Cómo la fabricación digital de escritorio afecta el corte por chorro de agua con abrasivo

Nov 04, 2023

FIGURA 1. El panorama de la fabricación digital de escritorio comprende cuatro tecnologías principales: mecanizado CNC, impresión 3D, corte por láser y corte por chorro de agua.

Los fabricantes de láminas de metal personalizadas de hoy en día están muy familiarizados con lo "único". Un cliente puede querer una o varias piezas para un pedido de muy bajo volumen, o tal vez solo una cantidad de una. Ese pedido podría ser para un prototipo, y cuando se trata de prototipos, el tiempo es esencial.

La creación de prototipos requiere una iteración rápida. Los diseñadores dedican un tiempo cada vez más limitado al proceso crucial de resolución de problemas de intentar, fallar y mejorar. En el pasado, esto significaba aprovechar un equipo dedicado de modeladores y maquinistas profesionales internos con un complemento correspondientemente grande y especializado de equipos complejos que requerían operadores calificados que generalmente estaban alejados del objetivo real de ingeniería y diseño. En un taller de fabricación personalizado, estos operadores probablemente trabajaron en un área de creación de prototipos separada.

Alternativamente, un fabricante podría enviar un pedido urgente de prototipos a la planta de producción. Las máquinas de fabricación de chapa metálica son más flexibles de lo que solían ser. Aun así, apretar un prototipo o un pedido de baja cantidad aún interrumpe el flujo de producción.

Algunas operaciones ahora están explorando una tercera opción. Están incorporando máquinas herramienta al propio departamento de ingeniería. Algunos han experimentado con impresoras 3D, tanto en plástico como en metal, que evitan que los ingenieros de prototipos utilicen el taller de máquinas. Otros están utilizando una tecnología emergente de corte de perfiles que permite a los ingenieros cortar un perfil por sí mismos, sin necesidad de entregar la solicitud al taller de creación de prototipos o al piso de producción.

El corte por chorro de agua abrasivo de escritorio es un proceso entre un número creciente de tecnologías en lo que se conoce como fabricación digital de escritorio. El concepto ha creado nuevas posibilidades para los diseñadores de productos. El tiempo dedicado a pasar de un concepto de diseño inicial a un producto final ya no es el obstáculo que alguna vez fue. Este es un resultado directo de la democratización de la fabricación. Hoy en día, la fabricación puede ocurrir en producción, en una celda de creación de prototipos o en un área del taller a solo unos pasos de la estación de trabajo del ingeniero.

La práctica de la fabricación digital de escritorio comenzó hace más de una década con las impresoras 3D de escritorio. Estos son excelentes para crear piezas complejas en varios materiales plásticos. Luego surgieron las cortadoras láser de escritorio, que pueden crear piezas 2D precisas en materiales blandos y delgados como madera y plástico, hazañas que las impresoras 3D no pudieron lograr. Las fresadoras CNC asequibles también se hicieron populares, ofreciendo la capacidad de crear piezas 3D complejas en metal.

Estas tecnologías han brindado a los ingenieros flexibilidad para crear prototipos de piezas internamente. Sin embargo, un proceso de fabricación seguía siendo esquivo: las herramientas digitales con la capacidad de fabricar piezas precisas en placas o materiales de láminas duras aún no estaban disponibles para la mayoría de los ingenieros. Sin embargo, las cortadoras por chorro de agua de formato pequeño han ingresado recientemente al mercado, lo que permite a los ingenieros producir piezas de precisión en láminas de metal, fibra de carbono, vidrio y caucho.

Los chorros de agua cortan una variedad de materiales al concentrar agua a ultra alta presión y partículas abrasivas en una boquilla, lanzando la lechada sobre la pieza de trabajo. Dado que todos los materiales se erosionan y que se trata de un proceso de corte en frío, los chorros de agua pueden producir prototipos precisos con un excelente acabado superficial en muchos materiales que las impresoras 3D, los láseres de baja potencia o las máquinas CNC no pueden manejar (consulte la Figura 1). .

Por ejemplo, un diseño para una nueva pieza de equipo industrial requería un gran motor eléctrico con transmisión por correa y polea. En esta aplicación, la relación de transmisión entre las poleas era una variable de diseño crítica que afectaba el rendimiento del dispositivo. Para combatir esto, el equipo de diseño reconoció el problema e ideó una solución simple para probar y medir mejoras para aumentar la eficiencia del diseño.

Primero, los ingenieros crearon dibujos CAD para una serie de poleas de transmisión de tamaños alternativos, algunas con más dientes y otras con menos, de modo que luego se pudieran probar las diferentes relaciones de transmisión para determinar cuál tenía la mayor eficiencia. En lugar de enviar las diversas poleas a un taller mecánico y agregar los retrasos de tiempo y los costos de producción asociados, los ingenieros del proyecto cortaron las piezas para las poleas de prueba internamente en su pequeña cortadora por chorro de agua (consulte la Figura 2).

FIGURA 2. Una cortadora por chorro de agua de escritorio crea un prototipo funcional de una polea de aluminio.

Las poleas y engranajes mecanizados por CNC son notoriamente costosos y consumen mucho tiempo y requieren un operador altamente calificado para producirlos de manera confiable. Aquí, no hubo demoras ni costos adicionales más allá de los materiales físicos necesarios para producir las piezas. El uso del chorro de agua abrasivo también les permitió crear las poleas en un material de uso final, en este caso, aluminio.

Los ingenieros finalmente determinaron el diseño de polea óptimo que cumplía con sus especificaciones mientras mantenían la vida útil deseada para el motor y el tren de transmisión (consulte la Figura 3). En el pasado, los recursos gastados en un proceso iterativo de este tipo habrían requerido más consideraciones financieras y de cronograma para el proyecto de lo que el fabricante podría permitirse gastar, lo que llevaría a compromisos de diseño no deseados.

Prácticamente todos los fabricantes se han enfrentado al desafío de la reelaboración. Podría ser una sorpresa o algo esperado debido a un cambio de diseño tardío. Cualquiera que sea el escenario, las opciones de un fabricante han sido limitadas, especialmente para los componentes comprados. El envío de las piezas al proveedor para que las reprocesen podría llevar semanas o incluso meses. A veces es totalmente poco práctico, especialmente si las piezas son grandes y se han enviado a una gran distancia.

Ingrese a la fabricación digital de escritorio y la historia cambia. Las herramientas como los chorros de agua de escritorio brindan a los ingenieros la flexibilidad para abordar estos desafíos sobre la marcha. Por ejemplo, un fabricante necesitaba volver a trabajar un conjunto de marcos grandes de aluminio extruido. Específicamente, necesitaban mecanizar nuevas características en las extrusiones para que el inventario existente pudiera usarse en el diseño de ensamblaje actualizado. Después de que se doblaron para darles forma, las extrusiones de aluminio normalmente se mecanizaban en un taller de máquinas con grandes centros de mecanizado verticales que podían acomodar las piezas de gran tamaño, equipo que el fabricante ciertamente no tenía en la empresa.

Con la ayuda de un chorro de agua de formato pequeño, los ingenieros fabricaron un conjunto de plantillas de láminas de metal para guiar el corte de las nuevas características utilizando un enrutador manual (consulte la Figura 4). Después de algunas iteraciones de los diseños de las plantillas, los ingenieros transformaron esencialmente una herramienta eléctrica manual en una fresadora CNC de gran formato, aunque dedicada a las operaciones exactas que necesitaban. El ahorro de tiempo finalmente ahorró dinero a la empresa. Una vez más, en lugar de esperar semanas para volver a trabajar, los ingenieros podrían examinar completamente su diseño y pasar rápidamente a la producción a gran escala.

La iteración rápida en la creación de prototipos permite a los ingenieros, normalmente algo conservadores, ser menos conservadores. Anteriormente, un diseño que podría haber requerido un desarrollo significativo se habría dejado de lado en favor de un diseño menos ambicioso que requería menos experimentación para desarrollarse, o peor aún, se habría reemplazado por una pieza estándar inadecuada pero fácilmente disponible. Ahora, bajo el nuevo modelo de creación de prototipos, el énfasis está en las micro iteraciones. Estos ayudan a ampliar los límites del diseño para producir la mayor eficiencia y facilidad de uso, eliminando la necesidad de un pensamiento conservador.

Por ejemplo, se encargó a un equipo de diseño que creara un conector moldeado por inyección con un inserto de barra colectora de cobre. Normalmente, esto se habría creado como una pieza sobremoldeada, algo que se hace todos los días por decenas de miles. Sin embargo, la forma final del conector aún era un trabajo en progreso. Mecanizar los troqueles de moldeo por inyección en esta etapa habría sido excepcionalmente prohibitivo en cuanto a costo y tiempo, y no había una alternativa adecuada lista para usar.

Este obstáculo que aparentemente rompía el trato se eliminó mediante la impresión 3D y el corte por chorro de agua de escritorio. La capacidad de las piezas impresas en 3D para emular un material como el plástico ABS permitió que la pieza prototipo evolucionara rápidamente durante la fase de diseño en constante cambio. Las iteraciones de prueba también fueron significativamente menos costosas que el mecanizado CNC tradicional.

La barra colectora de cobre que se sobremoldeaba en el producto final también necesitaba cambiar para adaptarse a las actualizaciones de diseño. Nuevamente, utilizando un pequeño cortador de chorro de agua interno, los ingenieros modificaron el material de cobre para adaptarlo a la última iteración de diseño. La combinación de impresión 3D y un pequeño chorro de agua ayudaron a llevar este proyecto a la línea de meta sin pasar semanas yendo y viniendo entre proveedores no relacionados.

La fabricación digital de escritorio ha transformado la forma en que los ingenieros crean nuevos productos. Reemplaza el taller de prototipos dedicado del viejo mundo con un entorno donde las iteraciones de diseño se implementan rápidamente, los riesgos se minimizan y el tiempo dedicado a llevar nuevos diseños al mercado se reduce drásticamente. Cuando la cotización más rápida para un taller de creación de prototipos ofrece un plazo de entrega de dos a cuatro semanas, no hay sustituto para un ingeniero comprometido al mando de una operación bien surtida llena de tecnologías CNC que trabajan al unísono.

Los sistemas de fabricación de escritorio digital pueden brindar opciones de fábricas personalizadas. Cuando los diseñadores crean prototipos, cuantas más iteraciones puedan hacer en menos tiempo, mejor. En este mundo, la respuesta rápida es el diferenciador clave.