¿Desestabilizará la Impresión 3D a la Industria del Utillaje?

Publicado el 11 de noviembre de 2019 | Por WayKen Rapid Manufacturing

Fabricar un producto no solo implica procesar las piezas y ensamblarlas. El proceso productivo conlleva tareas adicionales: desarrollar embalajes, pensar en logística y, lo más importante, desarrollar y producir el utillaje (tooling). El utillaje es un término general para los componentes necesarios para la producción exitosa de todas las piezas en el volumen requerido y con todos los requisitos prescritos. La industria del utillaje cuesta miles de millones de dólares a emprendedores worldwide. Los costes de utillaje pueden alcanzar hasta el 50 % del coste total del producto. Sin embargo, se desarrollan nuevas tecnologías para reducir tiempo y precio del utillaje. La impresión 3D ha demostrado ser una técnica fiable y prometedora para tal fin.

A lo largo de los años, la tecnología de fabricación aditiva —comúnmente llamada impresión 3D por analogía con la copia convencional de imágenes 2D en papel— ha madurado: precisión, resistencia de la pieza, acabado superficial y gama de materiales han crecido drásticamente. Hace 5 años, las piezas impresas solo servían para maquetas y presentaciones. Hoy oímos de componentes metálicos impresos instalados en motores Airbus, transbordadores espaciales y coches. Eso significa que la impresión 3D se ha vuelto útil también para utillaje. Si consideramos tan rápido desarrollo, ¿es posible que la impresión 3D sustituya todos los procesos convencionales de fabricación de utillaje en toda la industria?

Impresión 3D de Plástico para Sustituir Utillaje Blando (Soft Tooling)

El utillaje blando suele referirse a elementos que no requieren gran durabilidad. El ejemplo más común son los moldes de silicona para vaciado de plástico. Se fabrican con mezclas de silicona curada, mientras que el utillaje duro para moldeo por inyección es de aleaciones metálicas. Su durabilidad es minúscula comparada con el utillaje duro (solo 1-1000 piezas según complejidad), pero el precio es considerablemente más barato. Los moldes de silicona son perfectos para prototipado, fabricación en serie corta y personalización. Solo necesitaría un modelo maestro y una o dos matrices para producir un lote pequeño pero significativo. ¿Cómo puede la fabricación aditiva mejorar y reemplazar el proceso convencional aquí?

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Mejoras mediante Fabricación Aditiva

Primero, la impresión 3D ya juega un papel significativo en el vaciado de silicona. Es indispensable para la fabricación del modelo maestro. La impresión 3D destaca produciendo una sola pieza personalizada, y la ventaja es que la complejidad geométrica apenas influye en el tiempo y coste finales. Una pieza única, personalizada y compleja es la definición del modelo maestro para vaciado de plástico. Tras terminar la pieza maestra, se sumerge en silicona líquida y, una vez endurecida, se obtienen las dos mitades del molde.

¿Y si vamos más allá y producimos las propias matrices de silicona simplemente imprimiendo los moldes? Eso eliminaría la necesidad del modelo maestro y su post-procesado. Las impresoras 3D modernas no alcanzan aún el acabado superficial necesario con los materiales requeridos, pero pueden producir piezas extremadamente lisas con polímeros más blandos. ¿Quién dice que en un par de años no lograrán la misma precisión en materiales más complejos? Cuando eso ocurra, la industria convencional del utillaje de silicona tendrá problemas.

Impresión 3D y la Industria del Moldeo por Inyección

Hemos visto el utillaje blando. Ahora veamos qué aporta la impresión 3D al utillaje duro. La mayor parte de esta industria implica matrices de acero duraderas para piezas de moldeo por inyección. Sin embargo, el utillaje duro incluye matrices de forjado, utillajes de mecanizado y herramientas de sujeción y medición (o unidades de medición especializadas para piezas específicas).

Utillaje Duro para Diferentes Industrias

El utillaje duro se produce comúnmente por mecanizado CNC. Matrices y utillajes se hacen de acero inoxidable o aleaciones duras, que pueden tratarse térmicamente para aumentar su vida. Estos materiales son muy difíciles de mecanizar. Por eso el procesamiento de utillaje duro cuesta mucho dinero y toma una parte significativa del plazo de entrega del producto.

El utillaje duro suele fabricarse como unidad única o lote muy pequeño. Comúnmente tiene geometría muy compleja con características internas. Esta situación es exactamente donde la impresión 3D destaca. Sin embargo, la fabricación aditiva aún no se usa ampliamente para producir matrices.

Razones por las que No Vemos Fabricación Aditiva Aún

Hay algunas razones. Una es que la fabricación aditiva de metal aún no proporciona la precisión y acabado superficial que alcanzan las piezas mecanizadas por CNC. Así que no se puede evitar completamente el mecanizado por corte. Todo eso significa que no se evita el post-procesado y el coste de las piezas post-procesadas es mayor. Sin embargo, la razón más importante es que las propiedades de fatiga de las piezas sinterizadas no se han investigado bien. Eso significa que la durabilidad de las piezas impresas no puede preverse fiablemente. Una vez se realicen más pruebas, se podrán establecer las curvas de fatiga de los materiales sinterizados. Cuando eso ocurra, será posible usar fabricación aditiva para componentes duraderos. Además, no hay tantos materiales adecuados para sinterizado de piezas metálicas, lo que limita las variaciones de matrices.

El Futuro del Utillaje

Ahora que conocemos las limitaciones actuales de la impresión 3D en metal, veamos qué puede pasar cuando se superen. Si desarrollamos impresoras que hagan piezas precisas de componentes complejos, el ritmo de fabricación se disparará. Las matrices se fabricarán en días y mucho más baratas que hoy. El coste de mecanizar una sola pieza es muy alto, mientras que imprimir una pieza personalizada es más rentable que hacer un lote. La dureza del material no importará, ya que se funde localmente y no se corta.

Y no menos importante, la fabricación aditiva puede aportar mucho en canales de refrigeración internos. Taladros y barrenas no alcanzan cavidades y espacios profundos, resultando en diferentes tasas de enfriamiento. Sin embargo, las tecnologías aditivas pueden ofrecer cualquier forma compleja de canales que sean eficientes, distribuidos uniformemente por la cavidad y no añadan coste al molde.

Conclusión

La fabricación aditiva tiene un largo camino para sustituir los métodos convencionales probados de creación de utillaje. Sin embargo, una vez que la tecnología madure y las propiedades de sus piezas se comprendan mejor, los métodos convencionales no tendrán oportunidad.