La impresión 3D de gran formato en el sector fundición

La fundición - proceso ancestral

La fundición en cualquiera de sus variantes, como el vaciado en moldes de arena, o el proceso de cera perdida, es una técnica muy antigua validada a lo largo de siglos y de gran utilidad para la fabricación de piezas metálicas en tamaños que pueden ir desde los pocos centímetros, hasta partes gigantes de varios metros, como componentes para máquinas industriales, barcos, turbinas, esculturas, entre otros.

La naturaleza del proceso, que implica el manejo de altas temperaturas para llevar los metales al punto de fusión, los complejos sistemas de levantamiento necesarios para manipular los enormes pesos y la volumetría de las piezas metálicas, dificultan mucho la externalización de servicios por lo que cualquier innovación tecnológica debe ser absorbida y realizada dentro de la empresa.

Una de las innovaciones que las empresas de fundición han comenzado a incorporar es la impresión 3D de escritorio, que les ayuda a optimizar los tiempos de diseño y desarrollo de los moldes mediante la fabricación y validación de prototipos a escala. Recientemente, el avance de la tecnología ha permitido desarrollar impresoras 3D de gran formato, como las Big-T de Trideo, capaces de fabricar modelos con dimensiones de hasta 1000mm x 1000mm x 1000mm en una sola corrida y en cuestión de horas.

Modelos de fundición en 3D

El proceso de fundición tiene muchas variantes, pero cualquiera de ellas tiene en común la necesidad de fabricar un modelo maestro, que tradicionalmente es realizado por un artesano utilizando materiales como madera, aluminio, poliestireno, resinas; requiriendo de largos tiempos de desarrollo, una enorme dependencia del operario y una alta exposición a errores de interpretación de planos y errores técnicos durante la fabricación y post-procesado artesanal que en el negocio de la fundición está asociado a enormes costos económicos.

Modelos digitales

Sustituir los modelos físicos por modelos diseñados con software CAD 3D y transferir el know-how del proceso de fundición a su versión digital, es un cambio de filosofía que toma tiempo dentro de este tipo de empresas tradicionales.

Sin embargo, la ventaja de poder hacer rediseños, derivaciones y mejoras continuas a los modelos digitales; de poder almacenar cientos de ellos sin requerir espacio físico y de poder garantizar la precisión dimensional y la repetibilidad cada vez, justifica con creces el cambio.

Materiales especiales

El desarrollo de materiales de impresión 3D para el sector fundición ha crecido mucho los últimos años, al punto que hoy tenemos disponibles materiales con diferentes características de fluidez y temperaturas de fusión que permiten adaptar su uso a distintos procesos. Un ejemplo son los materiales diseñados para el proceso de cera perdida, que permiten que los modelos puedan ser fundidos y retirados del molde sin dejar residuos en la cavidad, en aquellos casos donde por la naturaleza de la pieza sea imposible realizar el desmolde. (Ver Fig. 2)

Comparacion de costes para fabricación de modelos para fundición de arena — Fig 1. Comparativa de costos de modelo para fundición de válvula: Router vs Impresión 3D.

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Fundición con tecnica de cera perdida con impresión 3D — Fig 2. Impresión 3D de modelos para fundición a la cera perdida usando filamento especial Polycast™

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Comparacion de costes para fabricación de modelos para fundición con impresion 3d — Fig 3. Comparativa de costos de modelo industrial: Router vs Mecanizado vs Impresión 3D.

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Existen empresas de fundición que ya han hecho algunos avances hacia la manufactura digital con la impresión 3D de escritorio, que les permite producir modelos pequeños/medianos, o crear piezas encastrables para generar modelos más grandes, pero asumiendo gran cantidad de variables de falla relacionadas con tolerancias de ajuste, problemas dimensionales por contracciones térmicas, entre otras que se pueden resolver con el uso de impresoras 3D de gran formato. Otras tecnologías sustitutas como el mecanizado o ruteado CNC, al ser una tecnología de arranque de viruta, genera una gran cantidad de desperdicio que eleva los costos, al tiempo que no es capaz de fabricar formas complejas como las que se logran el espectro de la impresión 3D, donde la complejidad adicional es gratis.

Impresión de gran formato - Un nuevo paradigma

Los principales retos técnicos de la impresión 3D de gran tamaño son la velocidad de extrusión y el incremento de la confiabilidad de la máquina. La gama de impresoras 3D Big-T de Trideo por ejemplo, portan un extrusor de alto flujo que permite depositar hasta 8 veces más material que las máquinas de escritorio, disminuyendo radicalmente los tiempos de fabricación de piezas gigantes y permitiendo a las empresas tener ritmos de producción competitivos. Respecto a la fiabilidad de las máquinas, el uso de novedosos sensores, funciones electrónicas y software controlan permanentemente el funcionamiento de los equipos y garantizan una mínima tasa de fallas. Además una máquina de impresión 3D como la Big-T puede fabricar en simultáneo series cortas de piezas pequeñas, distribuyéndolas sobre cada rincón desu superficie de 1m x 1m.

Otra de las grandes ventajas de la impresión 3D de gran formato es que, una vez depurados los archivos digitales, las modificaciones y afinamientos al molde impreso deberían ser mínimas, y la replicabilidad y precisión dimensional de la pieza estarían garantizadas, eliminando la variabilidad en el proceso y estandarizando la calidad del producto final.

Comparacion de costes para fabricación de modelos para fundición con o sin impresión 3D — Fig 4. Comparativa de costos de modelo para fundición de partes de maquinaria agrícola: Router vs Impresión 3D de gran formato.

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Costes para fabricación de modelos para fundición con impresion 3d — Fig 5. Estadísticas de impresión 3D de un modelo para fundición en arena.

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Post-procesado

Otro ítem importante de costos es el post-procesamiento del modelo que en muchos casos puede demandar una enorme cantidad de tiempo, y que en el caso de las tecnologías de control numérico como el CNC o la impresión 3D son mucho menos necesarias. En el caso de la impresión 3D, por ejemplo, el apilamiento de las capas en la dirección vertical genera una rugosidad característica en las caras laterales que puede ser eliminada con la aplicación de productos como masillas, primer o resinas.

Otras ventajas de la manufactura digital en la fundición

Almacenamiento: A lo largo del tiempo las empresas van acumulando modelos que poco a poco se van deteriorando si no son de uso frecuente, y ocupan un espacio físico importante en la empresa a la vez que es muy costosa su reparación. Usando técnicas de escaneo 3D o modelado, estos patrones podrían ser digitalizados y almacenados hasta requerir de nuevo su fabricación.
Repuestos: Pero además es posible para las empresas digitalizar o modelar partes de repuesto de las máquinas del proceso que sean susceptibles de ser reemplazadas por impresión 3D, y que por causas de obsolescencia sean de difícil procura, mejorando así la disponibilidad y evitando el costo de almacenamiento.
Jigs y fixtures: La impresión 3D aplica igual de bien a la fabricación de herramental y dispositivos de ayuda al proceso, desbloqueando la posibilidad de desarrollar configuraciones productivas a medida, en cualquier etapa del proceso.

Conclusión

La impresión 3D de gran formato en el sector fundición es un reto que contrasta con la inercia de años de tradición y know-how. Sin embargo, los irrefutables beneficios que ofrece tanto desde lo técnico, como desde lo económico, han abierto el camino de la manufactura digital de gran tamaño en el sector:

Más preciso: La manufactura digital produce resultados repetibles y fiables, no alcanzables por los métodos tradicionales artesanales, lo que se traduce en un incremento de la calidad y de la productividad.

Más rápido: Las impresoras 3D industriales de gran formato pueden trabajar 24/7 lo que multiplica la productividad si se compara con la disponibilidad y costo del tiempo-operario. Además, la posibilidad de modificar rápidamente el diseño digital 3D y repetir el modelo ante cualquier problema, mejora radicalmente los tiempos de desarrollo.

Más barato: El proceso de desarrollo de modelos por impresión 3D FDM lleva asociada una gran disminución de los costos de materia prima, no solo porque los filamentos para impresión 3D son proporcionalmente más baratos sino porque hay una gran disminución del desperdicio final. Además, se requieren menos recursos humanos pues las máquinas son autónomas y los diseños digitales se realizan una sola vez para luego repetir los códigos de fabricación una y otra vez de manera automatizada.

En empresas que ya comenzaron su transformación introduciendo impresoras 3D de escritorio, máquinas como la Big-T de Trideo con su enorme volumen de trabajo permiten desbloquear nuevos niveles que antes no eran posibles, e incluso que no eran rentables debido al tiempo consumido en el ensamble de múltiples partes de un mismo modelo.