La filosofía de la tecnología: ¿sustitutiva o aditiva?

A pesar del glamour y la perspectiva de la impresión 3D, no puede reemplazar completamente el mecanizado CNC como la tecnología dominante para fabricar piezas metálicas. Sin embargo, no hay duda de que la fabricación aditiva (AM) tendrá un impacto significativo en toda una gama de métodos de producción.

En términos generales, ambas tecnologías, el mecanizado CNC y la impresión 3D producen la forma de una pieza formando material capa por capa. ¿Cuál de los dos métodos es más efectivo y cómo afectará la combinación de ambas soluciones a la producción?

Para encontrar las respuestas, compararemos las principales características del mecanizado CNC y la impresión 3D que son contrapartes modernas.

Los metales son los principales materiales para el mecanizado CNC. En la impresión 3D, a pesar del aumento significativo de la proporción de metales, los materiales no metálicos siguen siendo los dominantes. Al mismo tiempo, el progreso en la pulvimetalurgia ha permitido imprimir piezas a partir de materiales difíciles de cortar, como las superaleaciones a base de níquel, lo que abre completamente nuevas perspectivas para la fabricación aditiva.

Los metales son isótropos (que tienen la propiedad de transmitir igualmente en todas direcciones cualquier acción recibida en un punto de su masa). En contraste, los productos impresos en 3D presentan una distinta anisotropía (que ofrece distintas propiedades cuando se examina o ensaya en direcciones diferentes). Por ejemplo, la fuerza en una dirección horizontal es mayor que en una dirección vertical, debido a la adición en cordón horizontal. La ciencia de la ingeniería, que tiene muchas herramientas teóricas y experiencia para calcular con precisión el comportamiento estructural, la rigidez y la confiabilidad de las piezas hechas de metales isótropos, enfrenta dificultades cuando se trata de productos impresos en 3D. Por lo tanto, la introducción de la fabricación aditiva en la producción de elementos clave metálicos está avanzando lentamente por razones comprensibles. El mecanizado CNC es el método dominante para producir componentes pesados críticos.

El mecanizado CNC tiene varias limitaciones que son causadas principalmente por el acceso limitado de una herramienta de corte a la superficie mecanizada (especialmente en el interior de las piezas). La impresión 3D, que está libre de la mayoría de estas restricciones, por lo tanto, amplía sustancialmente los límites al producir formas complejas.

La eliminación de metales por corte CNC facilita el mecanizado de piezas en un amplio rango dimensional. Las capacidades de impresión 3D son mucho más modestas. En principio, una pieza de gran tamaño no puede ser producida por métodos de AM, por lo tanto, esta parte debe dividirse en varios enlaces más pequeños para ser ensamblados después de que se complete el proceso de impresión 3D. Sin embargo, este proceso aumenta significativamente el tiempo de producción y plantea dudas sobre la resistencia y rigidez requeridas del producto ensamblado.

Hoy en día, las impresoras 3D pueden proporcionar una precisión dimensional de 0,25 mm que es mucho menor en comparación con la precisión del mecanizado CNC que mantiene tolerancias de al menos dos o tres veces inferiores. El mecanizado CNC también garantiza mejores parámetros en contraste con los métodos de AM para la repetibilidad y el acabado de la superficie.

Aspectos económicos y sostenibilidad: a pesar de la gran variedad de máquinas CNC e impresoras 3D que pueden variar en precio según las características, el precio de una impresora 3D es considerablemente más bajo cuando lo comparamos con el de una máquina CNC típica.

El proceso de corte de material da como resultado virutas, destinadas a residuos reciclables. La impresión 3D es sostenible y de bajo desperdicio utiliza el material de manera más efectiva y, por lo tanto, ahorra energía.

Para tiradas de producción limitadas, particularmente prototipos, AM tiene una ventaja económica obvia. Pero en la fabricación de grandes volúmenes, el mecanizado CNC es mucho más rápido y rentable. Podemos continuar analizando otras características como posibles defectos estructurales, integridad térmica, la configuración, el lugar de trabajo requerido, flexibilidad, etc.; sin embargo, nuestro análisis es suficiente para concluir que la impresión 3D de metal no reemplazará completamente el mecanizado CNC en el futuro previsible.

En la metalurgia, la fabricación aditiva puede ser un método eficaz y rápido para fabricar piezas de trabajo precisas que estén muy cerca de la forma final de la pieza deseada, especialmente cuando se relacionan con piezas de forma compleja. La fabricación de piezas complejas exige un mecanizado CNC con una eliminación mínima de material para responder a métodos de mecanizado avanzados donde la precisión y el acabado de la superficie son esenciales. La impresión 3D permite resultados de creación de prototipos rápidos y precisos y reduce el valioso tiempo de producción para lograr la solución óptima.

Los métodos de impresión 3D no son un sustituto del mecanizado CNC, sino que complementan los procesos. Además, los procesos de corte de metales y la aditiva están siendo integrados en las máquinas modernas que combinan el corte preciso de múltiples ejes con la impresión 3D. Por lo tanto, la palabra que mejor describe la relación entre la impresión 3D y el mecanizado CNC es ‘juntos’ y no ‘en lugar de’.

El auge de la impresión 3D destinada a la fabricación de piezas afectará al mundo de las herramientas de corte. Específicamente, las fresas que dan forma a piezas complejas se verán afectadas a medida que respondan a las crecientes demandas de alta eficiencia, alta precisión y confiabilidad. Garantizar estas características parece ser un requisito previo común; sin embargo, las soluciones avanzadas de corte de metales exigen técnicas que respondan a una muy menor eliminación de material.

Cuando el volumen de material a mecanizar es pequeño, mantener alta productividad requiere una mayor avance y velocidades disponibles, que se pueden alcanzar utilizando estrategias de mecanizado de alta velocidad (HSM). Las herramientas de fresado que giran con alta velocidad angular deben equilibrarse para mantener un corte estable y duradero bajo mayores fuerzas centrífugas al tiempo que minimizan el número de pasadas. El resultado ideal es obtener los parámetros de acabado superficial en una sola pasada que exige herramientas de corte de alta precisión. Podemos determinar que las fresas integrales de metal duro para acabado se orientan hacia herramientas modulares con cabezales de corte intercambiables y las fresas de perfil preciso de una sola plaquita son la primera opción para el mecanizado preciso y productivo de formas complejas con un stock reducido.

Los fabricantes de herramientas de corte tienen en cuenta los componentes aditivos de la metalurgia al formar su cartera de productos y planificar estratégicamente soluciones avanzadas de ahorro de costos. Dicho esto, Iscar ha ampliado la gama de fresas multi-filos diseñadas para HSM.

La última campaña Neologiq de Iscar pone especial énfasis en fresas de ‘segmento de arco’ o ‘parabólicas’ que cuentan con filos de corte en forma de barril y lenticular. Estas fresas de acabado están destinadas a producir perfiles complejos mecanizando a alta velocidad de 5 ejes, lo que proporciona una solución perfecta para procesos de acabado muy productivos. Además, los filos ‘barril’ y ‘lenticular’ de corte se han desarrollado en un diseño de herramienta intercambiable de una sola plaquita que cubre diversos diámetros nominales de fresa. Evidentemente, la vanguardia del segmento de arco se adoptó en la línea de herramientas Multi-Master, la familia de herramientas modulares con cabezales intercambiables, que combina las ventajas de los conceptos de herramientas sólidas e intercambiables.

En la personalización de herramientas, hay un buen ejemplo que muestra la sinergia entre la impresión 3D y el mecanizado CNC en la producción de configuraciones complicadas para herramientas especiales. A pesar de las limitaciones, las propiedades anisotrópicas, (que hemos comentado anteriormente) de los productos impresos muestran una ventaja. Además, la impresión 3D permite un salto cuántico en el diseño de herramientas, optimizando la configuración del cuerpo de la herramienta, especialmente para diseñar y producir superficies internas y canales de refrigerante para una lubricación y refrigeración precisa.

Los ingenieros de I + D de Iscar consideran la AM como una herramienta poderosa para encontrar la mejor solución para productos especiales y recientemente desarrollados para garantizar la máxima sostenibilidad. El mayor salto adelante se relaciona con la impresión 3D de plaquitas de metal duro. La producción de prototipos de plaquitas mediante el uso de métodos de AM no requiere juegos de troqueles y permite examinar varias versiones de diseño de los insertos. Este método disminuye significativamente el tiempo de desarrollo, reduce los costos de producción y minimiza el desperdicio.

Para concluir, la impresión 3D hoy y mañana no está destinada a reemplazar el mecanizado CNC, pero la simbiosis de estas dos tecnologías será una característica típica de las tecnologías metalúrgicas que pronto vendrán.