La producción de piezas directamente a partir de datos electrónicos recorta en muchos casos tiempo y costes frente a la producción convencional

“e-Manufacturing” mediante sinterizado por láser para la producción de series

15/04/2005
Durante los últimos diez años, el sinterizado por láser ha pasado de ser una tecnología de prototipado rápido a convertirse en una familia de tecnologías que se aplican tanto para la fabricación unitaria de piezas como para la fabricación en masa a medida. En este artículo, la empresa EOS nos da una idea de hasta dónde llegan las innovaciones de estas sorprendentes tecnologías.
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Figura 1: Cierres de Bota de Esquí fabricados en poliamida mediante sinterizado por láser.
La variedad de aplicaciones del sinterizado por láser es ya hoy muy amplia e incluye, por ejemplo:
  • Producción directa de prototipos funcionales en varios materiales plásticos.
  • Producción directa de útiles en metal para moldes de inyección de plástico y otras aplicaciones.
  • Producción directa de patrones y moldes para varias técnicas de fusión.
  • Producción directa de piezas de uso final en cantidades cuyo número varía de una sola pieza (piezas únicas) hasta decenas de miles.

Para cubrir este amplio rango de aplicaciones, se ha elegido el término e-Manufacturing, que se refiere a la producción rápida, flexible, y rentable de piezas directamente desde un fichero electrónico. Puede incluir los términos “rapid prototyping”, prototipado rápido, “rapid tooling”, “(spare) parts on demand”, fabricación de piezas o recambios bajo pedido, etc. Las recientes innovaciones relativas a las máquinas de sinterizado por láser, materiales, accesorios y métodos de postproceso han aumentado el rango de aplicaciones, gracias a la mejora en las propiedades de las piezas. Al mismo tiempo los aspectos económicos de la tecnología han sido mejorados considerablemente

Este artículo presenta e ilustra casos reales recientes mostrando proyectos de éxito con “e-Manufacturing”. Los ejemplos incluyen la producción de lotes de pequeñas series, y la producción de series personalizadas, para varios sectores industriales.

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Figura 2: Los componentes del montaje.
Producción rentable de pequeñas series por sinterizado por láser directo sobre plástico
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Figura 3: El producto final incluyendo las piezas sinterizadas por láser.
Muchos productos se necesitan en cantidades a producir relativamente bajas, por ejemplo unos pocos miles, pocos cientos, o incluso menos. Muchos deportes, incluyendo el esquí se han convertido en muy innovadores y a la vez muy influenciados por las modas. Esto ha llevado a que los nuevos productos que se lanzan cada temporada tengan que mejorar en su rendimiento y también adaptarse a las nuevas tendencias. Los nuevos desarrollos son introducidos en una fase inicial por los equipos profesionales y a continuación una temporada más tarde aparecen en una versión de consumo. En dichos casos la cantidad necesaria para la producción inicial de la versión profesional será habitualmente de unos pocos cientos, y si se decide realizar la producción de la versión para el consumo, normalmente, se realizarán modificaciones.

Un proyecto llevado a cabo por Tecnología & Design ilustra bien como el “e-Manufacturing” a través de sinterizado por láser, puede ser aplicado de forma beneficiosa para la producción de pequeñas series de dichos productos, en este caso del cierre de una bota de esquí (Fig.1). El cierre lo componen dos piezas principales de plástico unidas por una barra metálica y montadas sobre un soporte metálico, en forma de hoja (Fig. 2). Tanto el aspecto como la funcionalidad del cierre vienen determinados fundamentalmente por las piezas de plástico, las cuales poseen acabados y formas libres complejas. Las reducidas dimensiones, la escasa cantidad a producir y la complejidad de la geometría constituyen una coincidencia ideal para aprovechar las ventajas que ofrece el “e-Manufacturing. Pero en este producto otros dos importantes requerimientos han de ser cubiertos. Primero, el producto ha de soportar peso e impactos de forma repetida. Segundo, al ser una parte visible debe de alcanzar los más elevados estándares estéticos.

Las piezas en plástico fueron producidas directamente por sinterizado por láser con poliamida 2200 (nylon 12) como material de serie. Las piezas fueron luego pulidas y revestidas. El artículo acabado (Fig. 3) es imposible de distinguir respecto de los cierres producidos a través de métodos convencionales. Tanto el test de fatiga, como el test de impacto fueron efectuados con resultado satisfactorio.

En Tecnologia & Design también analizaron la rentabilidad de producir las dos piezas de plástico y compararon los resultados con el modelo tradicional, vía molde de inyección. El análisis económico mostró que para un tamaño de lote de hasta 600 piezas, la vía del sinterizado por láser es más barata que la opción de molde de inyección. Un análisis de tiempos mostró que, utilizando un sistema EOSINT P380, un lote completo de 600 cierres podía ser producido en 27 días, mientras que mediante molde de inyección eran necesarios 65 días.

Evidentemente la vía del “e-Manufacturing” ofrece más beneficios adicionales tales como flexibilidad en la producción, posibilidad de modificar el diseño sin costes adicionales, etc.

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Figura 4: Soportes telefónicos sinterizados por láser para utilizar en cabinas públicas.

Soportes de auriculares telefónicos para las cabinas públicas

Un proyecto de la compañía Model Shop Vienna, un proveedor de servicios austriaco, consistía en producir 250 soportes de auriculares de teléfono para las cabinas públicas de Telekom Austria, en series de calidad suficiente para su utilización real en cabinas telefónicas públicas.

Los soportes fueron realizados a través de sinterizado por láser en una EOSINT P 380 utilizando como material Alumide, una poliamida 12 mezclada con aluminio. Después del proceso de construcción, la superficie fue suavizada completamente con el método AutoFinish. La plataforma de trabajo de la EOSINT P 380 fue suficientemente grande para producir 120 soportes en un solo proceso de construcción (Fig.5). Cada uno de los soportes alcanzó las exigencias de producto final en especial atendiendo al aspecto metálico, calidad de superficie, rigidez, resistencia y precisión en cuanto a sus dimensiones.

De esta forma, los soportes fueron instalados en las cabinas de teléfono públicas con muy buenos resultados. Debido al enorme éxito que obtuvo el proyecto, Telekom Austria decidió producir más soportes de auricular telefónico mediante sinterizado láser. En este momento está planificado construir una cantidad de 300 a 500 piezas año. Esto significa realizar solamente 4 procesos de construcción en la EOSINT P 380. Las modificaciones sobre el diseño son posibles en cualquier momento, sin costes.

Este ejemplo muestra cómo es posible realizar una producción de pequeñas series a través de sinterizado por láser de forma exitosa, sin inversiones iniciales en utillaje o molde. Las propiedades del producto alcanzan los requerimientos en todos los aspectos. Más aún, las superan incluso.

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Figura 5: Soportes telefónicos: Piezas en la plataforma de trabajo de un sistema de sinterizado por láser sobre plástico EOSINT P 380
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Figura 6: Producción optimizada de audífonos intracanales e intrauriculares (ITE): (a) cáscara virtual digitalizada, (b) sinterizado por láser en una EOSINT P, (c) cáscara sinterizada por láser, (d) producto final en el oído

Producción masiva de productos a medida

Phonak Hearing Systems es uno de los tres mayores desarrolladores y fabricantes de sistemas auditivos que existen en mundo. En el año 2000, Phonak inició un proyecto de colaboración con Siemens para desarrollar mejores formas de fabricación de audífonos intracanales e intrauriculares (ITE). Estos dispositivos contienen una electrónica de proceso de sonido digital altamente sofisticada, y ya son suficientemente pequeños como para poderse colocar dentro del oído sin que se pueda percibir su presencia. La electrónica está contenida en una carcasa de plástico, la cual tiene que cumplir una serie de requerimientos muy estrictos. Por ejemplo,
  • Alta precisión y enfoque en el detalle para asentarse bien en el oído.
  • Paredes finas que dejen espacio para la electrónica.
  • Biocompatibilidad, es decir, permitir el contacto con la piel sin alteraciones alérgicas.
  • Tiene que superar el entorno vital del cuerpo (grasa, sudor, etc.) durante años sin degradarse.

Tradicionalmente estas carcasas han sido fabricadas tomando una impresión de cera de la cavidad del oído del paciente, formando un molde flexible alrededor de él y colando dentro de él una resina acrílica curable por UV. Esto consume mucho tiempo en trabajo manual y si la carcasa no encaja perfectamente en el oído todo el proceso ha de empezar de nuevo.

Por ello existía, una necesidad, y un alto potencial de mejora. Phonak identificó la posibilidad de optimizar éste proceso mediante el sinterizado por láser directo de las carcasas, y desarrolló la cadena de procesos correspondiente. Hoy en día las impresiones en cera se someten al scanner, los datos digitalizados son convertidos en carcasas virtuales que se adaptan tanto al oído del paciente como a la electrónica, y luego son sinterizadas por láser (Fig.6).

Phonak ahora construye hasta tres niveles de carcasas por trabajo, cada nivel conteniendo 60-120 carcasas, con medidas que van desde 10 x 10 x 15 mm a 30 x 30 x 25 mm.

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Figura 7: El “joystick” “H1-Drive” y ejemplo de un vehículo donde éste es utilizado.

Producción de series rentables mediante la fabricación de moldes o útiles

Más allá de los ejemplos descritos, hay todavía situaciones donde la producción directa de series mediante sinterizado por láser no es viable. En muchos de estos casos, la vía de producir mediante moldes sigue siendo la mejor opción en el presente. Sin embargo también estos proyectos pueden beneficiarse de la aplicación del “e-Manufacturing” a través del sinterizado láser. Un buen ejemplo de ello fue el realizado recientemente por el proveedor de servicios alemán FIT, para su cliente Hamm. Hamm necesitaba producir un “joystick” innovador para utilizar en vehículos de obras de construcción (Fig.7). La cantidad necesaria a producir era de 5.000 unidades. El “joystick” era un montaje que incorporaba 15 piezas de plástico además de otros varios componentes, electrónicos, mecánicos, y conmutadores. Consecuentemente había necesidad de una precisión elevada y también tenía que proporcionar una alta fiabilidad para su utilización por un tiempo de hasta 20 años bajo condiciones exigentes en entornos de obras. Adicionalmente existía una fuerte presión por la premura de tiempo ya que el nuevo producto se pretendía presentar en una feria. FIT ganó el pedido por ser el único proveedor que era capaz de garantizar la producción de 5.000 piezas inyectadas, en algunos casos 10.000 para componentes duplicados, dentro del plazo requerido de 6 semanas.

Para la producción de una de las piezas plásticas FIT utilizó el sinterizado por láser directo sobre plástico, de forma similar a los proyectos descritos antes. Para los otros 14 componentes se requería inyección en molde de PA 6.6 GF 30 (poliamida con fibra de vidrio). FIT construyó el utillaje utilizando el sinterizado por láser directo sobre metal. Para poder producir el utillaje completo para los 14 componentes en el plazo de pocas semanas fue necesario optimizar tanto el concepto del molde como el del proceso. El concepto utilizado se ilustra mediante la inyección de molde mostrada en la Fig. 8. Esta muestra un molde de cuatro cavidades conteniendo los lados derecho e izquierdo de las cavidades para dos de las partes. Cada cavidad ha sido diseñada de tal forma que tenga que ser sinterizado por láser el mínimo volumen de material. El utillaje entero pudo ser producido en una única máquina EOSINT M 250 Xtended en solo 290 horas.

De hecho el cliente hizo varias modificaciones en las piezas después de que el proyecto hubiese ya iniciado, lo que provocó 3 semanas de retraso en el proyecto. Pero con la ayuda de sus tecnologías de sinterizado por láser, FIT mantuvo su disponibilidad en la entrega, a Hamm, de todas las piezas necesarias para el lanzamiento del producto en la feria. El lote completo de producción siguió sirviéndose en tiempo record y con la máxima calidad.

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Figura 8: Uno de los moldes de inyección conteniendo ocho insertos sinterizados por láser.

Resumen y comentario

Los ejemplos expuestos en este artículo muestran que el “e-Manufacturing” ya está siendo utilizado, con éxito, para la producción de piezas finales en variedad de aplicaciones. Se espera que el número y la variedad de aplicaciones disponibles continúen ampliándose.

Una fuerza importante que empuja esta tendencia es el factor “coste por pieza”. Hay una tendencia general en el mercado, hacia el incremento de las variantes de producto y también hacia ciclos de vida de los productos más cortos. Estas tendencias dan como resultado un menor número de piezas requeridas por variante, es decir, menores cantidades de producción. El ”e-Manufacturing” posee una ventaja natural en esta situación. También las mejoras que van incorporándose, en cuanto a la productividad de los sistemas de sinterizado láser y a la cadena de procesos, significan que los puntos de equilibrio mejoran de forma continuada. Es decir, las cantidades para las que el empleo del “e-Manufacturing”, de una geometría dada, es más económico que la producción convencional, están aumentando.

Y en último lugar, pero no por ello menos importante: El sinterizado por láser es y será la tecnología clave para el “e-Manufacturing” gracias, de forma particular, a las propiedades de los materiales disponibles. También existirán más métodos de postproceso, y más automatizados, por ejemplo para el pulido o revestimiento de piezas sinterizadas por láser, de tal forma que se podrán llegar a alcanzar texturas y patrones específicos.

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