Seis variables de control de procesos que son vitales para el éxito de su fabricación aditiva

Los procesos de fabricación aditiva operan en escalas que son mucho más complejas e intrincadas de lo que los operadores humanos de máquinas pueden controlar sin ayuda. Los métodos basados ​​en capas, como el modelado por deposición fundida (FDM), se pueden configurar de acuerdo con una amplia gama de variables, incluida la escala de píxeles y el ángulo de impresión, que son difíciles, si no imposibles, de validar manualmente. Por este motivo, los fabricantes necesitan métodos probados para garantizar que los procesos de producción aditiva sean precisos, exactos, económicos y seguros tanto dentro como entre los trabajos de impresión.

En términos generales, estos métodos, conocidos como controles de procesos, son sistemas industriales que permiten a los ingenieros administrar procesos complejos para que produzcan resultados consistentes. Por ejemplo, los controles del proceso de fabricación aditiva pueden ayudar a optimizar numerosos parámetros de producción críticos para garantizar que las piezas alcancen estándares similares de precisión geométrica, características de rendimiento, propiedades mecánicas, tolerancia dimensional y calidades.

La mayoría de las impresoras 3D industriales, incluidas la mayoría de las máquinas de fusión de lecho de polvo láser (LBPF), ahora incluyen sistemas de monitoreo de circuito cerrado, que utilizan cámaras y sensores térmicos y de posición para recopilar datos sobre la salida de la impresora y detectar desviaciones en tiempo real. .

También conocidos como sistemas de retroalimentación, estos controles de proceso in situ realizan ajustes en función de la salida para lograr las condiciones o propiedades deseadas, refinando así la consistencia y la calidad de la producción de piezas. Aunque menos comunes, algunas impresoras 3D cuentan con herramientas de simulación de "alimentación hacia adelante" que ingresan comentarios directamente en el sistema de circuito cerrado del dispositivo, lo que permite el control de procesos en tiempo real e impresiones más consistentes.

Variables críticas de control de procesos aditivos

La precisión y la calidad de las piezas impresas en 3D están influenciadas por docenas de variables que deben controlarse rigurosamente para lograr resultados consistentes. En general, estas variables se alinean con una de seis categorías.

1. Medio Ambiente

El control de las condiciones físicas del espacio donde se crean las piezas es fundamental para garantizar impresiones uniformes. Factores como la humedad, la calidad del aire y la temperatura pueden afectar significativamente la forma en que el material se extruye y se une entre las capas. Saber cómo cada uno de estos factores afecta la calidad de impresión es clave.

2. Máquina

La tecnología utilizada durante la producción introduce una serie de variables que deben tenerse en cuenta.

La calidad de una máquina puede paliar algunos de estos factores. Por ejemplo, la tolerancia que puede lograr solo será tan buena como la pieza menos precisa de la máquina; no importa cuán costosa sea una extrusora si los controladores y los motores que la impulsan no son precisos. Factores adicionales, como la fuerza de extrusión y la impresora y la temperatura de la plataforma, tienen efectos directos en la fuerza de adhesión del material y la estabilidad de la interfaz.

3. Materiales

Si bien las diferentes características de los materiales, por supuesto, afectan el rendimiento y la función de la pieza final, estas cualidades también deben tenerse en cuenta en el proceso de producción. Si los materiales tienen requisitos específicos de almacenamiento o manejo, o deben prepararse de una manera específica antes de la impresión, se deben establecer controles de proceso para cada variable para garantizar que se pueda repetir un trabajo con resultados similares.

4. Geometría y orientación de la pieza

Además de optimizar el diseño de la pieza para la fabricación, los ingenieros deben definir cómo se producirá la pieza dentro de la cámara de construcción de las impresoras. Factores como la orientación de la pieza en relación con la placa de construcción, el diseño del material de soporte y la alineación de las características críticas con el plano de impresión más preciso de la máquina contribuyen a la eficiencia y la calidad de la producción.

5. Posprocesamiento

Una vez que ha concluido la impresión, es posible que las piezas deban someterse a procesos adicionales antes de la posproducción por varias razones. Si se utilizó material de soporte, será necesario retirarlo. Es posible que sea necesario perforar ciertas características para aumentar la precisión del producto final. Los pasos secundarios también pueden ser sensibles al tiempo. En todos los casos, estos procesos deben estar estandarizados.

6. Garantía de calidad

Optimizar aún más el procesamiento posterior ayuda a garantizar la precisión de la pieza y lograr las cualidades estéticas deseadas. Se deben establecer parámetros similares sobre cómo se eliminan los soportes, cómo se terminan las superficies y cómo se aplica cualquier detalle cosmético, como estampado en caliente o enchapado. Finalmente, los métodos utilizados para medir, validar y calificar piezas, una práctica conocida como metrología, deben ser consistentes.

Optimización de procesos de producción aditiva para variables críticas

Después de identificar las variables involucradas en un trabajo de producción determinado, el siguiente paso para los equipos de productos es diseñar un proceso que permita una gestión eficaz de las variables. La calibración del proceso requerirá prueba y error, pero una ventaja significativa de los procesos de fabricación aditiva es que son iterativos, lo que permite actualizaciones rápidas de los diseños digitales sin necesidad de cambios de herramientas costosos y que consumen mucho tiempo.

Por lo general, la optimización de los procesos de producción aditiva para obtener exactitud y precisión debe incluir los siguientes pasos:

1. Recopilar extensos conjuntos de datos basados ​​en las variables de control de procesos
2. Ejecute análisis estadísticos y de correlación de los conjuntos de datos para establecer la dependencia entre las variables y las entradas
3. Basado en dependencias variables, realice diseños específicos de experimentos (DOE) para iluminar las principales causas de inconsistencias o desviaciones
4. Altere el proceso de producción para lograr una mayor exactitud y precisión

Este ciclo debe repetirse hasta que el proceso produzca de manera confiable piezas de alta calidad con las características y tolerancias dimensionales deseadas. Sin embargo, las pruebas deben realizarse de forma continua para garantizar que el proceso sea coherente y eficaz.

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Los controles de procesos son fundamentales para garantizar que los métodos de producción sigan siendo eficientes y consistentes, y los desarrollos en las tecnologías de control de procesos de fabricación aditiva han sido rápidos y significativos. La mayor incorporación de sensores IoT y algoritmos de aprendizaje automático en los sistemas de impresoras 3D permite a los equipos de productos crear piezas con mayor precisión y velocidad. Además, las nuevas tecnologías innovadoras como el análisis de simulación, el diseño experimental y la industrialización de sistemas de control tienen el potencial de optimizar y perfeccionar el sector de la fabricación aditiva.

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