Las tecnologías de fabricación aditiva permiten diseñar, desarrollar y obtener dispositivos y herramientas de ayuda a la producción que permiten reducir el número de componentes, integrar funciones, eliminar ajustes, reducir mantenimiento e incluso desechar la herramienta después de la producción de la serie

La fabricación aditiva soportando la industrialización y la producción

Borja Batlle y Magí Galindo, Leitat

29/09/2020

Hoy en día, cuando imaginamos una factoría de producción, la visualizamos como un espacio equipado con sistemas y maquinaria de alta tecnología, con líneas automatizadas, robots y personal cualificado llevando a cabo tareas de manipulación, ensamblaje, verificación... En todas ellas, es de capital importancia, sin importar si la tarea la realiza un operario o un robot, si se trata de una compañía de automoción, ensambladora de componentes electrónicos, o embotelladora de bebidas isotónicas, el uso de herramientas, útiles o dispositivos específicos y especializados, que ayudan a mejorar la eficiencia, incrementar la productividad y flexibilidad de las líneas de producción. Concretamente nos referimos a herramientas tales como utillajes de fijación, útiles de geometría, matrices, plantillas, calibres, galgas, manipuladores, sistemas de posicionamiento, guiado, transporte, etc.

Es de capital importancia el uso de herramientas, útiles o dispositivos específicos y especializados, que ayudan a mejorar la eficiencia, incrementar la productividad y flexibilidad de las líneas de producción.

La mayoría de estas herramientas, que soportan y habilitan la producción, son únicas. Diseñadas para un fin específico u operación, son generalmente de alta precisión, de alto coste y, frecuentemente, requieren de un tiempo largo para su fabricación, puesta en marcha y validación. Además, hay que añadir como característica típica de dichas herramientas, el coste de almacenaje y mantenimiento asociado a su conservación durante el tiempo requerido por la vida útil del producto que contribuyen a producir. Según el sector industrial, este tiempo puede llegar a ser de más de diez años.

Dichas herramientas suelen estar formadas por un conjunto de elementos estructurales, uniones y articulaciones, sensores, elementos y geometrías de control, tuberías / conductos de aire comprimido o vacío, elementos de conexión, ventosas, imanes, resortes… Con el fin de obtener diseños modulares y adaptables, se utilizan componentes estándar existentes en el mercado. El resultado son diseños complejos, con gran número de componentes, costosos de instalar, ajustar y mantener. Dichos inconvenientes de montaje, calibración, ajuste y mantenimiento deben ser aceptados ineludiblemente por los fabricantes.

Sin embargo, en los últimos años, gracias a los avances realizados en los sistemas de impresión 3D y en la validación y homologación de los materiales para uso técnico se ha abierto una nueva ventana de oportunidad. Las tecnologías de fabricación aditiva permiten diseñar, desarrollar y obtener —observando ciertas reglas de diseño en función de la tecnología— dispositivos y herramientas de ayuda a la producción que, respondiendo a las funcionalidades solicitadas y a los requisitos definidos por el usuario, permiten reducir de forma significativa el número de componentes, integrar funciones —la función estructural con la función de conducción de vacío, por poner un ejemplo— eliminar ajustes, reducir mantenimiento, incluso desechar la herramienta después de la producción de la serie —es más barato imprimir una nueva cuando se requiera que mantenerla en stock durante años—, etc.

El estado actual de la fabricación aditiva y los diferentes equipos disponibles en el mercado, permiten obtener componentes más allá de meros prototipos de forma y función. Su uso se está consolidando como un proceso de fabricación avanzada, viable para la producción y para la obtención de soluciones robustas y plenamente funcionales, cumpliendo con los estándares de calidad y de validación actuales.

Molde y pieza realizados con impresora 3D de arena. Foto: Leitat.

Las tecnologías de impresión 3D de materiales poliméricos, se han convertido en las más populares debido al bajo coste de fabricación de las piezas y la elevada oferta servicios de impresión. Estas tecnologías van desde el uso de la más conocida tecnología de Fused Filament Fabricación —FFF— (fabricación de hilo fundido) hasta el uso de las tecnologías de Powder Bed Fusion (lecho de polvo fundido) como Selective Laser Sintering —SLS— y Multi Jet Fusion —MJF— que presentan un crecimiento exponencial.

El primer aporte de la fabricación aditiva a la obtención de estos nuevos dispositivos de soporte a la producción es la liberación de las restricciones de diseño impuestas por la necesidad de usar componentes estándar y modulares: perfiles, tubos metálicos, tornillería, conectores, conductos de aire comprimido o de vacío, amortiguadores, abrazaderas, pinzas mecánicas… En resumen, permite centrarse sólo en el diseño para la funcionalidad y los requisitos necesarios para realizar las diversas tareas u operaciones que constituyen la actividad productiva, evitando las limitaciones impuestas por el uso de componentes fabricados que, si bien, por un lado, aportan una reducción de costes, no siempre responden a la eficiencia ni a la vida requeridas a la herramienta y, a la larga, ocasionan unos costes mucho mayores.

Centrándonos en la aplicación de la fabricación aditiva a la obtención de herramientas de ayuda a la producción, proponemos una sencilla clasificación en dos categorías. La primera reuniría las herramientas de producción, es decir aquellas herramientas o componentes de herramientas que se utilizan para producir otros productos. Su obtención ha sido por medio de fabricación aditiva y entre ellos encontramos los moldes de arena para fundición —cavidades y machos—, moldes de inyección de plástico, moldes de fundición inyectada, matrices de estampación…

Para ello, las tecnologías de fabricación aditiva utilizan los materiales habituales de la industria de la fundición: arena silícica, resinas furánicas y fenólicas o los aceros habituales de fabricación de moldes, lo que permite utilizar dichas herramientas tanto como herramientas puente como herramientas finales de producción.

Las herramientas para la ayuda a la producción son sin duda una de las aplicaciones con más volumen y potencial de la fabricación aditiva. Foto: Materialise.

El uso de las tecnologías de fabricación aditiva para este propósito no es en absoluto nuevo. Su uso es conocido desde que aparecieron los primeros equipos de impresión 3D de metales, capaces de procesar directamente aceros, y las primeras impresoras 3D de arena. Estamos hablando de principios de los 2000, hace ya entre quince y veinte años. Aun así, el número limitado de metales procesables mediante equipos de Powder Bed Fusion (DMLS, SLM, EBM…) y su comportamiento, no siempre adecuado a las necesidades de las herramientas, ha hecho que su uso para este tipo de aplicaciones, a pesar del gran potencial y ventajas que aporta, haya sido limitado.

Actualmente, el mayor número de aleaciones disponibles y la aparición de aceros inoxidables como, por ejemplo, el AM Corrax de Uddelholm, permitirán expandir y ampliar el uso de la fabricación aditiva en la obtención de moldes. Este acero diseñado específicamente para la fabricación de moldes con equipos SLM, permite sacar todo el partido a las posibilidades que ofrece el diseño de canales de refrigeración conformados, que aportan una mejora en el rendimiento y funcionamiento del molde, dónde la fabricación aditiva aporta ventajas diferenciales. Presenta alta resistencia a la corrosión, tanto la que provocan los propios plásticos inyectados como la que se produce en los canales de refrigeración. Presenta, así mismo, alta resistencia al desgaste debido a que responde al tratamiento térmico del mismo modo que un acero convencional, alcanzando durezas, después de envejecimiento, del orden de los 50HRC. Finalmente, responde igual que un acero convencional al proceso de pulido.

Por otro lado, tenemos el conjunto de herramientas de ayuda a la producción. En esta categoría se incluyen los utillajes de manipulación, fijación, posicionamiento para el ensamblaje, las matrices de geometría para soldadura, componentes para el transporte en línea, útiles para el procesado en centros de mecanizado, modelos de programación, accesorios de montaje, guías, calibres, plantillas, equipos de protección personal, componentes de formato en líneas de envasado, patrones...

El uso de estas tecnologías contribuye principalmente a la reducción de tiempo y costos debido a la facilidad y rapidez en la obtención de estos componentes y a una gran flexibilidad aportada por la libertad de diseño. Los materiales y sistemas de AM han evolucionado hasta el punto de que los requisitos de precisión y los comportamientos mecánicos necesarios para estas aplicaciones son del todo alcanzables.

Actualmente, las herramientas para la ayuda a la producción son sin duda una de las aplicaciones con más volumen y potencial de la fabricación aditiva.

Sin embargo, queremos prestar atención a una de estas aplicaciones que, últimamente, está despertando un gran interés. Es el diseño, desarrollo y producción de manipuladores robóticos. Las funcionalidades de las pinzas de última generación —obtenidas por métodos convencionales— son, aunque amplias, limitadas, y se precisa el desarrollo de sistemas de manipulación de alta versatilidad, bajo costo y peso reducido. Esto es debido a la expansión de la robótica colaborativa instalada en celdas de montaje, sin protecciones, en las que se requiere que, también los manipuladores, cumplan con los requerimientos de seguridad en la colaboración hombre-robot. Es decir, se les exige que no puedan causar daño al operario —inexistencia de aristas vivas, bajo peso, baja inercia, flexibilidad…— incluso en una situación de funcionamiento incorrecto del robot.

Como se ha comentado anteriormente, los manipuladores robóticos convencionales, o bien presentan un alto nivel de especialización y control, en las que se integran, de forma compacta, mecanismos de alta precisión, sistemas electromecánicos y electrónicos —pinzas comerciales—, o bien se trata de dispositivos diseñados a medida de la función requerida, que no encuentran solución en los catálogos comerciales.

Estos últimos son dispositivos complejos y voluminosos formados por la unión de componentes estándar y modulares, de inercia elevada, debido a su peso, que limita su uso en aplicaciones de robótica colaborativa.

Ilustrémoslo con un ejemplo facilitado por la compañía Continental Automotive Spain, S.A. que supuso, para esta compañía, el inicio de una rápida expansión de este tipo de soluciones a sus procesos productivos y de ensamblaje.

En la imagen se puede apreciar una pinza robótica diseñada para una doble función: la extracción de un componente plástico del molde de inyección y su posterior deposición en la banda de inspección. Este manipulador presenta un ensamblaje complejo, pesado y voluminoso, de inercia elevada —debido a su peso—, gran número de componentes que implican mayor riesgo de fallo, alto costo de adquisición —1,5-3k€— y la necesidad de mantenimiento y ajustes frecuentes.

Las siguientes imágenes muestran el homólogo del manipulador previo, resuelto mediante fabricación aditiva, con material plástico y producido en un equipo MJF de HP.

Pinza robótica para extracción y deposición de componente plástico. Foto: Leitat.

Diseño en CAD3D de la pinza robótica. Foto: Leitat.

Pinza robótica impresa en un equipo MJF de HP. Foto: Leitat.

Pinza robótica impresa en 3D montada en línea de producción. Foto: Leitat.

Se ha desarrollado una solución más sencilla —con una reducción de componentes mayor del 85%— mediante un diseño funcional robusto que no requiere calibración. En este diseño se integran distintas funcionalidades en un único componente: el soporte estructural, la interfaz con el robot, la conducción de vacío, la flexibilidad de los brazos —elimina la necesidad de amortiguadores— la conectividad directa y el posicionamiento y orientación exacta de las ventosas que no requiere de ajuste. Presenta una mayor robustez y fiabilidad productiva, con un mínimo de mantenimiento. Conexión y control más fácil. Coste asociado mucho menor. Utilizable con robots colaborativos, por su diseño suave, flexible y ligero. Habilita la utilización de robots con menor capacidad de carga debido a la significativa reducción de peso e inercia estimada en más del 95%.

Algunos datos significativos nos permiten comparar y mostrar las ventajas de esta nueva aplicación de la fabricación aditiva: 1 pieza, 6 ventosas y 2 tubos de vacío frente a más de 60 piezas entre barras estructurales, amortiguadores, ventosas, tubos de vacío, pernos y tuercas... 2.500 g frente a 160 g y 1.850 euros frente a 160 euros de la solución impresa en 3D.

Pero no sólo aporta soluciones espectaculares para manipuladores pasivos, también la aplicación de la impresión 3D presenta grandes posibilidades en la resolución de manipuladores activos, entendiendo por activos aquellos manipuladores que presentan movimientos de actuación como agarres mecánicos, giros, estiramientos, desplazamientos, etc.

El siguiente ejemplo, nos muestra una solución de una mano robótica para el agarre y manipulación de pesas. Está formado por una única pieza que integra los elementos estructurales y los móviles —dedos—, las articulaciones y los muelles, juntamente con la acción de un globo de silicona que ejerce de actuador, también impreso en 3D —tecnología DoD de Wacker-ACEO—, y un disco que permite la unión al brazo del robot, constituyen un todo integrado que, mediante el control del aire comprimido con una electroválvula resuelven a la perfección la función requerida. La flexibilidad del globo actuador y el rango de abertura de los dedos del manipulador incrementan su versatilidad habilitando su uso para la manipulación de un rango muy grande de pesas, botellas, cápsulas, con pesos comprendidos entre gramos y unos quilos.

Mano robótica para el agarre y manipulación de pesas. Foto: Leitat.

Mano robótica unida al brazo de un robot. Foto: Leitat.

Para la obtención de manipuladores activos que requieren de mecanismos, engranajes, levas… las fuerzas, la precisión, las tolerancias y ajustes requeridos para el proceso manipulación no siempre encuentran una solución ideal en la fabricación aditiva y es, en estos casos, donde se presenta la oportunidad de trabajar con tecnologías híbridas, combinando las ventajas de los dos mundos, el de la impresión 3D y el de los actuadores mecánicos estándar presentes en el mercado: actuadores neumáticos, motores i controladores, dispositivos electromecánicos, etc.

Desde el equipo de fabricación aditiva e impresión 3D de Leitat, y desde el IAM3DHub, acompañamos a las empresas que desean iniciarse en el uso de estas tecnologías, para estas u otras aplicaciones, cuando con ellas se abren oportunidades de innovación, de crecimiento y/o de negocio. Contamos con un enorme capital humano multidisciplinar, con el que podemos llevar a cabo el desarrollo completo, de principio a fin, de proyectos. En este sentido, el conocimiento de químicos, ingenieros, diseñadores y expertos en manufactura aditiva se conjuga para poder dar solución a las demandas y necesidades de innovación de la industria.