Eliminación y acabado de soporte automatizados para fabricación aditiva de metales: robots frente a CNC

Este artículo abordará la transición a soluciones automatizadas de eliminación (y acabado) de soporte y considerará las ventajas y desventajas del uso de sistemas CNC frente a la versatilidad y confiabilidad de los robots.

Artículo de | ROBÓTICA RIVELIN

El uso de la fabricación aditiva de metales (AM) ha revolucionado la industria manufacturera, permitiendo la creación de piezas complejas e intrincadas de una manera más rápida y rentable. Sin embargo, el posprocesamiento esencial de estas piezas introduce limitaciones de tiempo y financieras al costo general por pieza que pueden anular los beneficios de la fabricación aditiva por completo. La eliminación del soporte es el primer paso fundamental del posprocesamiento de piezas metálicas de fabricación aditiva, y constituye un desafío. Hoy en día, los soportes siguen siendo esenciales para la fidelidad de la pieza durante el proceso de fabricación, pero deben eliminarse para lograr el producto terminado requerido con la forma, características y tolerancias deseadas.

Si bien la eliminación manual de soporte sigue siendo el status quo para muchas aplicaciones de fabricación aditiva de metales, este artículo abordará la transición a soluciones automatizadas de eliminación (y acabado) de soporte y considerará las ventajas y desventajas del uso de sistemas de control numérico por computadora (CNC) frente a la versatilidad y Fiabilidad de los robots.

Existe el argumento de que el enigma de la eliminación del soporte en AM eventualmente se resolverá mediante la llamada impresión sin soporte. Por supuesto, este sería el objetivo final, permitir una libertad total de diseño con una eficiencia de recursos optimizada, mediante la cual las materias primas y la energía solo se utilicen para fabricar la pieza final y no los soportes.

Lamentablemente, el sector de la fabricación aditiva aún no ha llegado a ese punto y, si bien los soportes se están minimizando mediante el diseño, siguen siendo (y serán en el futuro previsible) una necesidad. Minimizar la cantidad de material y energía utilizados para los soportes es lo correcto en casi todas las situaciones, pero también puede comprometer la libertad de diseño y tener un impacto negativo en la funcionalidad deseada de la pieza de uso final, lo que puede, por ejemplo, deben diseñarse con cavidades llenas o voladizos que provoquen una pérdida de peso ligero. Los diseños generativos también pueden verse restringidos innecesariamente para obtener los ángulos necesarios para soportes reducidos.

Centrarse en la reducción del soporte también puede afectar la eficiencia del proceso. Por ejemplo, es posible que las piezas largas deban construirse con una orientación específica y, por lo tanto, ocupen más placa de construcción, y las construcciones apiladas pueden resultar poco prácticas debido a las estructuras de soporte interconectadas.

En resumen, aunque siempre deberíamos esforzarnos por conseguir menos soportes, actualmente siguen siendo una herramienta necesaria para las aplicaciones de fabricación aditiva más complejas.

Sorprendentemente, la eliminación manual del soporte sigue siendo el proceso elegido por la mayoría de los usuarios de AM en la actualidad. Requiere técnicos altamente capacitados para quitar soportes con todo tipo de herramientas manuales tradicionales. Las Dremels también resultan útiles. Está probado y comprobado, pero requiere habilidad, resolución de problemas y creatividad. Puede ser muy adecuado para entornos de producción de bajo volumen y alta mezcla.

Sin embargo, la retirada manual del soporte también requiere mucho tiempo, requiere mucha mano de obra, es complicada y genera polvo tóxico que requiere EPI o entornos protegidos. El riesgo de ignición y explosión de la pólvora y las lesiones por esfuerzos repetitivos son problemas comunes. Además, no es repetible con precisión, con variabilidad de persona a persona e incluso de turno a turno, lo que provoca problemas de control de calidad y aumentos en la tasa de desechos. También es difícil escalar si la demanda de piezas AM comienza a aumentar significativamente.

Ha habido algunos avances con soluciones para automatizar el posprocesamiento de piezas metálicas de fabricación aditiva. La más común ha sido la utilización de fresadoras CNC, una tecnología probada para una variedad de aplicaciones de fabricación, incluido un enfoque híbrido para la fabricación aditiva. Son innegablemente precisos y repetibles. Sin embargo, el hecho de que algo sea común y tenga un buen historial en algunas áreas no significa necesariamente que siempre sea la mejor solución.

El CNC puede funcionar bien si la pieza en cuestión tiene características con tolerancias estrictas y donde la planitud, la circularidad, la concentricidad o las dimensiones deben estar dentro de unas pocas micras. También es la tecnología preferida para la eliminación de soportes en lotes grandes donde las geometrías son simples o se prestan para una fácil fijación en solo un par de orientaciones. Del mismo modo, puede ser una buena opción para impresiones en las que la eliminación de la plataforma con una electroerosión CNC se encarga de la mayoría de los soportes.

Sin embargo, las máquinas CNC no son una buena solución para componentes de paredes delgadas, construcciones apiladas que ahorran espacio y piezas con estructuras de celosía o soportes separables. También es justo decir que a los programadores CNC no les gustan las formas orgánicas únicas diseñadas generativamente con curvas compuestas.

Esto comienza a aclarar y fortalecer el argumento contra CNC para la eliminación del soporte en el ecosistema AM.

Uno de los principales impulsores de la fabricación aditiva es la flexibilidad del diseño que permite a los usuarios iterar, personalizar y actualizar componentes de un lote al siguiente. Eso significa que es raro que las empresas que utilizan FA para la producción inviertan en una automatización industrial rígida. Cualquier iteración, cualquier cambio en el diseño significaría una nueva trayectoria CNC para una nueva trayectoria de herramienta y tendría un alto costo. AM necesita que esta flexibilidad de diseño se lleve a cada paso de la cadena del proceso de fabricación.

El problema es similar para las herramientas y los accesorios. Los tipos de accesorios de alta precisión necesarios para la automatización industrial rígida simplemente no tienen sentido a menos que esté preparado para comprometerse con un diseño a largo plazo.

Y luego está el problema de la variabilidad entre lotes. Incluso si tuviera un accesorio perfecto y una trayectoria de herramienta perfecta, confiar en una superficie de soporte perfectamente predecible directamente desde la impresora puede no ser la mejor idea. Esto se debe a que se espera que los soportes AM se desvíen para que las piezas AM no tengan que hacerlo. Los soportes AM se adelgazan para maximizar el uso de material en polvo. Se realizan conexiones delgadas al componente para minimizar los testigos de la superficie y facilitar la separación del andamio. A veces, la composición del material incluso cambia entre lotes, lo que significa que los soportes pueden verse y comportarse de manera muy diferente de un lote a otro.

Por lo tanto, la AM necesita una automatización que pueda adaptarse a la variabilidad, especialmente para el soporte y la eliminación de testigos. Y este desafío se ha resuelto mediante el uso de software sofisticado y sistemas de inteligencia artificial para ayudar a generar trayectorias de herramientas y movimientos de robots sin movilizar a todo un equipo de ingeniería de sistemas. Esto permite una iteración rápida y la automatización de lotes pequeños.

El escaneo 3D se puede utilizar para localizar piezas en lugar de accesorios de alta precisión, lo que significa que las impresoras FDM de escritorio se pueden usar para fabricar accesorios de plástico rápidamente sin preocuparse por la precisión o los cambios en el diseño. Además, se pueden utilizar sensores de fuerza para palpar la superficie y adaptar el mecanizado en consecuencia, o para pasar más tiempo en puntos altos hasta alcanzar la forma final, o para pulir hasta obtener un acabado consistente.

Una gran ventaja es que se puede utilizar cualquier herramienta para retirar y terminar el soporte. Si ya se sabe qué herramientas funcionan bien con los materiales o los tipos de soportes impresos, se pueden conectar exactamente las mismas herramientas a un robot para automatizar con más confianza. Con la tecnología actual, los pasos para agregar una nueva herramienta personalizada son básicamente como agregar un nuevo tipo de fresadora a una máquina CNC y no requieren un integrador de sistemas que cobre por horas.

Rivelin Robotics, que se especializa en el posprocesamiento de fabricación aditiva de metales, ya tiene productos que hacen esto. La empresa se especializa en el desarrollo e instalación de robots para una amplia gama de aplicaciones de posprocesamiento AM. En el contexto de la eliminación de soportes de piezas metálicas fabricadas aditivamente, Rivelin Robotics ofrece soluciones robóticas avanzadas que están diseñadas específicamente para realizar esta tarea de manera confiable y precisa.

Los robots de la empresa ofrecen una serie de ventajas con respecto a las máquinas CNC tradicionales, como mayor velocidad, precisión y repetibilidad cuando se aplican para la eliminación y el acabado de soportes. También son muy flexibles, lo que les permite adaptarse fácilmente a diferentes aplicaciones y procesos.

Los robots de Rivelin Robotics también están diseñados pensando en la seguridad, con carcasa protectora y características de seguridad que reducen el riesgo de accidentes y lesiones. Además, los requisitos de energía y refrigerante son mucho menores que en el caso de las máquinas CNC, lo que ayuda a aumentar la eficiencia de los recursos y la eficiencia energética y, al mismo tiempo, reducir los residuos.

En resumen, los robots están surgiendo como una solución superior en comparación con las máquinas CNC para la eliminación automatizada de soportes de piezas metálicas de fabricación aditiva debido a su velocidad, eficiencia, flexibilidad, precisión, repetibilidad, seguridad, rentabilidad y sostenibilidad. El uso de robots en este proceso no sólo da como resultado un mejor producto terminado, sino que también proporciona un proceso de fabricación de principio a fin más seguro, más sostenible y más rentable.

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