Manufactura aditiva: clave para la ingeniería de producción del futuro
Manufactura aditiva: clave para la ingeniería de producción del futuro
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Las tecnologías de manufactura convencionales se complementan cada vez con la impresión tridimensional, que ya está operando exitosamente en muchos campos sofisticados como la ingeniería médica, la industria automotriz y la industria aeroespacial.
Por su parte, las industrias de la fundición, el acero y aluminio están empezando a reconocer el potencial de la impresión 3D y prueba de ello serán las próximas ferias de Dí¼sseldorf: GIFA, METEC, Thermprocess y Newcast, a realizarse del 25 al 29 de junio de 2019, y que tendrán una muestra especial de manufactura aditiva.
Una mirada debajo del capó del vehículo de demostración (en la foto) muestra el potencial que la impresión 3D industrial tiene para la industria automotriz: pocos componentes, pero con más funciones y mucho menos peso. La nueva estructura delantera a prueba de golpes del viejo VW Caddy, que pesa 34 kg, está fabricada con la aleación de alto rendimiento extremadamente resistente, Scalmalloy, producida por APWorks —filial de Airbus— utilizando una impresora 3D suministrada por la empresa alemana EOS.
Casi el 40 % de las empresas alemanas encuestadas en 2016 ya utilizaban la impresión 3D en sus procesos de manufactura.
Consultora EY.
El proyecto 3iprint que se llevó a cabo bajo la dirección del proveedor de servicios de desarrollo csi ganó el premio “German Innovation Award 2018” a mediados de junio. El objetivo del concepto Caddy es indicar qué es tecnológicamente posible en la producción automotriz utilizando nuevos métodos de diseño y nuevos materiales con la ayuda de la manufactura aditiva.
Los procesos de manufactura tridimensionales, que es el término general utilizado para las persas tecnologías de producción aditiva con todos los diferentes tipos de sistemas de impresión 3D, son el futuro. La manufactura aditiva con plásticos, metales y cerámicos ya es una característica esencial de la producción industrial actual. Casi el 40 % de las empresas alemanas encuestadas en 2016 ya utilizaban la impresión 3D, como lo determinó la consultora EY.
El potencial en todos los diferentes campos es tremendo. La impresión 3D con concreto podría revolucionar la industria de la construcción, mientras que la bioimpresión de tejido vivo ya es posible, e incluso la impresión de órganos humanos es un tema que es objeto de una investigación seria.
La impresión 3D está creando nuevas oportunidades para las industrias del metal, desde aluminio y acero hasta titanio y materiales especiales, ya sean empresas de fundición y siderúrgicas o empresas de forjado y procesamiento de láminas. Con las impresoras 3D, las estructuras se producen capa por capa con base en datos de diseño digital.
El material solo se usa donde se necesita. Las tecnologías aditivas tienen sus puntos fuertes donde los procesos de fabricación convencionales, como la fundición, el fresado o la forja, alcanzan sus límites. La impresión 3D brinda a los diseñadores una libertad geométrica ilimitada. Los componentes complejos con una estructura biónica y funciones integradas pueden, por ejemplo, producirse con diferentes espesores de pared, cavidades y estructuras de panal de abeja, como la estructura automotriz de peso ligero y resistente del proyecto 3iprint descrito anteriormente.
La producción de lotes pequeños e incluso de componentes inpiduales también es económicamente viable con la impresión 3D. No se necesitan moldes de fundición a presión ni herramientas de conformación, lo que puede llevar rápidamente a un ahorro de costes de herramientas de varias decenas de miles de euros. Los componentes individualizados, los prototipos y las piezas de repuesto que raramente se necesitan se consideran, por lo tanto, los dominios de la manufactura aditiva.
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Límites actuales de la manufactura aditiva
La impresión 3D no es, sin embargo, el “arma de asalto” universal para atacar los bastiones de la ingeniería de producción establecida. El experto en manufactura Franz-Josef Wí¶stmann, del Instituto Fraunhofer IFAM, sostiene: “la manufactura aditiva es un suplemento, no un sustituto”. La impresión 3D llega a su límite donde grandes cantidades de producto se pueden hacer económicamente con procesos de manufactura convencionales. Este es principalmente el caso en el segmento de alto volumen de la industria automotriz.Â
La manufactura aditiva con metal no es lo suficientemente productiva para la producción en serie en la actualidad. Stefan Geisler, gerente de innovación de KSM Casting Group, asegura que “La impresión 3D aumentará para los vehículos premium y para un número limitado de componentes, pero no tendrá éxito en el reemplazo de las fundiciones”. Geisler está convencido de que las cantidades necesarias en el mercado de volumen no se puede alcanzar, incluso, con las velocidades de deposición más rápidas posibles, por ejemplo, usando la manufactura aditiva con alambre.Â
“Lo que a menudo se olvida es que la manufactura aditiva tampoco puede superar las leyes de la física. En el análisis final, todos los que están involucrados allí también son procesos: fusión y enfriamiento. Hay límites en la velocidad a la que esto es posible”. Además de esto, los artículos impresos deben mecanizarse en componentes funcionales terminados.
Otra desventaja de la manufactura aditiva con metal es el alto consumo de energía involucrado. Wolfram Volk, profesor de conformado y fundición de metales en la Universidad Técnica de Múnich, calcula que se necesita aproximadamente el doble de energía que en el moldeado convencional para la fusión del metal con láser, desde la producción de polvo hasta el componente terminado.
Lo que a menudo se olvida es que la manufactura aditiva tampoco puede superar las leyes de la física. En el análisis final, todos los que están involucrados allí también son procesos: fusión y enfriamiento".
Stefan Geisler, gerente de innovación de KSM Casting Group.
Los procesos aditivos se están convirtiendo en un elemento cada vez más común de las cadenas de procesos existentes. Cómo se combinan la manufactura aditiva y el mecanizado para llevar a cabo un procesamiento completo e híbrido en un único centro de mecanizado, lo demuestran, por ejemplo, los fabricantes de máquinas herramienta DMG Mori y Hermle.Â
DMG Mori complementa la deposición de metal por láser mediante el mecanizado posterior en forma de torneado y fresado. Hermle, por su parte, amplía un centro de mecanizado de múltiples ejes mediante un proceso de pulverización térmica utilizando su tecnología MPA (aplicación de polvo de metal), en la cual el polvo de metal se aplica en capas para producir un componente sólidamente construido.
La empresa berlinesa Gefertec está buscando aumentar la velocidad de manufactura en el procesamiento aditivo de metales. Las líneas de 5 ejes producidas por esta empresa sueldan alambre en capas mediante el proceso de arco eléctrico. Las piezas de trabajo producidas de esta manera tienen contornos que están muy cerca de la forma final, lo que reduce el tiempo y las operaciones de herramientas necesarias para el mecanizado posterior.
Fundición: procesos de manufactura aditiva directos e indirectos
La industria de la fundición puede beneficiarse de los procesos aditivos de diferentes maneras. Los procesos directos de manufactura aditiva brindan a las fundiciones la oportunidad de incluir también partes inpiduales o partes que se necesitan en pequeñas cantidades en su cartera de productos.
En el caso de los procesos indirectos, por otro lado, utilizan tecnologías aditivas para producir moldes y núcleos de arena, así como modelos de plástico. Las tecnologías híbridas que implican una combinación de procesos convencionales de fundición y manufactura aditiva tienen más potencial.
Para aprovechar mejor el potencial que tiene el aluminio para producir estructuras livianas en la manufactura de automóviles, el productor de aluminio Trimet está trabajando en el desarrollo de una cadena de proceso híbrida para unir la fundición a presión y la manufactura aditiva. El enfoque, adoptado en el contexto del proyecto conjunto “CastAutoGen”, implica específicamente la incorporación de estructuras impresas en 3D en un componente de fundición a presión.
La industria alemana ocupa un lugar destacado entre los productores de sistemas de manufactura aditiva, como concluye la Federación de Industrias Alemanas (BDI, por sus siglas en alemán). La cuota de mercado del país es de alrededor del 70 % con sistemas de lecho en polvo. Los líderes mundiales entre los fabricantes de impresión 3D incluyen Concept Laser (metal), EOS (metal y plástico), SLM Solutions (metal) y Voxeljet. Voxeljet se ha especializado en fundiciones e impresoras 3D para la producción de moldes y núcleos de arena, así como de modelos de plástico para fundición de inversión mediante el proceso de cera perdida.
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Para producir una fundición, lo que se necesita es un molde y los núcleos apropiados para formar las cavidades en el componente que se está fundiendo. En la fundición de arena clásica, los moldes y los núcleos están hechos de arena de cuarzo, que se ve reforzada por un agente adhesivo especial.Â
Si bien las máquinas de moldeo completamente automáticas y las máquinas de disparo automático de núcleo son características estándar en las fundiciones modernas para la producción en masa de motores de automóviles, por ejemplo, rara vez es una solución económica utilizar equipos automáticos para prototipos y lotes pequeños. La impresión 3D es una alternativa cada vez más común aquí. Los moldes de arena y los núcleos de cualquier complejidad se fabrican a partir del conjunto de datos CAD a través de un proceso de deposición.
La manufactura sin herramientas de este tipo proporciona una gran flexibilidad en cuanto a números, diseño y versiones, y permite la producción en calidad exactamente reproducible de moldes y núcleos complejos con prácticamente cualquier geometría. Voxeljet habla de ahorros de hasta el 75 % en la impresión 3D de moldes y núcleos hechos de arena para lotes pequeños.
La impresión de moldes y núcleos de arena es una opción adecuada para las operaciones de desarrollo. La empresa de fundición de hierro Dí¼ker, por ejemplo, ya no utiliza modelos en la fundición que realiza para los clientes. El conjunto de datos CAD es todo lo que se necesita para producir los moldes de arena que se fabrican de manera aditiva.
Los productos nuevos se pueden implementar en fundiciones desde archivos de computadora en un corto período de tiempo y luego se pueden mecanizar con fines de prueba.
Como resultado, los productos nuevos se pueden implementar en fundiciones desde archivos de computadora en un corto período de tiempo y luego se pueden mecanizar con fines de prueba. Las adaptaciones geométricas son simples de llevar a cabo y la refundición es posible una vez que los datos de diseño se han cambiado y se ha impreso otro molde.
Dí¼ker informa que el tiempo de desarrollo se reduce significativamente por este proceso. Aparentemente, es un procedimiento estándar producir muestras iniciales en unas pocas semanas, por lo que se necesitan meses para el proceso en serie.
El molde juega un papel clave en el proceso de fundición a presión. Es importante que las piezas moldeadas se solidifiquen lo más rápido posible. El tiempo de proceso para un componente se puede acortar mediante un enfriamiento más rápido, mientras que la calidad de la fundición también se mejora al mismo tiempo.
Esto depende de una eliminación de calor adecuada en el molde de fundición, que tradicionalmente se logra mediante orificios de refrigeración; sin embargo, debido a las limitaciones del proceso, existen límites a cuan cerca de la superficie de conformación se pueden producir los orificios de refrigeración. La manufactura aditiva puede ayudar aquí, porque la refrigeración cerca de la superficie es posible incluso en áreas críticas del molde gracias a la enorme libertad de diseño que ofrece el proceso.
Industria del acero: numerosas oportunidades con la impresión 3D
 La situación en la conformación en caliente de chapa de acero no es muy diferente a la de fundición a presión. El enfriamiento cerca de la superficie también aumenta la productividad y la calidad. Por lo tanto, la manufactura aditiva ha sido un proceso estándar en las operaciones de producción de herramientas de los fabricantes de automóviles alemanes durante mucho tiempo.
Las empresas siderúrgicas están descubriendo la manufactura aditiva como un área de operación adicional en mayor medida. La empresa austriaca de tecnología y acero voestalpine, por ejemplo, eligió Dí¼sseldorf como su centro corporativo de excelencia para la manufactura aditiva de metal hace dos años. Junto con el proveedor de servicios de desarrollo Edag y Simufact, especialista en software de simulación, voestalpine ha desarrollado una bisagra de bonete ligera con protección integrada para peatones que se produce mediante manufactura aditiva.
Rosswag de Pfinztal, cerca de Karlsruhe, la mayor empresa de forjado de matrices abiertas en el sur de Alemania, demuestra con la manufactura aditiva cómo se puede combinar lo mejor de dos mundos. La compañía fabrica nuevos productos vinculando los dos procesos de manufactura de forjado y fusión selectiva por láser de polvo de acero. Los componentes conformables sólidos y ricos en materiales se fabrican mediante forjado con molde abierto.
La producción de una pieza de trabajo forjada y resistente con un flujo de grano apropiado es seguida por una manufactura aditiva a través de una impresora 3D para complementar las estructuras complejas. En el caso de un rotor con estructuras de álabes fabricadas aditivamente, por ejemplo, se incorporaron canales para influir en las características de flujo.
Fabricantes de plantas de acero: reducción significativa en el peso de los componentes que se mueven dinámicamente
El miembro más reciente del club de manufactura aditiva es SMS Group, el especialista en fabricación de máquinas y plantas metalúrgicas. El fabricante líder de tecnología de acero y laminación ha instalado una nueva planta piloto para la producción de polvo de metal en su ubicación en Mí¶nchengladbach, Alemania.
La compañía tiene varios objetivos con la planta de atomización de polvo. Por un lado, SMS tiene como meta no solo producir polvo de metal de alta pureza para la manufactura aditiva, sino también desarrollar y probar nuevos materiales. La compañía puede aprovechar en este contexto décadas de experiencia con la atomización de hierro en polvo y / o sinterización.
El extenso conocimiento metalúrgico disponible dentro del grupo corporativo y la amplia experiencia en ingeniería de procesos térmicos también son una buena base. Por otro lado, el fabricante de la planta desea abastecer el mercado en rápido crecimiento de materiales metálicos para procesos de manufactura aditiva comercializando equipos de atomización de polvo.
Por último, pero no menos importante, las instalaciones internas de producción de polvo metálico son un eslabón en la cadena de procesos de fabricación aditiva de la compañía. El fabricante ya comenzó a explotar el potencial de esta nueva tecnología innovadora mediante la producción de boquillas de pulverización fabricadas aditivamente para prensas de embutición. Las boquillas de pulverización eliminan la incrustación de los troqueles, enfrían la superficie, aplican lubricantes y secan los troqueles.
La boquilla de pulverización original era un componente sólido y pesado. Las boquillas de pulverización muy ligeras y compactas se pueden producir mediante impresión tridimensional y se personalizan con precisión para cumplir los requisitos de troqueles particulares.
SMS Group comenzó a explotar el potencial de esta nueva tecnología innovadora mediante la producción de boquillas de pulverización fabricadas aditivamente para prensas de embutición..
La compañía informa que el uso de las boquillas de pulverización 3D —que pueden producirse de plástico o de metal de acuerdo con las necesidades del cliente— reducen el tiempo de ciclo y prolongan la vida útil de la herramienta en el proceso de estampado.
SMS revela que los resultados de otros proyectos no son menos prometedores. Un diseño conforme con boquillas integradas es una característica sobresaliente de un nuevo tubo de enfriamiento de rodillos para trenes de laminación de alambres, por ejemplo. Gracias al uso de alumide, una combinación de aluminio y polvo de plástico, la estructura es más fácil y más económica de producir que los componentes convencionales.
En el campo del convertidor de acero, ha sido posible reducir el tamaño de los inyectores SIS utilizados para el acero fundido en un 60 %, mientras que se pueden producir a partir de una sola pieza en lugar de ocho partes. Y las soldadoras de tubería del grupo SMS también pueden producir diámetros de cañería de 14 pulgadas o menos en el futuro gracias a las piezas impresas, porque son posibles anillos de lubricación más pequeños, pero más eficientes para las herramientas de expansión en una estructura híbrida producida en una combinación de fabricación aditiva y convencional.
Lo invitamos a leer: Sistema de manufactura aditiva, de GF Machining Solutions y 3D Systems.
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