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

Aug 22, 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 chapa metálica personalizados de hoy están muy familiarizados con lo "único". Un cliente puede querer una o varias piezas para un pedido de muy bajo volumen, o tal vez sólo una cantidad de una. Ese pedido podría ser para un prototipo, y cuando se trata de crear 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: 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 capacitados que generalmente estaban alejados del objetivo real de ingeniería y diseño. En un taller de fabricación personalizado, estos operadores probablemente trabajaban en un área de creación de prototipos separada.

Alternativamente, un fabricante podría enviar un pedido urgente de prototipo a la planta de producción. Las máquinas de fabricación de chapa son más flexibles que antes. Aun así, incluir un prototipo o un pedido de baja cantidad sigue perturbando 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 de plástico como de metal, que impiden 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 ellos mismos, sin necesidad de pasar la solicitud al taller de creación de prototipos o al piso de producción.

El corte por chorro de agua con 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 desde un concepto de diseño inicial hasta un producto final ya no es el obstáculo que alguna vez fue. Este es un resultado directo de la democratización de la industria manufacturera. Hoy en día, la fabricación puede ocurrir en producción, en una celda de creación de prototipos o en un área del taller a pocos 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. Son excelentes para crear piezas complejas en diversos 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 podían lograr. Las fresadoras CNC asequibles también se hicieron populares y ofrecían 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 difícil de alcanzar: las herramientas digitales con la capacidad de fabricar piezas precisas en placas o láminas duras todavía no estaban disponibles para la mayoría de los ingenieros. Sin embargo, recientemente han entrado en el mercado cortadoras por chorro de agua de pequeño formato, lo que permite a los ingenieros producir piezas de precisión en chapa, fibra de carbono, vidrio y caucho.

Los chorros de agua cortan una variedad de materiales concentrando agua a presión ultraalta y partículas abrasivas en una boquilla, lanzando la lechada a la pieza de trabajo. Dado que todos los materiales se erosionan y que es un proceso de corte en frío, los chorros de agua pueden producir piezas prototipo precisas con un excelente acabado superficial en muchos materiales que las impresoras 3D, los láseres de baja potencia o las máquinas CNC no podrían manejar (consulte la Figura 1). .

Por ejemplo, un diseño para un nuevo equipo industrial requería un gran motor eléctrico con transmisión por correa y polea. En esta aplicación, la relación de transmisión entre las poleas fue una variable de diseño crítica que afectó 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 motrices 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 distintas poleas a un taller mecánico y agregar los retrasos y costos de producción asociados, los ingenieros del proyecto cortaron las piezas de 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 los engranajes mecanizados por CNC son muy caros y requieren mucho tiempo, y requieren un operador altamente capacitado para producirlos de manera confiable. Aquí no hubo retrasos ni costes 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.

En última instancia, los ingenieros determinaron el diseño de polea óptimo que cumplía con sus especificaciones y al mismo tiempo mantenía la vida útil deseada para el motor y la 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 las que el fabricante probablemente podría permitirse gastar, lo que habría llevado a compromisos de diseño no deseados.

Prácticamente todos los fabricantes se han enfrentado al desafío del retrabajo. Podría ser una sorpresa o algo esperado debido a un cambio de diseño tardío. Cualquiera sea el escenario, las opciones de un fabricante han sido limitadas, especialmente para los componentes comprados. Enviar las piezas al proveedor para su reelaboración podría llevar semanas o incluso meses. A veces es completamente poco práctico, especialmente si las piezas son grandes y han sido enviadas a una larga distancia.

Ingrese a la fabricación digital de escritorio y la historia cambia. 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 reelaborar un conjunto de grandes estructuras 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 doblarlas para darles forma, las extrusiones de aluminio normalmente se mecanizaban en un taller con grandes centros de mecanizado verticales que podían acomodar piezas de gran tamaño, equipo que el fabricante ciertamente no tenía internamente.

Con la ayuda de un chorro de agua de pequeño formato, los ingenieros fabricaron un conjunto de plantillas de chapa 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 básicamente transformaron una herramienta eléctrica portátil en una fresadora CNC de gran formato, aunque dedicada a las operaciones exactas que necesitaban. El ahorro de tiempo finalmente le 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 requiriera 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 microiteraciones. Estos ayudan a ampliar los límites del diseño para producir la mayor eficiencia y usabilidad, eliminando la necesidad de un pensamiento conservador.

Por ejemplo, a un equipo de diseño se le encomendó la tarea de crear un conector moldeado por inyección con un inserto de barra colectora de cobre. Normalmente, esto se habría creado como una pieza sobremoldeada, algo que decenas de miles hacen todos los días. Sin embargo, la forma final del conector aún estaba en proceso. Mecanizar las matrices de moldeo por inyección en esta etapa habría tenido un coste y un tiempo excepcionalmente prohibitivos, y no existía ninguna alternativa adecuada disponible en el mercado.

Este obstáculo aparentemente decisivo se superó utilizando impresión 3D y 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 sobremoldeará en el producto final también tuvo que cambiarse para adaptarse a las actualizaciones del diseño. Nuevamente, utilizando una pequeña cortadora de chorro de agua interna, los ingenieros modificaron el material de cobre para adaptarlo a la última versión del diseño. La combinación de impresión 3D y un pequeño chorro de agua ayudó a llevar este proyecto a la 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 antiguo taller de prototipos dedicado 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 equipada y llena de tecnologías CNC que trabajan al unísono.

Los sistemas de fabricación de escritorios digitales pueden ofrecer opciones personalizadas a las tiendas fabulosas. Cuando los diseñadores crean prototipos, cuantas más iteraciones puedan realizar en menos tiempo, mejor. En este mundo, la respuesta rápida es el diferenciador clave.