Innovación en Fundiciones: Acelerando el Desarrollo de Productos con Impresión 3D

Cómo las fundiciones usan impresoras 3D para diseño rápido de productos

El desarrollo de productos es un emocionante proceso de descubrimiento. Invertir en nuevos productos demuestra el compromiso de una empresa con las necesidades de sus clientes. La investigación y desarrollo puede tomar mucho tiempo, iteraciones de construcción y ajuste de modelos y prototipos. Toma tiempo aprender qué funciona —y qué no. La impresión 3D es una herramienta muy útil para acelerar el diseño de muchos bienes manufacturados, incluyendo productos metálicos.

¿Por qué prototipar?

El prototipado es una etapa esencial en la fabricación de productos, cerrando la brecha significativa entre el diseño teórico y el producto final funcional. Da a los diseñadores de productos la oportunidad de trabajar con, y aprender de, modelos del mundo real. Les permite probar y probar nuevas ideas, con el objetivo de mejorar y refinar hacia un producto final.

Al diseñar un nuevo producto, forma y función pueden probarse en diferentes etapas. Algunos prototipos se producen solo para examinar tamaño y apariencia. Otros pueden diseñarse para probar características específicas para función y ajuste.

Lo que necesita saber sobre prototipado rápido

Existen varios prototipos estándar. Tradicionalmente, los prototipos más básicos son maquetas de papel, madera o espuma creadas por artesanos a partir de dibujos o diseños digitales. Etapas adicionales de prototipado pueden hacerse, de complejidad creciente, durante el proceso de diseño. Antes de lanzar una producción, las fábricas hacen una prueba de producción, creando un prototipo de producción para evaluar la calidad del producto y evaluar el proceso en la fábrica.

Los prototipos rápidos avanzan la utilidad y eficiencia de muchas de las primeras etapas de prototipado. Como los artesanos tradicionalmente han hecho maquetas, y los prototipos de producción usualmente han requerido herramientas personalizadas, el prototipado ha sido generalmente lento y costoso. Poder imprimir y ajustar prototipos sobre la marcha puede acortar sustancialmente estas etapas de diseño iterativo. En algunos casos, un prototipo de plástico puede usarse para ayudar a agilizar el proceso de producción. Los métodos de fundición en particular a menudo requieren el uso de un modelo y/o molde, que puede ser costoso —y justificable solo cuando la producción a gran escala generará retornos de inversión— y la creación de maquetas de modelos en una impresora 3D puede permitir a un diseñador detectar problemas antes de ir a mayor escala en madera o metal.

Por supuesto, estos prototipos no son prototipos de producción. Sustituir plástico por metal durante este período significa que hay algunas propiedades del metal que no pueden verificarse. Imprimir un bolardo a tamaño real en plástico en una impresora 3D también es, a nivel por unidad, mucho más caro que fundir uno. Sin embargo, imprimir modelos a escala da a los diseñadores algo que pueden examinar y manipular, y cualquier cambio que surja de esto no requiere más que un ajuste al archivo CAD digital y una reimpresión rápida.

Muchos prototipos también se producen a escalas menores y/o con menos detalle que el producto final. Aunque representan solo una porción o aspecto del diseño final, aún pueden ser valiosos para tomar decisiones temprano en la fase de diseño —en lugar de después cuando se vuelve más costoso refinar.

Prototipado rápido con impresoras 3D

El prototipado rápido a través de impresión 3D usa tecnologías de fabricación aditiva. Diseños digitales, o modelos CAD, son típicamente "rebanados" por el algoritmo de computadora en muchas capas horizontales minúsculas, que luego se imprimen una a la vez.

La impresión 3D ha existido en varias formas desde los años 70 y 80, pero solo recientemente ha evolucionado para ser útil a escala comercial. Aunque hay limitaciones, la tecnología evoluciona rápidamente. Las impresoras 3D más avanzadas pueden imprimir múltiples materiales con propiedades y colores variables. Impresoras de sinterizado láser directo de metal (DMLS) pueden incluso imprimir productos metálicos.

Las restricciones de tamaño y la calidad superficial de prototipos impresos en 3D han mejorado enormemente a lo largo de los años, haciéndolos especialmente útiles para diseñadores mientras iteran a través de fases iniciales de desarrollo.

Creación de piezas metálicas con impresión 3D

¿Desafiarán las impresoras DMLS a las industrias de fundición o trabajo de metales? La industria 3D es dinámica, con nuevos desarrollos anunciados casi a diario. Proyectos a gran escala, como el puente impreso en 3D por MX3D en Ámsterdam, muestran que hay mucho potencial incluso en manufactura estructural. Sin embargo, esta forma de impresión no está en competencia con la manufactura metálica tradicional. Incluso con estos desarrollos, la impresión 3D es más probable que mejore en lugar de reemplazar la manufactura metálica tradicional a gran escala en las próximas décadas —incluso el puente de Ámsterdam está asegurado con acero crudo tradicional proporcionando soporte en la cubierta.

La impresión 3D de metal no es generalmente vertido y capas de metales fundidos, por supuesto. Las tecnologías actuales imprimen metal incorporando polvo metálico en una matriz no metálica que se calienta y se canaliza en forma. En algunos procesos (aunque no para el puente anterior) el metal se calienta luego para que la matriz se evapore.

Este metal impreso puede proporcionar más resistencia que el plástico pero no puede ofrecer la amplia gama de aleaciones posibles disponibles en una fundición tradicional. El calor increíblemente alto y condiciones de enfriamiento controlado necesarias para muchos grados específicos de acero y hierro significan que trabajar para lograr un grado vs. otro es un equilibrio delicado de temperatura y presión. Además, la tensión del metal puede ser causada si una parte de una fundición se enfría más rápido que otra —y necesita controlarse en el sitio de una unión. La impresión 3D construye un objeto depositando capas en orden: incluso si esto fuera posible con el acero casi fundido tradicional requerido para algunas aleaciones ferrosas, las tensiones causadas por diferentes niveles de enfriamiento cambiarían fundamentalmente las propiedades del metal comparado con una pieza fundida completa.

Aun así, el material impreso por impresoras metálicas está más cerca del acero que del plástico. Emocionantemente, para la fundición, esta tecnología de impresión metálica puede algún día permitir pruebas funcionales de un prototipo rápido. Quizás una pieza metálica podría imprimirse baratamente y ponerse bajo estrés relativo, y luego ajustarse a través del proceso de producción.

Prototipado rápido para la fundición, hoy

El equipo y técnicas de fundición han sido mejorados a través de siglos de aprendizaje y desarrollo. La fundición en arena da a los fabricantes mucho control en el comportamiento del metal en estados fundido y de enfriamiento, que cambian las propiedades mecánicas del metal. El metal tratado diferentemente a través del proceso de fundición puede cristalizarse en diferentes formas, cada una de las cuales puede trabajarse para propiedades adicionales. Esto explica la gama de propiedades mecánicas disponibles para un cliente a través de fundición de metales.

Sin embargo, hacer los modelos para estas fundiciones ha significado tallado manual laborioso de modelos de madera para formar en la arena. Estos modelos necesitan crearse sin lugares donde el metal pueda "acumularse" y por tanto enfriarse más lentamente, creando tensión interna en la pieza. Necesitan ser lo suficientemente suaves para sacarlos de la arena que están imprimiendo. La creación de un objeto impreso puede permitir al diseñador y la fundición considerar cambios al objeto que ayudarán en la creación del modelo más eficiente y mejor formado para el proyecto.

La fundición a la cera perdida es un proceso versátil ideal para producción de alto volumen —especialmente para diseños complejos y donde la calidad superficial es importante. Con fundición a la cera perdida, un molde (die) usualmente se hace para producir modelos de cera, que luego se recubren para formar moldes cerámicos. Los modelos de cera se derriten fácilmente, dejando cavidades de molde listas para metal fundido.

Los moldes pueden ser costosos de producir, sin embargo, lo que puede aumentar significativamente los costos unitarios temprano en la fase de diseño. Lo que muchos fabricantes están haciendo es imprimir en 3D modelos de cera para prototipos —eliminando la necesidad de moldes personalizados. Los diseñadores pueden revisar su pieza y trabajar hacia una versión final antes de comprometerse a herramientas más costosas para producción de larga duración. Imprimir modelos también es más económico para tiradas cortas y producciones únicas. En fundición a la cera perdida, las impresoras 3D pueden por tanto crear el modelo final para uso.

Una revolución en prototipado rápido

La impresión 3D es una revolución en fundición de metales, incluso si no reemplaza la manufactura metálica tradicional. Los sectores tradicionales solo están limitados por su imaginación al considerar cómo el futuro de esta tecnología de rápido desarrollo puede mejorar las prácticas de producción tradicionales. Los ahorros disponibles en prototipado permiten más ajustes y cambios, iteraciones extra antes de ir a producción a gran escala. Lo que venga después en el futuro de la impresión 3D, ciertamente será una herramienta útil para todos esos diseñadores que buscan crear los mejores productos para su clientela.