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  2. Nuevas técnicas de fabricación rápida de moldes prototipo   (01/09/1999)

Nuevas técnicas de fabricación rápida de moldes prototipo


Orientados a la inyección de piezas de plástico

 
La reducción del denominado "time to market " y la disminución del ciclo de vida de los productos está impulsando a las empresas hacia la innovación permanente, no tan solo de sus productos, sino también de los procesos de diseño, fabricación y gestión de los mismos, siendo la innovación tecnológica una de las estrategias clave para conseguir ventajas competitivas sostenibles.


Cada vez con más frecuencia, es necesario validar el desarrollo de un nuevo producto, casi por completo, ya durante la fase diseño, anticipando los posibles cambios que las fases posteriores pueden provocar en el diseño, donde el coste de las modificaciones siempre será mucho menor que en la fase de producción. La utilización de los prototipos, bien sea de componentes como de conjuntos completos es lo más común y fiable pero el alto coste de inversión necesario así como el tiempo necesario para su fabricación a menudo dificulta

Con estos prototipos se realizan pruebas específicas de vida, resistencia, impacto, pruebas térmicas, etc. con tal de garantizar el correcto funcionamiento de la pieza o sistema diseñados. Para garantizar si el resultado obtenido en validaciones o pruebas son correctas y aplicables a las piezas y proceso definitivos, se debe disponer de piezas lo más parecidas a la diseñada, no sólo en dimensiones y geometría, sino también en material y proceso de fabricación. Debido a todo ello, el concepto de rapid tooling o la fabricación rápida de utillajes está ocupando un lugar destacable en el escenario del desarrollo industrial, reduciendo el tiempo de la obtención de estas piezas prototipo en las fases más tempranas del diseño a partir de procesos de fabricación lo más parecidos al previsto para la producción seriada.

Concepto de tooling y rapid tooling

El término tooling define o engloba conceptos muy genéricos, abarca desde los propios utillajes de producción (moldes matrices etc.), los componentes de estos utillajes (correderas, expulsores etc.) hasta incluso herramientas necesarias para obtener estos utillajes (punzones, electrodos etc.)

Así pues, tooling define el término genérico que describe el proceso de emplear una geometría de un objeto como base (conocido como utillaje, molde, matriz, electrodo etc.) para la obtención de otro objeto mediante un proceso intermedio o posterior (pieza fabricada). El tooling se puede catalogar como:

  • Soft tooling: término relativo a los utillajes construidos a partir de materiales fáciles de tratar (siliconas, resinas, aluminio etc.)orientados a series cortas de producción, no necesariamente prototipo. Dependen del sector de aplicación el número de piezas varía considerablemente. En esta terminología se engloban los moldes prototipo realizados mediante procesos y metodologías tradicionales.
  • Hard tooling: es el término relativo a los utillajes orientados a grandes series o series finales de gran producción. Normalmente obtenidos en materiales duros, de alta resistencia y costosos de obtención.
  • Bridge tooling: es el término que recoge las técnicas para la obtención de series finitas de "piezas prototipo" a partir de utillajes que disponen de mayor vida que los obtenidos mediante las técnicas de soft tooling. Este tipo de utillaje son muy utilizados en sectores de gran producción, como automoción, electrónica etc. Es un concepto nuevo surgido de la aplicación de las técnicas de rapid prototyping a la obtención de moldes.

El rapid tooling se define como la técnica de obtención de utillajes prototipo que utiliza algún sistema de rapid protoyping, directamente o indirectamente, en alguna de sus fases, con el objetivo de obtener una serie corta de piezas prototipo. Básicamente viene impulsado por:

  • Evolución lógica del rapid prototyping
  • Necesidad de validación del proyecto durante la fase de diseño ( adelantar prototipos a la fase de diseño)
  • Necesidad de reducción del "time to market" (reducción de costos del proyecto)
  • Optimización y mejora de los procesos y recursos actuales de fabricación.

La clasificación general de las técnicas de rapid tooling estará condicionada básicamente por diversos factores:

  1. La información necesaria de partida
  • Pieza máster o patrón
  • Modelo de CAD 3D del molde
  1. Según la vía de obtención del molde prototipo
  • Concepto piel
  • Concepto sólido
  1. Según sea el material de las piezas obtenidas
  • Material igual al definitivo
  • Otros materiales diferentes

A continuación se definen algunos de los sistemas más extendidos y utilizados para la fabricación de moldes prototipo:

Según técnicas utilizadas

  • Arranque de viruta:
    • Mecanizado de alta velocidad (high speed milling)
    • Electroerosión
    • Mecanizado por láser (láser CAV)
  • A partir de rapid prototyping:
    • Sinterizado metálico SLS (EOS, DTM)
    • Resina + estereolitografía (AIM)

Según sea la información de partida:

  • A partir del máster:
    • Electroforming (NCC)
    • Proyección metálica
    • Vacuum system (Molde de silicona o resina)
  • A partir del CAD 3D del molde:
    • Sinterizado Metálico SLS, (EOS, DTM)
    • Técnicas de laminación (LOM, Zimmermann)
    • Estereolitografía (SLA)
  • Resina + estereolitografía (AIM)

Según material de las piezas finales obtenidas:

  • Material no definitivo (resinas de poliuretano)
    • Método RIM
    • Vacuum system (silicona o epoxy)
  • Material definitivo
    • Estereolitografía (SLA)
    • Resina + estereolitografía (AIM)
    • Sinterizado metálico SLS, (EOS, DTM)
    • Técnicas de laminación (LOM)

La selección de la técnica más adecuada para cada pieza vendrá dada básicamente por:

  1. Es básico conocer desde el inicio el plazo de entrega de las piezas prototipo que se dispone, lo cual determinará el tiempo disponible para la fabricación del molde.
  2. Dimensiones máximas de la pieza, que a su vez determinará las dimensiones del molde a fabricar. La mayoría de técnicas están limitadas en cuanto tamaño máximo de fabricación.
  3. El número de piezas prototipo a obtener a partir de estos moldes (soft, hard y bridge tooling)
  4. La complejidad geométrica y tolerancias dimensionales de la pieza final inyectada determinará la técnica más adecuada. Existen rangos diferentes para cada una de las diferentes técnicas.
  5. El material final de las piezas ( definitivo o emuladores)
  6. El coste o precio de por cada una de las piezas inyectadas.


Últimas tendencias en rapid tooling y conclusiones

En sectores industriales de transformación de piezas de plástico, mediante procesos de inyección, termo conformado, extrusión etc. se han construido siempre moldes no definitivos, también llamados moldes prototipo, para la obtención de esas piezas no definitivas. Son utilizados temporalmente para la obtención de pequeñas series o incluso obtención de piezas definitivas de producción.

Tradicionalmente estos moldes han sido obtenidos aplicando los mismos procesos o técnicas que se fabrican los moldes de producción seriada (fresado, torno, erosión etc.). Estos moldes son fabricados por los mismos moldistas responsables del molde producción o incluso por los propios transformadores finales de las piezas. Pero el mercado demanda aun más reducción en el tiempo de desarrollo de los nuevos productos, que ya no es posible conseguirla mediante la aplicación de las técnicas tradicionales. La tan necesaria reducción de los plazos de entrega que el mercado está exigiendo será tan sólo conseguida modificando los actuales proceso de fabricación, siendo el rapid tooling una de las alternativas más fuertes que existe. Será necesario el cambio de metodología de trabajo o de fabricación de moldes prototipo basados en el rapid tooling, ya que las características básicas (proceso de obtención, tolerancias, tiempos y actividades necesarias) son completamente diferentes a los procesos de fabricación de los moldes mediante los procesos tradicionales.

El rapid tooling como concepto global debería entenderse como la terminología que aglutina a las diferentes técnicas, tecnologías e incluso metodologías de trabajo, con el fin de obtener útiles o medios de producción en un breve espacio de tiempo. El rapid tooling se ve sustentado fundamentalmente en el rapid prototyping., el CAD/CAM/CNC en tres dimensiones, en la evolución de las técnicas de mecanizado por desprendimiento de viruta (alta velocidad, láser, etc.), soportadas además por técnicas de planificación y gestión del diseño y la producción avanzadas. La conjunción de todas estas técnicas, tecnologías y/o metodologías, con el objetivo final de la obtención del utillaje, para que posteriormente sea obtenida la pieza esta impulsando al nacimiento del denominado rapid manufacturing como integrador global.

El rapid tooling y más ampliamente el rapid manufacturing son unas de las alternativas más firmes para dar respuesta a las necesidades reales del mercado, en cuanto a la obtención de prototipos o pequeñas series en material y proceso lo más parecido al definitivo, una vez se halla consolidado, en cuanto a precisión, plazos y precio.

Existen otras necesidades especificas en el mercado, que una vez el rapid tooling se consolide, pueden ser susceptibles de serles aplicada dicha metodología. Son necesidades muy específicas de determinados sectores, pero que hoy en día presentan áreas potenciales de mejora, especialmente para abaratar costes y reducir plazos de fabricación:

  • Moldes y matrices de vida corta o baja producción.
  • Moldes y matrices prototipo y piloto.
  • Utillajes de producción en serie.
  • Fabricación de piezas individuales como insertos y electrodos.

Destacar que hoy en día existen técnicas disponibles que cumplen perfectamente las exigencias en cuanto a precisión y tolerancias pero en cambio deben mejorar en aspectos primordiales como el plazo de entrega y el coste, asimismo la aplicación de estas técnicas tan específicas obligarán a modificar ciertos aspectos en cuanto la concepción de los útiles (diseño y fabricación).

Xavier Plantà
Area de Innovación y Tecnología
Fundación ASCAMM

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