Manufactura rápida de moldes con técnicas CNC

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La manufactura rápida (MR) consiste en el uso de tecnologías de fabricación aditiva para producir directamente productos o partes útiles. Como es el caso del prototipado rápido, el campo también es conocido con otros nombres, como manufactura directa, fabricación directa y manufactura digital. También puede ser referida por los nombres de una o más de las diversas tecnologías utilizadas, un número en constante crecimiento.

MR es una de las tres principales consecuencias del prototipado rápido. Las otras son impresión tridimensional --una clase de PR y construcción rápida de moldes de bajo costo-- en realidad un caso especial de manufactura rápida. Hoy las distinciones entre el tronco y las ramas del árbol de PR no están muy claras. Más aún, puede esperarse que estas diferencias continúen borrándose a medida que las tecnologías maduran y las aplicaciones, especificaciones y capacidades de las ramas se traslapan más y más.

Estado actual
Lo que vemos hoy es solo un pálido bosquejo del futuro. Unos pocos sistemas PR enfocados específicamente a aplicaciones de manufactura rápida están comenzando a aparecer comercialmente. La MR no está siendo practicada en la actualidad, por lo menos públicamente. Sin embargo, muchos experimentos que adoptan los sistemas existentes de PR para aplicaciones específicas de MR están ejecutándose bajo un esquema de propiedad. A medida que se superen las barreras de tecnología, materiales y otras, la fabricación aditiva encontrará su camino en la corriente principal a través de un amplio espectro de aplicaciones. La MR será la rama de la tecnología que tiene el impacto más directo en la vida de las personas.

Algunos observadores la han asimilado como una segunda revolución industrial. Esto puede estar yendo un poco más allá, pero es una buena apuesta a largo plazo que casi todas las facetas de la vida sean impactadas de alguna forma por la MR, y muchas en formas que no son aparentes en el presente.

Ventajas y desventajas
Las ventajas y desventajas fundamentales del prototipado rápido son válidas para la manufactura rápida. Los beneficios de la MR deben balancearse contra sus limitaciones principales de hoy. A menos de que exista una necesidad abrumadora de una ventaja específica de las que provee la MR, el balance favorece con más frecuencia una solución convencional. Sin embargo, a medida que se solucionan problemas técnicos en muchos frentes, podría esperarse que el balance se incline a favor de la MR con mayor frecuencia.

La fuerza motriz para resolver estos problemas viene de quienes adoptaron primero la MR y cuyas aplicaciones ya poseían un balance a favor de la fabricación aditiva. Estos individuos y compañías están proporcionando la base sobre la cual estarán basadas las mejoras futuras.

Libertad geométrica
Casi todas las tecnologías de fabricación aditiva proveen la capacidad de fabricar con libertad geométrica ilimitada. Esta es su ventaja más importante sobre los métodos sustractivos y la principal razón de su existencia. Sin embargo, la libertad geométrica viene con varias limitaciones usando la tecnología actual. La velocidad de fabricación comparada con los métodos estándar de manufactura es mucho más lenta. Por algunos estimados, los métodos de producción en masa existentes son 10 a 1000 veces más rápidos [1]. Los acabados y la precisión tampoco están a la par con la tecnología convencional. También se requieren operaciones secundarias, tales como remoción de soportes y acabados manuales. En una situación de producción, donde se fabrican múltiples partes, las operaciones secundarias pueden crecer y convertirse en un gasto de tiempo. También hay limitaciones del tamaño de la parte actualmente y son más restrictivas que las de los métodos estándar.

Materiales
La fabricación aditiva ofrece el potencial de uso de múltiples materiales así como el control de la meso y micro-estructura de la geometría local de la parte. Esto significa que la funcionalidad de una parte puede ser optimizada en formas que son imposibles con los métodos de manufactura existentes previamente. Los materiales pueden seleccionarse por sus propiedades mecánicas, térmicas, ópticas u otras, y luego pueden ser depositados físicamente de forma que se optimicen o cambien esas propiedades más allá de la capacidad del material intrínseco por sí solo.

De otro lado, la realidad hoy es que la palabra clave aquí es "potencial". Pasará un largo tiempo antes de que la selección de materiales disponibles para manufactura rápida sea incluso remotamente comparable con aquella disponible para las tecnologías de manufactura estándar. Hoy existen sólo unas pocas docenas de materiales para PR/MR disponibles comercialmente, que se expanden en todas las clases de materiales como polímeros, metales y cerámicos. En contraste, las bases de datos de selección de polímeros cuentan con una inimaginable cifra de más de 40.000 grados activos de solo polímeros [2]. Además, los materiales complejos de reciclaje pueden ser difíciles o imposibles.

Eliminación de moldes
El CAD maneja directamente todos los procesos de fabricación aditivos, haciendo teóricamente posible evitar el uso de moldes completamente. En la práctica, puede a menudo no ser posible hacer esto por las limitaciones de procesos y materiales de una clase u otra, pero la tecnología de construcción rápida de moldes puede ofrecer un compromiso benéfico. Sin embargo cuando es posible, la eliminación completa de moldes resulta en ahorros enormes de tiempo y dinero. Esto hace posible fabricar partes y productos en pequeñas cantidades, o usar parámetros de materiales y diseño que podrían no ser concebibles de otra forma.

Costos más bajos
La capacidad de fabricar productos más económicamente crece de varios vínculos en la cadena de proceso de MR: uno de los ahorros más grandes, como se mencionó, es no requerir la necesidad de moldes. Los ahorros adicionales nacen de requerimientos de inventario bajos o nulos, y eventualmente puede esperarse que surjan de la capacidad de fabricar ensambles operacionales completos. Lo último reduce aún más los costos de inventario y también elimina mano de obra para ensamble. Por supuesto, el potencial económico descrito aquí requiere un desarrollo tecnológico sustancial para realizarse completamente.

Se simplifica el establecimiento de manufactura distribuida una vez se eliminen los requerimientos de moldes e inventario. Las partes y productos pueden fabricarse en el punto de uso y en la cantidad exacta requerida. Por ejemplo, las partes pueden ser manufacturadas en el sitio de la línea de ensamble final, en el sitio de distribución de partes de reemplazo o en una embarcación en el mar o en un espacio exterior. Será necesario únicamente inventariar los materiales requeridos más que las partes o subensambles o incluso el mismo producto final.

Personalización en masa
Llevar la manufactura distribuida a su extremo lógico, una de las principales razones por las que algunas autoridades están inquietas por las posibilidades de la MR, es que promete conducir a una era de productos diseñados directamente por los consumidores. Si es posible hacer económicamente sólo una unidad de un ítem, entonces se supone que se desarrollará una demanda significativa de productos creados por y para consumidores individuales. Se esperaría que tales productos satisfagan las necesidades de los consumidores con más precisión que los bienes producidos en masa.

Este escenario es previsto en cierta medida al extrapolar los muchos ejemplos de productos con diseño semipersonalizado, disponibles en el mercado de hoy. Automóviles, computadores personales y casas construidas con una entrada significativa del cliente. Cubiertas de teléfonos móviles, diseños de carátulas de reloj y otros ítems estéticos que en los últimos años se han convertido en productos que ofrecen a los consumidores opciones personalizadas. Se espera que la tendencia continúe, especialmente para algunos ítems, y para ciertos grupos de consumidores. Sin embargo, estos son todos productos que están basados en un menú de mezcla y ajuste limitado pero no obstante largo, o para los cuales la funcionalidad no está impactada seriamente. La pregunta permanece, ¿estaremos todos nosotros diseñando nuestros tenis, automóviles, juguetes y tostadoras en un futuro no muy lejano? La respuesta es que parece que eso no va a suceder.

Tecnologías para manufactura rápida
Casi todas las tecnologías de prototipado rápido están siendo usadas actualmente o se están considerando de una u otra forma para MR. Aquellas que tienen la ventaja de estar utilizando ya materiales objeto en forma de polvos o extruidos están predominando. La lista incluye sinterizado con láser selectivo, impresión tridimensional y tecnologías relacionadas.

Puede esperarse que aquellos que usan fotopolímeros adquieran mayor importancia con el tiempo. Los fotopolímeros son sistemas químicos complejos que requieren un desarrollo sustancial, y sólo simulan materiales de ingeniería en lugar de reemplazarlos directamente. Sin embargo, el estado líquido ofrece la posibilidad de manejo ventajoso y simple, y la posibilidad de uso con tecnologías de chorro de tinta, la cual es de alta adaptación y ya está encontrando su camino en un amplio espectro de procesos de manufactura.

Probablemente, la tecnología de prototipado rápido, menos pertinente a MR, es la manufactura de objetos laminados (LOM). La escalera pronunciada de superficies no verticales, acoplada con la baja resolución del eje Z resultante de los espesores de capas fijas de las láminas de material, y la dificultad de remover material en exceso de vacíos internos y soportes, son características que resultan en partes que se alejan más de los requerimientos finales que aquellas hechas con otras tecnologías. Sin embargo, LOM tampoco es una tecnología que pueda ser excluida completamente. Ofrece ventajas para ciertas partes cerámicas, en la manufactura de materiales compuestos, en la fabricación de estructuras de fibra óptica complejas para comunicaciones y en otras aplicaciones. Además, continúa habiendo un trabajo de desarrollo considerable en todo el mundo enfocado a mejorar estas limitaciones. LOM provee un ejemplo de cómo una tecnología puede incluirse o excluirse en el presente, y de la inmadurez de la MR en general.

La Tabla 1 da una selección representativa de las principales tecnologías de hoy usadas para construir partes en clases específicas de materiales. Las tecnologías están organizadas de arriba abajo, de mayor a menor 'popularidad y desarrollo'.

Existen numerosas tecnologías adicionales que se están siguiendo para aplicaciones particulares de segmentos de mercado. Estas van desde micro-estereolitografía para la manufactura de MEMS y nano-dispositivos casi invisibles hasta realización de contornos para manufactura automatizada de edificios completos. Algunos de estos procesos se originaron en el mundo de PR, pero otros fueron establecidos específicamente para manufactura aditiva, o surgieron de las raíces de construcción rápida de moldes.

El punto importante que vale resaltar de esta discusión es que no hay ganadores de tecnología claros en el presente. Cada aplicación de manufactura rápida es apta para una amplia gama de soluciones y escoger la mejor no es sencillo. Una multitud de tecnologías están siendo ensayadas en una multitud más grande de aplicaciones. La manufactura rápida continúa en una era de experimentación tecnológica que puede durar varios años.

Aplicaciones de la manufactura rápida
Herramental

La construcción rápida de moldes fue una de las primeras, sino la primera, aplicación importante de manufactura rápida. Después de todo, los moldes son un producto de bajo volumen, altamente personalizados, y los ingenieros vieron rápidamente sus beneficios potenciales. Como con otras aplicaciones de MR, la construcción rápida de moldes ilustra la ambivalencia de las innovaciones de hoy: por un lado, la construcción rápida de moldes puede proveer tiempos de fabricación drásticamente acortados a la vez que reduce costos. En aplicaciones de alto valor, tales como la fabricación de moldes de inyección, los ahorros típicos citados están en el rango de 10% a 25%, y con frecuencia pueden restarse literalmente meses del tiempo para la obtención de partes. Los moldes de inyección avanzados pueden fabricarse también con canales de enfriamiento complejos y usar múltiples y/o materiales en grados para mejorar aún más las características térmicas y de desgaste. Estas mejoras, exclusivas de la fabricación aditiva, llevan generalmente a incrementos de 20% a 30% en la producción de un molde.

De otro lado, la construcción rápida de moldes continúa requiriendo, generalmente, acabados manuales o CNC para compensar los acabados inadecuados y los detalles. Las operaciones secundarias requeridas con frecuencia tales como sinterizado e infiltración pueden ser demoradas y engorrosas más que digitales o modernas. Además, ninguna tecnología de construcción rápida de moldes es capaz de producir volúmenes realmente altos de partes debido a la selección de materiales y características.

La amenaza de la construcción rápida de moldes estimuló mejoras en el mecanizado de alta velocidad, los cuales han hecho las técnicas sustractivas de CNC más competitivas con el tiempo. Además, durante el tiempo de desarrollo del RT, se ha impulsado en E.U. mucho trabajo para lograr sitios, costa afuera, más económicos que compensan bastante los incentivos económicos.

También se ha traído más refinación y simplificación a un área importante de aplicación de RT, la fabricación de moldes de inyección. Hoy, algunos vendedores proveen los llamados servicios de moldes de inyección rápidos (RIM) basados en tecnologías convencionales que hace pocos años estaban exclusivamente en la pantalla de radar de la construcción rápida de moldes. Existen algunas limitaciones d

Irónicamente, el crecimiento de la manufactura rápida --que elimina la necesidad de herramental completo-- proveerá aún menos incentivos para la construcción rápida de moldes. Como resultado de estas fuerzas, la construcción rápida de moldes permanece como una pequeña tajada de la torta completa de fabricación de moldes. Su futuro depende en gran medida de las ventajas exclusivas que pueda proporcionar para hacer moldes avanzados y sofisticados que no puedan fabricarse de otra forma.

Aplicaciones de la manufactura rápida
Los procesos que utilizan materiales en un estado pulverizado, como el sinterizado con láser selectivo (SLS) y la impresión tridimensional (3DP), producen partes que son porosas por naturaleza. Mientras que esto generalmente es indeseable y debe corregirse con operaciones secundarias tales como la infiltración, hay cantidad de partes para las cuales la porosidad es un requerimiento funcional. Muchas de estas pueden tomar ventaja de la manufactura rápida.

Industria aeroespacial
La industria aeroespacial fue una de las primeras que adoptó la tecnología de manufactura rápida. Las partes para aeronaves son hechas en pequeñas cantidades, generalmente son complejas y deben cumplir requerimientos estrictos. El precio casi siempre va después de la función. Esta es esencialmente la definición de una aplicación de alto valor agregado, que es exactamente el tipo de aplicación para la cual la manufactura rápida es más apropiada en el presente. Las partes para la Estación Espacial Internacional y otros proyectos fueron hechas por Boeing, así como hace muchos años, usando sinterizado con láser selectivo. En el año 2002, la compañía creó Boeing On-Demand Manufacturing (ODM) para ir independientemente tras el mercado de partes de manufactura rápida. La compañía continúa obteniendo la mayoría de sus negocios de Boeing, fabricando ítems como ductos de aire y componentes de ventilación para aeronaves. Hacer estas partes complejas en una sola pieza sin moldes provee ventajas de ahorros significativos de tiempo y dinero frente a métodos convencionales. Las aplicaciones se incrementarán con el tiempo para partes de plástico y metal a medida que los materiales mejoren y sean aptos para vuelo.

Un área de principal interés está en la aplicación de tecnología de manufactura aditiva a la fabricación de componentes de motores de avión. Por ejemplo, los álabes de turbina tienen formas complejas y deben cumplir especificaciones muy exigentes. Se están investigando varios métodos que usan fabricación aditiva para hacer álabes de alta resistencia con estructuras de cristal sencilla. La tecnología de escritura directa puede usarse para mejorar los acabados de los álabes y para reparación y las tecnologías de conformado de polvos con láser para fabricar sensores en los álabes.

Otras aplicaciones aeroespaciales van de lo mundano casi hasta la ciencia ficción: los modelos de túneles de viento pueden costar fácilmente US$ 100.000 y algunos con más detalle cuestan hasta $1 millón de dólares. Esto ha venido proporcionando un poco de motivación para mejorar los procesos de fabricación usando tecnología aditiva. La fabricación aditiva también está siendo aplicada a la manufactura de compuestos para uso aeroespacial. Las aplicaciones a largo plazo incluyen materiales de piel activos para reducción de arrastre y manufactura de repuestos para misiones espaciales.

Un proceso de conformado de polvos con láser llamado Manufactura Aditiva con Láser (LAS) estuvo en desarrollo durante siete años en AeroMet Corp. La compañía matriz, MTS Systems Corp., terminó con el esfuerzo en octubre de 2005. El proceso estuvo enfocado directamente a la fabricación de partes metálicas grandes para el mercado aeroespacial. Se dijo que los principales ahorros de costos se lograron de la velocidad de la fabricación de formas cercanas a la neta y de ahorros en desperdicios de material. A diferencia de los procesos sustractivos, no es necesario convertir titanio costoso en viruta para realizar una parte. Sin embargo, se están desarrollando procesos similares de conformado de polvos con láser en diferentes compañías y laboratorios que también pueden aplicarse a la industria aeroespacial. La tecnología LAM puede comprarse y desarrollarse aún más por otra compañía.

Embarcaciones
Las aplicaciones marinas de manufactura rápida tienen algunos aspectos en común con aquellas aeroespaciales, y otras con aquellas de arquitectura en construcción. Desde los primeros días del prototipado rápido, ha sido una meta proveer partes de repuesto para las embarcaciones en el mar. Los primeros esfuerzos de PR en deposición de soldadura fueron en parte guiados por esta aplicación, aunque las tecnologías de conformado de polvos con láser recibieron tarde la mayor atención.

Como las aeronaves, las embarcaciones también se manufacturan en cantidades relativamente pequeñas y utilizan partes que pueden ser complicadas geométricamente. Aunque las partes siguen siendo costosas, las aplicaciones marinas no son del mismo nivel de alto valor agregado como las de aeronaves. Sin embargo, este segmento continúa ofreciendo posibilidades significativas a largo plazo, aunque puede no ser precisamente la fuerza motriz de mercado como lo han sido las aplicaciones aeroespaciales.

Los materiales compuestos figuran prominentemente en tecnologías aditivas siendo considerados para hacer cascos completos y otras estructuras marinas grandes. La aplicación de patente de Ernest Schroeder describe el uso de un método de conformado por extrusión utilizando materiales reforzados con fibra. Es similar a la realización de contornos o a una versión enorme de modelado por deposición fundida. La realización de contornos está en desarrollo para arquitectura de construcción. Puede encontrarse más información sobre compuestos en la sección de materiales.

Las técnicas de moldes especiales para estructuras grandes también se están desarrollando y podrían ser complementarias a este trabajo. La tecnología Substractive Pin Tooling (SPT) de Surface Generation Ltd. (Reino Unido) ofrece un método para hacer moldes grandes y minimizar el uso de mecanizado y materiales. Puede ser posible usar tales moldes como formas para fabricación aditiva de las mismas partes.

Sector automotor
Si continua siendo cierto que los desarrollos que aparecen primero en la pista de carreras, eventualmente encuentran su camino en la población de automóviles comerciales, entonces debería haber un gran futuro para la manufactura rápida en aplicaciones automotrices. Durante los últimos años, la Fórmula 1 ha tenido un acercamiento creciente con el prototipado rápido. Este campo, altamente competitivo, crece en modificaciones de minuto y variaciones que hacen la diferencia entre ganar y perder. Los túneles de viento y los componentes de prototipos fueron seguidos rápidamente por partes útiles en carreras hechas con manufactura rápida, y ahora hay varias relaciones cercanas y riesgos tomados entre fabricantes de autos y compañías de tecnología PR. Es muy posible que este segmento de negocio se expanda considerablemente si los equipos de carreras equipados con MR continúan recogiendo más trofeos.

Mientras que no muchos de nosotros necesitemos los mismos componentes y el rápido repunte de los equipos de carreras, los asientos personalizados, los volantes y los frenos de mano construidos según los requerimientos individuales se concebirán como de suficiente interés para hacer crecer la llamada Foresight Vehicle Initiative en Europa. Este esfuerzo involucra más de 400 compañías y universidades y explorará las posibilidades de la personalización de automóviles. Por ejemplo, se piensa que los asientos diseñados según requerimientos individuales incrementarán la comodidad, reducirán la fatiga y serán más seguros. Los ductos de aire del tablero podrían ser diseñados por los conductores y construidos bajo pedido por un distribuidor local. Por supuesto, si otra persona maneja su auto, podrá sentirse menos cómodo y menos seguro en su asiento personalizado --y su ducto de aire diseñado personalmente puede sofocarlo. En resumen, puede haber unas pocas dificultades por superar y algunas consecuencias inesperadas de los automóviles altamente personalizados. Sin embargo, si hay suficientes personas para comprar Hummers, habrá suficientes personas para hacer este un segmento de mercado que necesita ser explorado.

Mientras muchos individuos en el segmento minoritario lujoso del mercado automotor pueden estar deseando pagar el recargo de la personalización, puede haber una vasta mayoría de la población que se estará beneficiando de la manufactura rápida sin ser conciente de ello. La capacidad de fabricar económicamente estructuras complejas usando múltiples materiales significa que será posible hacer partes con una funcionalidad que no se podía obtener previamente. Tales partes pueden proveer mejoras en el ahorro de combustible y en la vida del motor, o disminuir los costos de ensamble. Por ejemplo, los compuestos de matriz metálica pueden proporcionar válvulas extraordinariamente durables y de baja inercia. También, el Sprayforming se está explorando para hacer motores, actuadores, generadores e imanes permanentes como ensambles integrales. Esta clase de mejoras prosaicas e invisibles pueden dar mayores beneficios al cliente y tener consecuencias económicas más grandes que la personalización del producto. Aunque no son tan atractivas.

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