesidad de velocidad

Otra pluma en la gorra del mecanizado CNC es la velocidad. Donde los tornos CNC y centros de mecanizado pueden arrancar material de una barra o lingote a grandes tasas, las impresoras 3D láser de metal y polímero son notoriamente lentas, tomando muchas horas para 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 presume de siete tecnologías distintas y numerosos derivados, algunos de los cuales se han vuelto francamente rápidos en años recientes. Por ejemplo, fabricantes de impresoras 3D como Markforged han desarrollado máquinas de chorro de aglutinante capaces de imprimir grandes cantidades de piezas "verdes" que luego se sinterizan, imitando el proceso de 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.

De manera similar, el proceso de estereolitografía de Chuck Hull se ha expandido para incluir procesamiento de luz digital, que cura capas enteras de resina fotopolimérica en un solo pase en lugar de rastrearlas laboriosamente línea por línea con una fuente de luz UV.

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

Luego está la fusión por absorción selectiva de Stratasys. Aunque actualmente limitado a Nylon PA11 ecológico, imprime piezas usando una tinta propietaria que reduce el punto de fusión de cualquier polvo de polímero que toca. Cuando se expone a una fuente de calor infrarrojo, estas áreas se fusionan para producir piezas totalmente funcionales. "No importa si es una pieza o 1.000, las velocidades de construcción son las mismas", dice Reynolds. "Esto la hace idealmente adecuada para volúmenes de producción más altos, y como no pone tanto calor en la pieza como el sinterizado láser selectivo (SLS), la integridad del material es generalmente mayor."

Reduciendo el tiempo de producción

El utillaje es otra distinción importante entre la impresión 3D y la fabricación tradicional. Debido a que la primera es un proceso totalmente digital, no hay necesidad de plantillas, fijaciones y otro utillaje (aparte del usado en procesamiento secundario) requerido con procesos de fabricación tradicionales.

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

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

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

Los metalúrgicos que intentan decidir entre las dos técnicas pueden subir una pieza al sitio web de Stratasys para una cotización instantánea y descubrir cuál es el camino más rápido y efectivo.

"Para aquellos que podrían haber considerado invertir en su propia impresora 3D en algún momento y la encontraron demasiado cara o no lo suficientemente capaz, les animaría a que le den otra mirada", dice. "Se ha convertido en una tecnología muy madura y, como los tornos CNC y centros de mecanizado, es solo una forma más de hacer piezas."

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