Herramientas de corte hechas por manufactura aditiva

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Esta revista ha venido describiendo cómo la manufactura aditiva de metales ha llegado poco a poco a encontrar nichos de mercado en los que está logrando explotar su capacidad para generar diseños optimizados fuera de los estándares conocidos por el diseño tradicional. Hoy la industria de la manufactura está siendo partícipe de un hito fundamental: a finales de marzo de 2019, un grupo de 12 socios alemanes liderados por BMW, incluyendo PYMES, grandes empresas e instituciones de I+D, se reunieron para dar comienzo a un proyecto que al cabo de 3 años tiene como objetivo llevar la manufactura aditiva a la producción en serie automotriz. Este proyecto llamado IDAM busca fabricar al menos 50,000 partes por año en serie y más de 10,000 piezas individualizadas y repuestos con la mayor calidad y bajo extrema presión de costos. Y este es solo uno de los múltiples ejemplos en la industria que le dan sentido al último reporte de Wohlers para el 2019, el cual aseguró que el año anterior fue nuevamente un año récord para el crecimiento del consumo de materiales para la manufactura aditiva.

La impresión 3D de metales continuó, según este renombrado informe, con un crecimiento en sus ganancias por encima del 40 % por quinto año consecutivo.

Este desarrollo ya ha llegado para las herramientas de corte, donde se reportan beneficios de hasta un 50 % en mejora de productividad gracias al uso de nuevas geometrías y materiales ligeros. En este artículo se encuentra una descripción de cómo se ha llegado a este punto, de aplicaciones actuales disponibles en la industria y una perspectiva del futuro cercano de la aplicación de la manufactura aditiva para las herramientas de corte.

Mejor hardware 

Una de las explicaciones para esta tasa de crecimiento en la implementación de manufactura aditiva para metales es el rápido desarrollo conjunto de las tecnologías que la hacen posible.

Los fabricantes de máquinas para fundición selectiva de polvo metálico a través del calor generado por un rayo láser, están logrando controlar mejor el proceso para hacerlo más rápido, con más fuentes de potencia actuando simultáneamente sobre la cama de polvo. De esta manera se pueden construir las piezas mucho más rápido y de manera más competitiva con respecto a procesos tradicionales.

Mejor control de calidad 

Mejores procesos de monitoreo entre capas logran que se puedan detectar y prevenir defectos en las piezas durante su fabricación. Incluso, los fabricantes han venido mejorando la manera como se depositan las capas de polvo antes de la fundición, para mejorar la densidad del material.

Esto incluye la mejor capacidad para precalentar la base de material sobre la que se funde la siguiente capa, lo cual definitivamente mejora la capacidad de difusión entre las capas previamente depositadas y las nuevas, reduciendo la posibilidad de dejar defectos como poros al interior de la estructura de los materiales. Todo esto mejora la confiabilidad final del producto final, redundando en la aceptación del proceso para la fabricación de piezas críticas.

Mejor software 

Nuevos sistemas de simulación computacional permiten predecir problemas de esfuerzos residuales térmicos debidos a diferencias en la distribución del calor del proceso en capas de diferentes espesores, o geometrías con formas complejas.

Hoy en día es posible generar de manera más expedita los soportes estructurales necesarios no solamente para sostener el peso de las capas que se van formando durante la manufactura aditiva, sino para que estos sean conductos para que el calor se disipe de manera homogénea, creando condiciones microestructurales benignas en las piezas generadas.

 

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OPTIMIZACIÓN ESTRUCTURAL
La optimización estructural específica, dependiendo de cada aplicación, se vuelve posible gracias a la aplicación cada vez más difundida entre los diseñadores de partes de algoritmos de optimización topológica.

Con esta se coloca material únicamente donde se hace necesario y se reduce donde ésta no tiene aplicación mecánica o térmica. En un ejemplo sencillo, es una forma matemática de reproducir el proceso evolutivo de la naturaleza al reducir masa inteligentemente al generar poros en los huesos de los animales para hacerlos ligeros y resistentes sólamente en los puntos donde más se necesita. La “impresión 3D” hoy en día permite fabricar este tipo de estructuras, lo cual era imposible con métodos tradicionales.

Manufactura aditiva para herramientas de corte 

En el caso específico de herramientas de corte es benéfico tener una masa lo más baja posible para reducir las vibraciones durante el mecanizado. Una reducción de la masa rotativa, reduce también el consumo energético del proceso y permite que los procesos tengan mucha mejor respuesta dinámica, acelerando y frenando en menos tiempo, para un mismo consumo de potencia.

La libertad de fabricación de geometrías complejas, que no hubiesen sido posibles de fabricar por métodos tradicionales de corte, permite lograr formas optimizadas para HSC (Mecanizado de alta velocidad, por su abreviatura en inglés) con mayor número de fi los de corte para mejorar la productividad.

Esta capacidad de fabricación hace también que se puedan hacer canales de enfriamiento en la herramienta para que se acomoden a cada proceso de manufactura específico, pasando por lugares intrincados y saliendo por el lugar exacto, reduciendo el desgaste y permitiendo mayores velocidades y extrayendo mejor la viruta. Otra ventaja es la posibilidad de diseñar piezas en un solo cuerpo, que antes debían ensamblarse a partir de varias partes. En muchos casos, este proceso de soldadura o de ensamble es el cuello de botella del producto, bien sea por desempeño mecánico o incluso por disponibilidad de mano de obra califi cada. Un beneficio adicional es la capacidad de generar herramientas especiales en menor cantidad de tiempo. A continuación se presentan aplicaciones reales de la industria de las herramientas de corte que aprovechan los beneficios de la manufactura aditiva.

Ejemplos de aplicaciones actuales en la industria 

Uno de los desarrollos más recientes que utiliza la manufactura aditiva para la generación de herramientas de corte fue presentado por la firma Sandvik Coromant. Se trata de una nueva versión del modelo CoroMill 390, en la cual se redujo material utilizando optimización topológica para minimizar masa obteniendo un diseño óptimo para la fresa. La compañía utilizó una aleación de titanio para lograr una excelente relación entre peso y resistencia mecánica. Según Magnus Engdahl, gerente de Aplicación de Productos de Sandvik Coromant, “además del peso, una distancia más corta entre el amortiguador en el adaptador y el fi lo de corte mejora el desempeño y la seguridad del proceso”.

Esta última es crucial en aplicaciones como el fresado profundo, debido a que este se utiliza para fabricar piezas para industrias como la aeroespacial o la del gas y petróleo. Aquí, la generación de cavidades profundas con herramientas convencionales puede estar comprometida por la vibración, haciendo que la producción se deba hacer más lentamente, además de hacer que se tenga una menor vida de herramienta y un mal acabado superficial.

En un ejemplo mostrado por la compañía sueca se demostró que para una operación de fresado de cara a 20 m/min, utilizando una fresa fabricada por manufactura aditiva, con menor peso y menor distancia al punto de apoyo que una fresa de fabricación mecanizada tradicional, se logró un incremento de profundidad de corte pasando de 1 a 1.5 mm y elevando la productividad del proceso en un 50 %. Una de las mayores ventajas de la manufactura aditiva para herramientas de corte es el diseño de canales de suministro de fluido de corte. Uno de los fabricantes que destaca sus productos es Arno Werkzeuge de Alemania. Durante la última feria AMB a finales de 2018, mostró su sistema de corte radial (ranurado) con enfriamiento integrado que mejora la durabilidad de las herramientas y reduce el tiempo de mecanizado para la producción en serie.

Sobresalen los módulos más pequeños, que caben perfectamente en máquinas multihusillo, para los cuales hasta ahora no era posible producirlos canales de enfriamiento. El pequeño espesor hacían técnica y económicamente imposible generar un segundo canal de enfriamiento por taladrado o electroerosión. Por medio del proceso aditivo, Arno logró generar una cadena de proceso con la cual es capaz de ofrecer estos sistemas en stock permanente. El proceso patentado se denomina ACS y se basa en enfriar la placa de ranurado directamente en la zona de corte por debajo de la viruta ayudando a su extracción y removiendo de la manera más efi ciente el calor, reduciendo el desgaste y aumentando la durabilidad de la herramienta. Un segundo canal de enfriamiento irriga la superficie libre desde abajo, mejorando aún más la velocidad y la durabilidad de la herramienta.

Sujetador de herramientas con expansión hidráulica y chorro de refrigerante en una sola pieza 

Un ejemplo de aplicación de la libertad entregada por los procesos de manufactura aditiva es el de los sujetadores de herramientas por expansión hidráulica desarrollados por Mapal, firma alemana que acaba de inaugurar un segundo centro de manufactura en Querétaro. Los sistemas tradicionales están formados por un cuerpo principal y un buje de expansión que se unen por un proceso de soldadura por capilaridad. El problema en general es que en comparación con el cuerpo, la soldadura tan solo tiene un 15 % de la resistencia a la tensión del bloque sólido.

Esto limita la capacidad de agarre del mecanismo. Gracias a la manufactura aditiva se puede hacer todo el sistema de agarre con una sola pieza, mejorando drásticamente el desempeño mecánico. Es capaz de soportar mayor transmisión de momentos, mayor fuerza de agarre y mejora la resistencia a altas temperaturas.

La empresa KOMET, del grupo Ceratizit ha desarrollado un grupo de herramientas de taladrado totalmente nuevas con la capacidad de sacar todas las virutas que generan en la cavidad, a través de un sistema de retrolavado y desvío de la viruta optimizado. Los insertos impresos en 3D en los canales para las virutas hacen que estas se transporten de manera segura fuera del agujero taladrado gracias a un camino curvo diseñado para este fin. Debido a esto, se ahorra mucho tiempo después del mecanizado al obtener piezas libres de viruta en componentes críticos como bloques de motor.

El desarrollo va incluso hacia imprimir los insertos de carburo


Aún cuando hoy en día de manera comercial, las primeras aplicaciones que estamos viendo se están realizando para el cuerpo de las herramientas de fresado y no directamente para los insertos de corte, sí existen desarrollos en prueba en este momento en los que se trata de la herramienta de corte misma, la que está sinterizada de manera selectiva en carburo de tungsteno (WC-Co) por medio de rayo láser. Un ejemplo de esto lo ha trabajado el proyecto PräziGen en Alemania, en el que 8 socios industriales y de la academia se reunieron para generar una cadena de proceso que permita el aprovechamiento comercial de esta idea.

Entre los resultados más interesantes presentados por estos investigadores, está la reducción considerable de la porosidad en las piezas recién consolidadas mediante el proceso de sinterizado selectivo por láser, debido al precalentamiento de la placa de soporte a 800 °C. Una línea distinta de desarrollo la está llevando la Universidad de Pittsburgh y General Carbide Corporation en un proyecto bajo el marco de America Makes, la APP estadounidense dedicada al desarrollo de la manufactura aditivay la impresión 3D.

La iniciativa se concentra en desarrollar métodos para unir capas de polvo de carburo de tungsteno mediante el sistema de impresión 3D de chorros con aglutinante. De esta manera, se evita someter los carburos a los fuertes ciclos térmicos de calentamiento y enfriamiento del proceso de fundición selectiva por láser, los cuales pueden tender a generar importantes esfuerzos superfi ciales y quebrar los cerámicos.

Para los fabricantes de herramientas será una manera importante de reducir la fabricación de juegos de moldes para insertos, a la hora de poder hacer insertos de corte impresos de carburo de tungsteno. Esto reducirá tiempos para pruebas de moldes de inserto y el tiempo de puesta en el mercado se reducirá dramáticamente.

Aunque hay muy buenas perspectivas para las aplicaciones de la manufactura aditiva en la industriametalmecánica, hay limitaciones que aún no se pueden eliminar en este momento. La manufactura aditiva no puede eliminar los procesos de corte en cuanto a su capacidad de precisión y velocidad de transformación de material.

Existirán por un tiempo todavía (tal vez por siempre, debido a la forma como se remueve o aporta el material) características geométricas que deben complementarse con procesos de corte, por ejemplo, agujeros centrales y referencias de posicionamiento que deben ser rectifi cadas o agujeros que deben ser roscados de manera precisa.

Hay procesos de fabricación de insertos de corte, en los que se complementan ya procesos térmicos como la electroerosión, con corte de viruta, como el rectificado. Esto hace prever,que en el futuro cercano se puedan tener procesos funcionales que aprovechen las ventajas de la manufactura aditiva en la fabricación, no solo de los cuerpos de las herramientas o de los sujetadores, sino del inserto de corte mismo, para continuar aumentando así la productividad de los procesos de corte.

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