Aplicaciones de manufactura aditiva en moldes

La revolución ya comenzó. La sustitución de procesos sustractivos por procesos aditivos avanza por ahora lenta, pero incesantemente. En lo que respecta a la fabricación de moldes, comienzan a presentarse algunas señales, sobre todo en procesos combinados. Tal como lo muestra la autora, los proveedores de tecnologí­a metalmecánica coinciden en que la impresión de metal será protagonista en los talleres de máquinas herramienta. Todo es cuestión de tiempo.

Sin duda, la manufactura aditiva (MA) está revolucionando la forma de planear y producir piezas en esta industria. El cambio ha llegado a tal punto que, entre todas las preguntas que deben plantearse los diseñadores y encargados de producción, la cuestión de si una parte debe o puede producirse aditiva o sustractivamente, es ahora un componente adicional (claro, si se cuenta con la maquinaria para si quiera plantearse la pregunta).

Chris Wentworth, lí­der del California’s Manufacturing Network y experto en manufactura aditiva, publicó una compilación de los procesos o las áreas en las que manufactura aditiva está afectando la fabricación convencional. Además de sus ya conocidos beneficios en el prototipado rápido y en algunas aplicaciones para la industria automotriz que ya hemos referenciado en esta publicación, aparecen cada dí­a nuevas áreas de incursión, entre ellas la de moldes y herramentales.

Aunque el camino de aprendizaje y experimentación recién comienza, hablando concretamente de la manufactura aditiva de metal, expertos y proveedores de la industria como Renishaw coinciden en que la MA puede ayudar a mejorar los tiempos de ciclo y productividad en la inyección de moldes. Concretamente, la impresión de metal permite diseñar y fabricar los canales de refrigeración al construir el molde. De este modo, se mejora el rendimiento de refrigeración, se alarga la vida útil del molde y se reduce el material sobrante.

Al respecto, Wentworth señala que la utilización de procesos aditivos en la manufactura de canales de enfriamiento para los moldes contribuye a reducir los tiempos de ciclo y el estrés térmico residual; mejora la estabilidad dimensional; disminuye las deformaciones, hundimientos y distorsiones; y brinda mayor flexibilidad en el diseño.

Adicionalmente, indica que se puede utilizar la MA para imprimir insertos para moldes (como se verá en un ejemplo citado más adelante) y ejemplifica que, mientras un inserto producido mediante un proceso de mecanizado en CNC cuesta USD 250, uno impreso en 3D cuesta solo USD 20.

Por su parte, Protolabs, empresa dedicada a la fabricación de prototipos con procesos aditivos y sustractivos, es enfático en afirmar en un documento publicado en su página web que, por ahora, “probablemente sea mejor usar tecnologí­as de impresión 3D para lo que mejor saben hacer: imprimir piezas, no moldes”.

Aunque reconocen que recientemente algunas compañí­as han comenzado a involucrar tecnologí­as aditivas en la producción de moldes de inyección y han logrado una manufactura exitosa de los mismos —llegando incluso a producir moldes un 90% más rápido 70% más barato que con métodos tradicionales de fabricación—, lo cierto es que, en su concepto, los moldes de inyección producidos con máquinas de impresión 3D solo son una alternativa viable cuando se necesitan cantidades muy bajas de piezas relativamente simples con grandes ángulos de inclinación; cuando el equipo de herramentales y matricerí­a del taller está familiarizado con las reglas de diseño de moldes hechos con impresión 3D;  y cuando se tienen las personas y las máquinas disponibles para procesar y montar la herramienta de plástico.

Protolabs esgrime los siguientes argumentos: los volúmenes de las piezas están limitados a 164 cm³, más o menos del tamaño de un pomelo. “Y aunque las modernas máquinas de manufactura aditiva tienen una precisión impresionante, no pueden competir con los centros de mecanizado y los equipos de electroerosión instalados en Protolabs, que rutinariamente mecanizan las cavidades del molde a +/- 0.003 pulgadas (0.076 mm) y volúmenes de piezas de aproximadamente 59 pulgadas cúbicas, aproximadamente seis veces más grandes que las piezas hechas con impresión 3D”.

Además, está el factor de la calidad. Al ser un proceso que se construye en capas, las piezas impresas en 3D pueden tener un efecto “escalera” en las superficies angulares o paredes. Así­, los moldes impresos en 3D requerirán un mecanizado o lijado para eliminar estos bordes pequeños y dentados. “Los orificios más pequeños que 0.039 pulg. (1 mm) deben taladrarse, los orificios más grandes deben rimarse o mandrinarse, y las caracterí­sticas roscadas deben roscarse o fresarse. Todas estas operaciones secundarias eliminan gran parte de la ventaja de velocidad de asociada con los moldes impresos”.

Finalmente está el tema del diseño. La experiencia de Protolabs en este sentido los lleva a afirmar que, con moldes impresos, los ángulos de inclinación deben aumentarse a 5 grados o más, superando ampliamente la mayorí­a de los requisitos de herramientas de aluminio. Además, el flujo del polí­mero a través del molde impreso debe orientarse en la misma dirección que las lí­neas de impresión 3D, para evitar que se pegue y mejorar el llenado a presiones de inyección más bajas. “Los sistemas de enfriamiento pueden usarse para mejorar la longevidad del molde, pero no disminuirán los tiempos de ciclo sustancialmente más largos que se observan con los moldes impresos, ya que las herramientas de plástico no disipan el calor tan bien como las hechas de aluminio o acero”.

Aplicaciones actuales

Llevados estos argumentos a la práctica, presentamos como ejemplo la experiencia de tres compañí­as norteamericanas que han logrado involucrar exitosamente técnicas de manufactura aditiva en su proceso de fabricación de moldes.

Impresión de insertos

Built-Rite Tool & Die es una empresa de diseño y fabricación de moldes de Massachusetts, Estados Unidos, especializada en la producción de moldes para moldeo por inyección de plástico. Usando los equipos de impresión de metal Studio System, de Desktop Metal, Built-Rite se aventuró a fabricar componentes para el ensamblaje de moldes con un proceso de impresión capa por capa denominado Bound Metal Deposition que minimiza el material requerido sin afectar la resistencia al desgaste requerida para los herramentales.

Un caso de éxito al respecto —publicado por Desktop Metal— da cuenta que, después de producido el inserto con impresión 3D, los empleados del área de maquinado de Built-Rite rectificaron la superficie del mismo para lograr las tolerancias y el acabado de la superficie requeridos. Evaluaron si se requerí­a algún manejo especial y determinaron que las piezas se calentaban de manera similar a otros aceros para herramientas y no presentaban ningún problema al dimensionar o ajustar las inserciones en el conjunto del molde.

Posterior a ello, se utilizó una máquina de EDM para lograr el acabado superficial requerido en las superficies de la cavidad del inserto. Evaluaron la necesidad de variar la configuración de parámetros, el desgaste del electrodo y el acabado superficial resultante. Determinaron que no era necesario variar los parámetros de EDM para las piezas impresas y que el desgaste del electrodo era comparable al de los insertos no impresos.

Después del post mecanizado, el inserto se instaló en el conjunto del molde y se usó para producir piezas de plástico hechas de acetal, un material plástico no abrasivo y de baja fricción. La temperatura del plástico cuando se inyecta en el molde es de aproximadamente 205 °C, y el propio molde se mantiene a aproximadamente entre los 82 ° a 121 °C. Una prueba de aproximadamente cien ciclos no mostró ningún defecto en las piezas de plástico producidas y el inserto impreso en 3D no mostró signos de desgaste.

Según Built-Rite este proceso de impresión interno, en comparación con haber enviado a elaborar el prototipo a un tercero, le significó un ahorro en costos del 90%, en tiempos del 30% y en reducción de peso del 41%. “El éxito de la evaluación inicial indica el potencial del Studio System para aplicaciones de moldeo por inyección. El sistema permite a los fabricantes de moldes de inyección mejorar las operaciones y obtener los beneficios de la manufactura aditiva sin depender de proveedores externos”, manifiesta Desktop Metal en el caso de éxito citado.

Moldes y núcleos para la industria de la fundición

con una impresora robótica 3D de arena Viridis3D RAM System, de EnvisionTEC, la empresa Hazleton Casting Company, ubicada en Pensilvania (Estados Unidos) produce moldes para fundición sin la necesidad de usar herramientas duras. Según explica Hazleton, esta tecnologí­a puede tomar un archivo CAD y crear moldes y núcleos literalmente en horas. “La combinación de la fabricación aditiva con el software de simulación predictiva crea una flexibilidad sin igual en las operaciones de fundición. Los moldes y núcleos producidos a través de métodos aditivos ahora se pueden diseñar con poco o ningún respeto por las limitaciones de los métodos tradicionales de fundición”, sostiene Hazleton en su página web.

Según su experiencia, con este método de fabricación aditiva, los cambios de diseño en la fundición se pueden implementar en tiempo real sin la demora de la alteración de las herramientas duras, lo que reduce el costo y el tiempo de desarrollo del producto. Los moldes y núcleos impresos también ofrecen una opción rentable y eficiente para los fabricantes de equipos especializados que tradicionalmente utilizan métodos de manufactura sustractiva para crear piezas a partir de barras y placas.

Los moldes o núcleos se preparan extendiendo una mezcla de arena de sí­lice y aglutinante de ácido seco sobre una superficie plana. La cama de arena mezclada se desliza con una barra de nivelación a medida que pasa el cabezal de impresión y se deposita un activador quí­mico para crear la forma impresa.

Un software controla la deposición del activador solo donde sea necesario para producir el molde o el componente central. Cuando se completa, el molde o el núcleo se retira de la mesa de impresión y cualquier arena mezclada que no forme parte del molde o núcleo se recicla para su reutilización en impresiones posteriores.

Moldes para aspas de viento

Sandia National Laboratories ganó un premio por diseñar las primeras palas de aerogeneradores fabricadas a partir de un molde impreso en 3D, lo que podrí­a acortar drásticamente el tiempo y el gasto de desarrollar nueva tecnologí­a de energí­a eólica. Durante cuatro décadas, los investigadores de Sandia han diseñado turbinas eólicas que capturan energí­a de manera más eficiente que la tecnologí­a predominante y así­ reducen el costo de la energí­a renovable. Pero producir prototipos es un lastre. Cada uno de ellos requiere una serie de moldes personalizados y con mano de obra intensiva, que pueden tardar hasta 16 meses en completarse antes de que la hoja pueda ser construida y probada.

Trabajando en equipo con Oak Ridge National Laboratory, un lí­der en el campo de la impresión 3D, y TPI Composites, el fabricante independiente más grande del paí­s de palas de aerogeneradores, Sandia lideró una asociación que demostró una manera de reducir este tiempo a solo tres meses. La empresa imprimió en 3D el molde directamente desde un diseño digital, reduciendo más de un año desde el tiempo de producción. La demostración se centró en una cuchilla relativamente pequeña de 13 metros, pero si se aplicara a mayores escalas en la industria, los diseñadores podrí­an asumir más riesgos con diseños experimentales y acelerar la innovación en tecnologí­as eólicas.