Sugerencia de Diseño

Impresión 3D industrial para piezas de produccion

La importancia del proceso, selección de materiales y geometría de piezas al diseñar piezas funcionales de metal o termoplástico para fabricación con aditivos

Piense en estos objetos: las boquillas de combustible para el motor LEAP de General Electric; los soportes de cabina para la nave A350 de Airbus; asistentes de audición y prótesis craneales, torácicas y de cadera a medida; y carcasas para indicadores de potencia LED de robots militares. Estos son solo unos cuantos ejemplos de piezas finales totalmente funcionales producidas con tecnología industrial de impresión 3D, conocida también como fabricación con aditivos, lo que echa por tierra su fama de ser un proceso de fabricación «solo para prototipos».

Algunas reglas básicas

Todo el mundo sabe que la impresión 3D es un modo excelente de producir prototipos para revisiones conceptuales o pruebas de forma, ajuste y función, pero los ejemplos citados son una buena muestra de que se está convirtiendo en un método cada vez más popular para producir piezas «reales». Esto es interesante sobre todo cuando los volúmenes son lo suficientemente bajos para que la fundición y el moldeo no resulten rentables, o cuando la complejidad de las piezas prohíbe procesos como el mecanizado. No obstante, antes de empezar a trabajar en su próximo instrumento médico o componente aeroespacial, tenga en cuenta lo siguiente:

Tecnología: Proto Labs usa tres procesos diferentes de fabricación con aditivos: sinterizado directo de metal por láser (DMLS), sinterizado selectivo por láser (SLS), y estereolitografía (SL). Gracias a su capacidad de crear piezas de metal macizas según demanda, el DMLS constituye una opción probada y demostrada para productos terminados, aunque el SLS sea con frecuencia una excelente solución para pequeños volúmenes de componentes finales de plástico. La SL siempre ha sido un proceso dirigido a los prototipos, aunque existan tecnologías de revestimiento secundario que aumenten la durabilidad de las piezas de SL realizadas con resina.

3D-printed parts
La impresión 3D es adecuada para producir formas orgánicas, como esta turbina de nailon (izquierda) y piezas finales como este componente de titanio para un taladro médico (derecha).

Selección de materiales: las casi dos docenas de resinas y polvos de que dispone Proto Labs para impresión 3D cumplen los numerosos requisitos mecánicos y eléctricos de las piezas actuales, siendo adecuadas en su mayoría para un uso a largo plazo. Materiales que van desde el cromo-cobalto al nailon relleno de vidrio permiten fabricar diversas piezas finales en cantidades rentables, con la precisión suficiente para competir con el mecanizado y el moldeo por inyección.

Consideraciones sobre el diseño: en muchos casos, existen pocas diferencias entre el diseño de una pieza prototipo y el de una pieza destinada a años de uso. Lo importante es que los diseñadores e ingenieros de productos reconozcan el potencial de la impresión 3D para este uso. La capacidad de crear formas orgánicas y celosías complejas abre posibilidades nunca vistas en la fabricación tradicional.

Cantidades de producción: a pesar de sus muchas ventajas, la impresión 3D queda relegada a cantidades de piezas relativamente más pequeñas, lo que limita su uso para la mayor parte de aplicaciones de gran volumen de producción. Por eso, conocer las cantidades apropiadas para las piezas finales es un paso importante para cualquier diseño de proyecto. Puede ser útil para cualquier cosa, desde una sola pieza de recambio para un automóvil de época a series de producción de componentes complejos bajo demanda, siempre y cuando la pieza no pueda producirse de manera más rentable a través de métodos de fabricación alternativos.

Decisiones sobre DMLS

Empecemos con una de las primeras cuestiones básicas a la hora de diseñar piezas finales: ¿metal o plástico? La respuesta determina qué procesos se utilizarán para construir sus piezas, así como sus propiedades materiales. Si se necesitan piezas de metal, el DMLS es la elección lógica (y prácticamente, la única). El DMLS produce varios metales aptos para usos médicos y aeroespaciales, como acero inoxidable, aluminio y titanio, entre otros.

A juzgar por la aprobación que le merecen a GE y Airbus, las restricciones reglamentarias sobre los polvos metálicos utilizados para producir piezas de DMLS son cosa del pasado. No obstante, la aprobación de los materiales sigue siendo un factor clave en cualquier implementación de productos finales, especialmente en el caso de componentes aeroespaciales críticos para el vuelo y productos médicos para uso en el interior del cuerpo humano.

Proto Labs colaborará con los clientes para desarrollar un plan de calidad que permita un grado de control más elevado durante el procesamiento de sus piezas de DMLS. Esto puede incluir el procesamiento según las especificaciones del sector industrial o del cliente, proporcionando documentación y especímenes de prueba si es necesario. Estos especímenes de prueba pueden ser construidos y enviados a un laboratorio para su validación con bastante antelación al lanzamiento del producto o construidos a la vez que las piezas reales durante la fase de producción para su probarlos posteriormente. Usted decide.

Support structures help prevent warp
Las estructuras de soporte ayudan a evitar el alabeo y la ondulación en piezas de SL y DMLS durante el proceso de impresión 3D.

Por supuesto, el hecho de que el metal sea adecuado para las piezas finales no significa que el DMLS sea el proceso idoneo para construirlas. El DMLS usa un láser de alta potencia para fundir y fusionar partículas de metal en finas capas consecutivas. Dado que se utiliza un calor extremo, son necesarias estructuras de soporte similares a un andamiaje para controlar el alabeo y la ondulación, y ese andamiaje tiene que ser retirado tras el proceso de construcción. Este tiempo y esfuerzo adicionales hacen que el DMLS resulte rentable para piezas de metal complejas que no se pueden construir con otro proceso, como el mecanizado, o cuando sirva claramente para simplificar el montaje, como en la boquilla de combustible de GE, que redujo la cantidad de piezas del montaje original de 20 piezas distintas a una sola pieza impresa con DMLS.

Selección del SLS

Aunque el DMLS sea la principal opción en el caso de pequeños volúmenes de piezas finales, el SLS le sigue de cerca. Desde un punto de vista tecnológico, no es muy diferente del DMLS. Ambos utilizan un láser para fusionar capas de material en un lecho de polvo. El plástico necesita menos intensidad de energía para fundirse que el metal, por lo que el SLS no necesita estructuras de soporte. Esto facilita el uso del volumen completo de la cámara de construcción, simplificando así la configuración y procesamiento posterior de las piezas y, por tanto, reduciendo costes. El SLS se limita a plásticos de la familia del nailon, aunque también disponemos de materiales rellenos de vidrio y de fibra. A diferencia del DMLS, el SLS se ofrece en una única resolución con un grosor de capa de 0,1 mm. Encontrará más información en protolabs.es.

Otras consideraciones sobre el SLS

Muchos clientes optan por el nailon sin rellenar cuando necesitan más “elasticidad” en la pieza terminada (el respaldo de una silla, por ejemplo), mientras que el material relleno es una opción mejor para engranajes, poleas y otras aplicaciones mecánicas. El nailon se puede esterilizar en un autoclave, por lo que suele usarse con frecuencia para piezas médicas como asas de instrumentos y carcasas de dispositivos, pero también es «higroscópico» (absorbe agua) y ligeramente poroso, por lo que resulta menos práctico en condiciones de humedad elevada.

El plástico tiene tendencia al alabeo, y el nailon no es ninguna excepción. Las mismas prácticas de diseño que aumentan la estabilidad y precisión de las piezas moldeadas por inyección (grosor de paredes uniforme, nervadura en áreas planas grandes, etc.) mejoran también la calidad en las fabricadas con SLS. El nailon se usa mucho en piezas moldeadas por inyección, por lo que el SLS constituye una excelente solución intermedia para aquellos clientes que están esperando la entrega de un molde de producción, o cuando la inversión en un molde así no merece la pena.

No olvidemos la SL

Si el DMLS es el recién llegado al sector aditivo, la estereolitografía es la veterana. La reina original e indiscutible de la creación rápida de prototipos, la estereolitografía, produce piezas muy precisas y detalladas, pero generalmente se pasa por alto en las piezas finales. Esto se debe a que la resina fotocurable que se utiliza en SL reacciona mal a la exposición a largo plazo a luz ultravioleta, lo que desemboca en la degradación del material y el movimiento de la pieza. No obstante, si reviste estas mismas piezas con SLArmor, un electrochapado ligero ofrecido por Proto Labs, serán tan duras como una roca y lo suficientemente estables para durar años.

Independientemente del método utilizado, lo importante es recordar que en cualquier proyecto de impresión 3D la complejidad es libre. Esto crea infinitas posibilidades para la mejora del producto. Ligereza, simplificación del montaje, reducción del coste de fabricación... la lista de ventajas es muy amplia. A medida que los diseñadores sigan explorando la impresión 3D, se descubrirán aún más posibilidades de productos terminados, lo que generará a su vez un crecimiento adicional de la impresión 3D y sus posibilidades.

Si desea conocer mejor las ventajas de los procesos de SL, SLS y DMLS, descargue nuestro libro blanco sobre «Tecnologías de impresión 3D para creación de prototipos y producción». Si en este momento necesita una pequeña cantidad de piezas finales funcionales, la impresión 3D puede ser la respuesta. Póngase en contacto con Proto Labs en customerservice@protolabs.es para conocer las posibilidades o, simplemente, cargue un modelo CAD en 3D en protolabs.es para recibir un presupuesto instantáneo.