Robots versus CNC para la fabricación automatizada de aditivos metálicos

Por David Alatorre, director de tecnología de Rivelin Robotics

El uso de la fabricación aditiva de metales 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 por completo los beneficios de la fabricación aditiva. 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 las piezas 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.

¿Apoyar o no apoyar? 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 perjudicar la funcionalidad deseada de la pieza de uso final, que, por ejemplo, puede necesitar ser diseñada. con cavidades llenas o voladizos que provocan 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, si bien siempre deberíamos esforzarnos por lograr menos soporte, actualmente siguen siendo una herramienta necesaria para las aplicaciones de AM más complejas.

Postprocesamiento manual 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 adaptarse bien a entornos de producción de bajo volumen y alta mezcla.

Sin embargo, la retirada manual del soporte también requiere mucho tiempo, trabajo y desorden, y el polvo tóxico requiere EPP 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.

Automatización 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 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. De manera similar, puede ser una buena opción para impresiones donde la eliminación de la plataforma con una electroerosión CNC se encarga de la mayor parte del soporte.

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 diferente de un lote a otro.

Robots 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, 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 mejor con los materiales o los tipos de soportes impresos, se pueden acoplar las mismas herramientas a un robot para automatizar con mayor 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.

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 producto con mejor acabado, sino que también proporciona un proceso de fabricación de principio a fin más seguro, más sostenible y más rentable.

Controlador basado en microprocesador dedicado a una máquina herramienta que permite la creación o modificación de piezas. El control numérico programado activa los servos y accionamientos del husillo de la máquina y controla las distintas operaciones de mecanizado. Ver DNC, control numérico directo; NC, control numérico.

Controlador basado en microprocesador dedicado a una máquina herramienta que permite la creación o modificación de piezas. El control numérico programado activa los servos y accionamientos del husillo de la máquina y controla las distintas operaciones de mecanizado. Ver DNC, control numérico directo; NC, control numérico.

Proceso que vaporiza materiales conductores mediante la aplicación controlada de corriente eléctrica pulsada que fluye entre una pieza de trabajo y un electrodo (herramienta) en un fluido dieléctrico. Permite mecanizar formas con precisiones estrictas sin las tensiones internas que a menudo genera el mecanizado convencional. Útil en la fabricación de troqueles.

Fresa sujeta por su vástago que corta por su periferia y, si así está configurada, por su extremo libre. Admite una variedad de formas (extremo simple y doble, desbaste, punta esférica y extremo en forma de copa) y tamaños (stub, mediano, largo y extralargo). También viene con diferentes números de flautas.

Dispositivo, a menudo de fabricación propia, que sujeta una pieza de trabajo específica. Ver plantilla; fijación modular.

Mecanizado con varias fresas montadas en un único eje, generalmente para corte simultáneo.

Material ligero y abrasivo utilizado para el acabado de una superficie.

Operación de mecanizado en la que se elimina metal u otro material aplicando potencia a un cortador giratorio. En el fresado vertical, la herramienta de corte se monta verticalmente sobre el husillo. En el fresado horizontal, la herramienta de corte se monta horizontalmente, ya sea directamente en el husillo o en un eje. El fresado horizontal se divide a su vez en fresado convencional, donde la fresa gira en dirección opuesta a la dirección de avance, o “hacia arriba” en la pieza de trabajo; y fresado ascendente, donde la fresa gira en la dirección de avance, o “hacia abajo” en la pieza de trabajo. Las operaciones de fresado incluyen fresado plano o de superficie, fresado final, fresado frontal, fresado en ángulo, fresado de formas y perfilado.

Cualquier equipo controlado que permita a un operador programar su movimiento ingresando una serie de números y símbolos codificados. Ver CNC, control numérico por computadora; DNC, control numérico directo.

Términos que denotan un programa formal para monitorear la calidad del producto. Las denotaciones son las mismas, pero el control de calidad generalmente connota un sistema de inspección posterior al mecanizado más tradicional, mientras que el control de calidad implica un enfoque más integral, con énfasis en la “calidad total”, principios amplios de calidad, control estadístico de procesos y otros métodos estadísticos.

Disciplina que involucra dispositivos autoaccionadores y autooperativos. Los robots frecuentemente imitan las capacidades humanas, incluida la capacidad de manipular objetos físicos mientras evalúan y reaccionan adecuadamente a diversos estímulos. Ver robot industrial; robot.