El amanecer de la fabricación digital

lunes, 16 de julio de 2018 Stephen Dyson

Cómo el software complejo y las máquinas automáticas están revolucionando la industria.

La era digital de la fabricación está aquí y está siendo impulsada por fábricas inteligentes que albergan un diálogo perpetuo entre el software y el hardware. Para entender cómo llegó la industria a este punto, hagamos un breve viaje a través de la historia.

La Primera Revolución Industrial, que señaló un cambio de los métodos básicos de producción manual a las máquinas y herramientas industriales, surgió a finales del siglo XVIII y estaba en pleno apogeo a comienzos del siglo XIX. Con la incorporación de América a mediados del siglo XIX, se desarrolló la Segunda Revolución Industrial. Los próximos 75 años (y posteriores) se caracterizarían por cadenas de producción, producción en serie y uso intensivo de equipos de fabricación. La Tercera Revolución Industrial llegó en los años 50 y 60, marcada por otro cambio disruptivo a medida que la tecnología comenzó a evolucionar de analógica a digital.

A principios del siglo XXI, Protolabs era una empresa de fabricación en ciernes fundada por Larry Lukis, un "empollón informático" (según sus propias palabras) que escribió un millón de líneas de código para automatizar el proceso de fabricación de moldes para moldeo por inyección. Él sentó las bases tecnológicas para lo que se convirtió en un complejo sistema de software exclusivo con la capacidad de comunicarse con una red de máquinas de fabricación avanzada.

La forma en la que fabricamos cosas está cambiando de nuevo. Tenemos a nuestras espaldas tres revoluciones industriales intensas y estamos al borde de una cuarta, impulsada por un concepto llamado fabricación digital.

Fabrication numérique

Una introducción al hilo digital

En prototipos personalizados y producción de piezas a pequeña escala, los modelos CAD en 3D no solo empiezan a dar que hablar, sino que son el punto focal en todo el hilo digital. Protolabs acepta múltiples formatos de archivos CAD que se pueden descargar en línea en cualquier momento; una vez que se envía un modelo CAD, el software de automatización toma el control.

El software de creación de presupuestos contiene normas de diseño y fabricación obtenidas de personas expertas y luego incorporadas en el código utilizado para analizar la geometría de las piezas que finalmente serán fabricadas aditivamente (impresas en 3D), mecanizadas por CNC o moldeadas por inyección.

En el moldeo por inyección, por ejemplo, el software determina la orientación óptima de la pieza en el molde y la colocación de la línea de apertura, por lo que se pueden establecer los lados A y B del molde. A partir de ahí, se identifican posibles problemas, como secciones gruesas o ausencia de ángulos de desmoldeo, y la pieza se puede probar digitalmente en comparación con una representación virtual del modelo para predecir el flujo del material en el molde.

Aunque algunos aspectos de moldeo como las líneas de separación y el ángulo de desmoldeo no tienen gran importancia en la fabricación aditiva, es necesario establecer la orientación de una pieza impresa en 3D durante la construcción y su relación con otras partes de la base de trabajo. Los tres procesos de fabricación aditiva de Protolabs —estereolitografía (SL), sinterizado selectivo por láser (SLS) y sinterizado directo de metal por láser (DMLS)— experimentan este nivel de preparación para crear una construcción óptima.

Protolabs | Fabricación digital

Análisis de diseño automatizado

En la fabricación tradicional, el experto en moldeo o mecanizado puede aprovechar su experiencia para soslayar el análisis simplemente observando una pieza, pero eso, sin duda, no es escalable, oportuno ni repetible cuando se necesita una respuesta inmediata sobre un diseño.

En la fabricación digital todo el análisis y la preparación son automáticos, lo que significa que se puede entregar al diseñador o ingeniero del producto un presupuesto interactivo con un análisis de la fabricabilidad del diseño (DFM) e información sobre precios en solo 24 horas. Si un diseño tiene posibles problemas de fabricación, los cambios recomendados y/o requeridos se resaltan directamente dentro del presupuesto, por lo que las iteraciones de diseño se pueden realizar antes de que comience la producción.

En las piezas moldeadas por inyección con cambios menores, Protolabs a veces proporciona un segundo modelo CAD, llamado propuesta de revisión de Protolabs (PPR), con cambios ya realizados. El modelo revisado puede usarse inmediatamente, o bien el diseñador puede traspasar las modificaciones al modelo original para conservar el historial de diseño en el sistema de gestión del ciclo de vida del producto del diseñador. Cuando un modelo CAD está listo, un diseñador de moldes inicia otra aplicación patentada por Protolabs para diseñar un sistema de moldes alrededor de la pieza y añadir las morfologías necesarias, como entradas y canales de colada, acciones laterales, quizás insertos amovibles y un sistema de expulsión.

De nuevo, la preparación de la fase previa a la producción en piezas aditivas difiere del mecanizado CNC y del moldeo por inyección. En piezas construidas con procesos de SL y DMLS, por ejemplo, las estructuras de soporte están diseñadas en los modelos CAD. Estos soportes ayudan a evitar que las piezas se curven o se caigan durante el proceso de construcción, y luego se eliminan durante el acabado posterior al proceso. Los modelos aditivos también se desmontan digitalmente, o se cortan en miles de capas de archivos y luego se vuelven a ensamblar en un archivo de construcción listo para producción mediante otra aplicación informática propia.

Cuando un modelo CAD está listo para ser impreso, mecanizado o moldeado en 3D, el hilo digital continúa hacia la planta de fabricación.

Protolabs | Fabrication numérique

La convergencia de software y hardware

Hemos llegado a un punto en la conversación en el que el molde o el diseño de la pieza debe traducirse a un lenguaje (llamado código G en Protolabs) que pueda ser entendido por la red de máquinas de fabricación. Este proceso de traducción se llama planificación de trayectorias (toolpathing). Ahora tenga paciencia, ya que le vamos a mostrar algunos acrónimos. La planificación de trayectorias comienza cuando la información de B-splines racionales no uniforme (NURBS) y las representaciones de límites (BREPS) del modelo CAD y el molde de inyección Y se teselan en un modelo geométrico integral en el software.

Todo lo que debe hacerse a continuación es un poco de razonamiento geométrico para decidir qué estrategias de mecanizado funcionarán mejor para algunas áreas del molde o pieza, luego se hace un análisis de alcance y detección de colisiones para decidir qué fresadoras pueden cortar qué áreas, y se registran uno o dos algoritmo(s) automático(s) de generación de dispositivo.

Simple, ¿verdad?

A partir de ahí, es cuestión de entregar el diseño a un generador de trayectorias digital que decide dónde y con qué rapidez dirigir las herramientas mecánicas en el proceso, creando un programa en código G que las máquinas automáticas de Protolabs entienden. Se carga un bloque de material y un programa de código G en la máquina seleccionada y la máquina trabaja siguiendo las instrucciones del código G. El resultado final es una pieza mecanizada final o un conjunto de mitades de molde que se pulen y se envían a una prensa para comenzar la producción de piezas.

 En la fabricación aditiva se necesita una planificación de trayectorias limitada para comenzar una construcción; en su lugar, el archivo (o paquete de archivos) listo para la producción del que hablamos anteriormente se envía directamente a las máquinas SL, SLS y DMLS equipadas con un ordenador. El material se carga en la máquina y las piezas están a solo unos clics del inicio de la producción.

Por qué es importante la fabricación digital

La belleza de la fabricación digital es que todo este hilo, desde el modelo CAD hasta la pieza final, se completa en menos de dos semanas, a veces en uno o dos días. Se pueden realizar múltiples iteraciones de diseño. Se acelera el desarrollo. Los productos se lanzan al mercado rápidamente. Y las cadenas de suministro se mantienen mejor a lo largo de todo el ciclo de vida de un producto.

En los albores deuna Cuarta Revolución Industrial, la fabricación está lista para asumir por completo la era digital en las próximas décadas.