Manufactura aditiva + Mecanizado robotizado 

Conozca una impresora 3D industrial de compuestos  reforzados con fibra de 6 ejes que permite la fabricación rápida sin herramental de estructuras compuestas integradas de grado aeroespacial.

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Los ingenieros de diseño aeroespacial y de defensa y los componentes com­plejos que desarrollan requieren una verdadera agilidad de fabricación. El paso entre aparentes imposibilidades y los momentos de inspiración que crean productos innovadores puede ser estimulante y enloquecedor. Para iterar rápidamente y permitir una verdadera colaboración, los equipos de ingeniería em­plean sistemas como el SCRAM de Electroimpact, una empresa proveedora de automatización, herramental y equipos especiales para la industria aeronáutica, loca­lizada en Mukilteo, Washington, EEUU.

La empresa ha integrado un proceso de posiciona­miento automático de fibras (Automated Fiber Place­ment - AFP) con termoplástico fuera del autoclave in situ, un proceso avanzado de impresión 3D de fabri­cación por filamento fundido (Fused Filament Fabrica­tion - FFF), un proceso de impresión 3D de fabricación de granulado fundido (Fused Granulate Fabrication - FGF), al igual que un proceso de mecanizado sus­fitractivo tradicional en un sistema unificado de ma­nufactura aditiva robotizada escalable de compuestos (Scalable Composite Robotic Additive Manufacturing - SCRAM). El SCRAM es una impresora 3D industrial de 6 ejes continua para compuestos reforzados con fibra que permite la fabricación rápida sin herramen­tal de estructuras compuestas integradas de grado aeroespacial.

Los termoplásticos de alto rendimiento combinados con un alto porcentaje de refuerzo continuo de fibra se utilizan para producir piezas con propiedades de material excepcionales nunca antes vistas en el mundo de la manufactura aditiva. El rendimiento mejorado del sistema de 6 ejes ofrece una destreza y flexibilidad ini­gualables, lo que permite formas, precisiones y com­plejidades que de otro modo no serían posibles.

Según Electroimpact, esta tecnología solo es ofre­cida por ellos en el mundo. Las capacidades y la velo­cidad de procesamiento del control SINUMERIK ONE de SIEMENS les han permitido a los ingenieros de Electroimpact lograr estos avances en la manufactura aditiva.

NO ES IMPRESIÓN 2.5D COMO LA MAYORÍA. ES 3D REAL

La mayoría de los procesos de impresión 3D se describen con mayor precisión como impresión 2.5D, donde el material se deposita sucesivamente en rodajas planas, que cuando se apilan juntas forman un objeto 3D. Por el contrario, el proceso SCRAM repre­senta una verdadera impresión 3D.

Las capas continuas de termoplástico reforzado con fibra toman la forma de contornos complejos, inclui­das superficies aerodinámicas y conductos para el flujo de fluidos. Como se trata de un proceso de 6 ejes, la orientación de la fibra dentro de cada capa se puede adaptar a la aplicación específica, proporcionando una resistencia óptima y una distribución de rigidez adecuada en toda la pieza, al igual que un sistema AFP convencional. Además del proceso continuo de impresión termo­plástica reforzada con fibra y el proceso de impresión de herramientas de soporte FGF, las celdas SCRAM también están equipadas con dos boquillas FFF opti­mizadas para la deposición de material termoplástico reforzado con fibra corta o "picada".

Se incorpora un sistema de calentamiento láser pa­tentado, que produce enlaces excepcionalmente fuertes entre las capas. Este proceso es ideal para situa­ciones en las que la estratificación de fibra continua es geométricamente imposible o no tiene sentido. "Nos permite depositar el material exactamente donde debe estar y sólo donde debe estar, logrando la mayor re­sistencia posible y el menor peso", dice Ryan Bischoff, ingeniero senior de compuestos de Electroimpact.

Este es un verdadero proceso de impresión 3D donde las capas no son simplemente una pila de planos. Las geometrías complejas, como el núcleo de densidad va­riable y otras estructuras internas, se pueden imprimir directamente en capas continuas reforzadas con fibra con una curvatura muy variable. Si se desea, se pueden depositar capas adicionales continuas reforzadas con fibra en la parte superior de la estructura central refor­zada con fibra picada, formando una piel superior.

El sistema es una integración de varios procesos adi­tivos y sustractivos, combinados con el robot, patenta­do por Electroimpact, una plataforma de construcción giratoria y una cámara de construcción climatizada.

“Ese movimiento y los avances a lo largo de los años condujeron al desarrollo de un sistema que llamamos una “fábrica en una celda.” En lugar de necesitar una línea de ensamblaje completa, con cada máquina dedicada que solo realiza una función, es un sistema, que puede hacer conductos de impresión para motores a reacción un día y un componente de ala al siguiente. Se puede cambiar y adaptar rápidamente según las necesidades.”

Esto podría ser un elemento de fibra de carbono para las carreras de Fórmula Uno o una pieza hecha de una aleación revolucionaria que está destinada al espacio. Para series cortas o pequeñas, nada puede competir con esta tecnología, afirma el ingeniero de Electroimpact. "Aquí es donde la fábrica en una célu­la ayuda a los equipos a desarrollar piezas mucho más rápidamente que una instalación tradicional. Usted completa todo el proceso dentro del sistema SCRAM. Tiene sentido porque este no es el tipo de piezas que se producen por miles,” dice Bischoff.

"Nuestros clientes están haciendo un trabajo ex­traordinario, y estamos allí junto a ellos,” añade. "Su ingeniero de Electroimpact está con Ud. durante toda la vida útil del sistema para todas las preguntas y soli­citudes. Estamos aquí para ayudar a los constructores a superar los límites. Damos servicio a nuestro equi­po hasta el día en que muere. El apoyo es una de las cosas que Electroimpact hace mejor que nadie en la industria.” 

ELIMINANDO LA NECESIDAD DE COSTOSO HERRAMENTAL

Con el sistema SCRAM, la impresión 3D reemplaza la necesidad del desarrollo tradicional de herramientas complejas que normalmente se utilizan para la coloca­ción automatizada de fibra de carbono. Esto elimina las inversiones infladas de costos y tiempo necesarias en las herramientas y el desarrollo tradicionales; por lo tanto, el sistema SCRAM permite correcciones y modificaciones más rápidas.

Una vez que se imprime la herramienta compleja, el control SINUMERIK ONE facilita cambios rápidos a lo largo del proceso. Primero, el sistema SCRAM cambia a un cabezal de fresado multieje que termina la forma según las especificaciones exactas. Luego, el sistema SCRAM cambia una vez más al cabezal de colocación de fibra de carbono de 6 ejes y aplica el intrincado patrón de cinta de fibra de carbono al material de soporte.

Bischoff explica que la cinta se deposita rápidamen­te, estableciendo la forma. A continuación, el aditivo del material de soporte se disuelve por completo, de­jando atrás un componente en la forma exacta que el fabricante necesita.

El sistema SCRAM, con la potencia del control nu­mérico, también permite la iteración. "Estamos traba­jando para crear un sistema abierto que respalde las elecciones de materiales y haga las piezas que cada cliente necesita. Nos impulsa la demanda de los clien­tes,” explica Bischoff.

LA VELOCIDAD DE PROCESAMIENTO HA SIDO CLAVE PARA ESTE DESARROLLO

"Los tiempos de procesador más rápidos tanto para el control de movimiento como para el PLC, combi­nados con las nuevas funcionalidades del SINUMERIK ONE, permiten aún más el increíble trabajo que Elec­troimpact está haciendo con el sistema SCRAM,” dice Steve Czajkowski, gerente de ingeniería de Siemens. Brian Cubie, gerente de cuentas de Siemens, comple­menta: "He estado en robótica durante muchos años, y ver lo que los ingenieros de Electroimpact están haciendo en términos de digitalización de la fábrica es emocionante. Siempre están a la vanguardia. Elec­troimpact hace un trabajo fenomenal al tomar nuestro control y agregar codificadores para obtener retroali­mentación y ejecutarlo a través de su propia cinemáti­ca.” El fabricante asegura que el control es ideal para la capacidad de la SCRAM para pasar de la impresión 3D al acabado y la colocación continua de fibra de carbo­no, todo desde un solo control.

TECNOLOGÍA DE GEMELO DIGITAL EN UN FUTURO

Mirando hacia el futuro, la plataforma de control SINUMERIK ONE le va a permitir llegar a la SCRAM a la tecnología de gemelos digitales. Esto ayudará a los equipos a diseñar una máquina completamente fun­cional incluso antes de que exista un prototipo de la vida real y para que los equipos transfieran tareas del mundo real al entorno virtual. Los ingenieros de Sie­mens, aseguran que mantendrá los proyectos avan­zando consistentemente a la fase de preparación del trabajo. Tener esta herramienta incorporada ayudará a reducir los costos generales para proyectos y apoyo.

"Hay un gran impulso de la industria para tener un gemelo digital", dice Martineau. "Estoy muy entusias­mado de apoyar a SCRAM en los esfuerzos de nuestros clientes para avanzar. Cada cliente está empujando lo que es posible. Están buscando ideas que están un poco fuera de lo común. Con este verdadero gemelo digital, en lugar de tener que viajar para una visita in situ o pedir fotos o secuencias de video de sus desa­fíos, el PLC permitirá la simulación dentro del control.”

Así como los clientes pueden ejecutar el gemelo di­gital desde su computadora, Martineau podrá operar el control digital de la SCRAM de un cliente directamente desde la suya.

"Escuchamos a los clientes cuando se esfuerzan por alcanzar el siguiente nivel, llevando el sistema al máxi­mo. Ser capaz de saltar y ver lo que está sucediendo es muy valioso,” dice. "Las capacidades de gemelo digital de SINUMERIK ONE nos permitirán trabajar muy cerca con nuestros clientes en el futuro, apoyando sus de­seos de ampliar los límites del desarrollo de productos. Con la tecnología de gemelos digitales tan precisa, los clientes se beneficiarán de saber que podemos inter­venir en cualquier momento para ayudar a solucionar problemas.”