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6 formas de reducir costes y mejorar sus diseños con la impresión 3D industrial

La fabricación aditiva puede reducir los costes de creación de prototipos y producción a pequeña escala, siempre que se conozcan las reglas.

La mayoría de los desarrolladores e ingenieros de productos han adquirido una sólida experiencia de trabajo en impresión 3D con el paso de los años. Conocida también como «fabricación aditiva», hace referencia a una serie de tecnologías, como el modelado por deposición fundida de filamentos (FDM) que crea prototipos de plástico, los procesos de curado por láser que fabrican piezas de resinas fotopolimerizables y las máquinas de fusión de lecho de polvo que producen componentes de metal y plástico totalmente densos.

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Aquí vemos el DMLS en acción, a medida que la máquina sinteriza cada capa. Se repite este proceso capa por capa hasta finalizar la construcción.

Todas ellas ofrecen un gran potencial para la reducción de costes durante la creación de prototipos. Dos de estas tecnologías, el sinterizado selectivo por láser (SLS) y el sinterizado directo de metal por láser (DMLS), pueden reducir los costes a través de la aceleración de la producción, y la reducción de desperdicios; además, las piezas conservan su fortaleza a pesar de ser más ligeras. El SLS y el DMLS son especialmente útiles para las miles de empresas que imprimen en 3D sus piezas finales. Podemos citar múltiples ejemplos:

  • La nave espacial Juno, de Lockheed Martin, actualmente en órbita alrededor de Júpiter, lleva una docena de soportes de apoyo para guías de ondas impresos en 3D.
  • La empresa Activated Research Company utilizó DMLS para desarrollar un diseño totalmente nuevo de Polyarc, su microrreactor catalítico para la cromatografía de gases, que saldría al mercado en tan solo 15 meses.
  • Raytheon utiliza la impresión 3D para motores cohete, aletas y componentes del sistema de control de los cohetes para misiles teledirigidos, lo que le permite producir las piezas en cuestión de horas, no de días.
  • Boeing estableció un récord mundial en 2016 al construir la pieza impresa en 3D más grande jamás creada, un accesorio utilizado en la construcción de su avión 777 que le permitió recortar en varias semanas el tiempo de fabricación.
  • Brunswick Corporation utilizó la impresión 3D para las rejillas del aire acondicionado de sus yates Sea Ray, lo que eliminó la necesidad de herramientas desechables y aceleró el desarrollo del producto.
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Esta rejilla ha fabricado para Proto Labs para los sistemas de aire acondicionado de tres modelos de barcos de lujo Sea Ray, fabricados por Brunswick Corporation.

En estos casos, los resultados mostraron una mayor funcionalidad, menor peso, reducción de los costes de fabricación y, muchas veces, las tres ventajas a la vez. Para disfrutar de estas ventajas, tenga en cuenta estas seis cuestiones de diseño:

1. Optimización del diseño

Las piezas impresas en 3D correctamente diseñadas siguen muchas de las normas aplicadas al moldeo por inyección. Las transiciones entre superficies adyacentes deben ser graduales. Evite grandes diferencias en la sección transversal y el volumen de la pieza. Evite esquinas puntiagudas que suelen crear tensión residual en la pieza terminada. Tenga cuidado de que las paredes delgadas sin soporte no sean demasiado altas, ya que podrían desplomarse o combarse. Además, las superficies con ángulos poco pronunciados tienden a formar «escalonamientos» antiestéticos que hacen que no sean aptos como cosméticos: busque la forma de alisarlos siempre que sea possible.

2. Más allá de la tradición

Los diseños de pieza impresos en 3D más espectaculares aprovechan la capacidad tridimensional para crear formas «orgánicas», como panales y matrices complejas. No tenga miedo de utilizar esas formas, ya que al hacerlo logrará una pieza más ligera y más fuerte. Tampoco debe preocuparle la inclusión de orificios (incluso montones de ellos) en el diseño de su pieza. En el caso de la fabricación tradicional, taladrar orificios en un bloque macizo de material aumenta el coste de la pieza y el desperdicio de material. No ocurre lo mismo en el sector aditivo, donde el aumento de orificios implica la reducción de polvo y de tiempo de procesamiento. Recuerde además que los orificios impresos en 3D no tienen por qué ser redondos. Con frecuencia, un orificio de forma elíptica, hexagonal o libre encaja mejor en el diseño de la pieza y es más fácil de imprimir.

3. Tenga en cuenta los siguientes pasos del ciclo de diseño

El hecho de que sea posible imprimir piezas con montones de orificios no significa que deba hacerlo, sobre todo si tiene pensado hacer muchas piezas de ese tipo más adelante. Como la impresión 3D permite una enorme flexibilidad de diseño, es fácil que se olvide de pensar en cómo se van a fabricar esas piezas una vez superada la fase de creación del prototipo. Como se puede observar en los ejemplos que hemos visto anteriormente, cada vez más empresas confían en la impresión 3D para sus piezas finales, pero aun así muchas piezas pasarán de la impresión al mecanizado, moldeo o fundición a medida que el volumen de producción aumente. Por eso es importante llevar a cabo un análisis de las posibilidades de fabricación del diseño en una fase temprana del ciclo de diseño que garantice una producción asequible durante todo el ciclo vital de la pieza.

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Como puede verse aquí, algunas piezas producidas con DMLS necesitan un acabado manual. Un diseño de pieza más racional puede ayudar a minimizar este procesamiento adicional final, que incrementa el coste y el plazo de entrega.
4. Evite operaciones adicionales

Las piezas de plástico producidas con SLS no necesitan estructuras de soporte durante el proceso de construcción, por lo que el posprocesamiento suele limitarse al granallado, pintura, escariado, taladrado de orificios y mecanizado de formas críticas de la pieza. Sin embargo, el DMLS suele exigir amplias estructuras de soporte para apoyar y controlar el movimiento de la pieza de metal. Sin ellas, las superficies pueden curvarse y alabearse. Esto ocurre sobre todo en el caso de geometrías protuberantes (como formas en T anchas, por ejemplo) que exigen construir soportes bajo los brazos, los cuales tendrán que ser mecanizados o pulverizados, lo que aumenta el coste y el plazo de entrega. Lo mismo ocurre, aunque en menor medida, con el SL, donde los soportes de la resina curada son fáciles de eliminar con una amoladora manual y un poco de papel de lija. Siempre que sea posible, Proto Labs se ocupará de orientar las piezas de modo que se reduzcan estas protuberancias y otras formas incómodas, pero los diseñadores de las piezas pueden ayudar minimizando su uso en el diseño.

5. Vigile las tolerancias

Los diseñadores e ingenieros deben evitar el «exceso de tolerancia» en sus piezas, ya que este puede obligar a construir con capas más finas (lo que aumenta el tiempo y el coste de construcción) y, en muchos casos, requiere operaciones adicionales de mecanizado para satisfacer dimensiones de impresión demasiado exigentes. Dado que la impresión 3D ofrece tantas posibilidades para la reducción del número de piezas, no existe tanta necesidad de ajustes ultraprecisos entre superficies que tienen que encajar como sea (un ejemplo más de cómo esta tecnología reduce los costes de fabricación).

6. Mantén una visión de conjunto

Las piezas impresas en 3D pueden ser más caras en principio, pero no deje que eso le intimide. Con la fabricación aditiva, aumenta en gran medida la probabilidad de reducir las partes de una pieza, reducir el peso y obtener una mayor integridad estructural, reducir los costes de montaje, crear pasos internos para refrigeración o cableado y otras formas imposibles de lograr con los diseños de pieza tradicionales. Tenga en cuenta también que los accesorios, moldes, etc. no son necesarios en la impresión 3D, lo que elimina los costes que no estén asociados directamente al precio de la pieza individual. Concentrarse en el precio de la pieza más que en la funcionalidad del producto y en la «visión de conjunto» puede llevarle a seguir diseñando las mismas piezas una y otra vez, perdiendo la oportunidad de reducir los costes globales de fabricación.

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Fuentes: Proto Labs, Concept Laser Corp., EOS. Inc.

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