Impresión 3D aligera herramientas de corte grandes

A medida que las piezas se hacen más grandes, también lo hacen las herramientas de corte. Pero las herramientas más grandes también son más pesadas, lo que puede provocar problemas como daños en la máquina-herramienta y herramientas que se caen del husillo. Star SU Neher utiliza la impresión 3D para reducir el peso de algunas de estas herramientas. Fotos cortesía Star SU Neher.

Existe una necesidad cada vez mayor de herramientas de corte más grandes, impulsada por piezas más grandes en mercados finales como el aeroespacial y el automotriz. Esto es particularmente cierto para los vehículos eléctricos con carcasas de estator que pueden tener más de 230 mm.

Pero las herramientas de corte más grandes también son más pesadas, lo que puede causar una variedad de problemas que incluyen daños en el husillo, herramientas que se caen del husillo y ruido adicional. Para evitar estos problemas es posible que los fabricantes tengan que invertir en máquinas-herramienta con interfaces de husillo de diseño especial. Estas preocupaciones también han llevado a la industria aeroespacial a establecer pautas para limitar el peso de las herramientas de corte.

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El fabricante de herramientas de corte Star SU Neher ha adoptado otro enfoque: los cuerpos de herramientas de impresión 3D, no solo para que los cortadores más grandes estén en línea con los requisitos de peso, sino también para garantizar que superen y duren más que sus contrapartes más convencionales.

Herramientas de corte para el trabajo

La mayoría de las herramientas impresas en 3D son diseños monobloque (con el soporte integrado en el cuerpo de la herramienta, que le da mayor rigidez) para operaciones de escariado, interpolación circular, fresado y refrentado.

Jamie Dunneback, gerente de ventas de herramientas redondas en Star SU, dice que estas herramientas pueden volverse grandes y complejas, con diferentes formas que les permiten mecanizar características más grandes. Christian Matheis, diseñador de herramientas de Neher Group, comenta que agregar estructuras de celosía interna en forma de panal puede reducir el peso de estas herramientas hasta en un 30 % sin comprometer la resistencia a la torsión.

La compañía diseña a medida la mayoría de estas herramientas y luego las imprime en 3D mediante un sistema de fusión selectiva por láser dual (SLM) DMG MORI Lasertec 30.

Aunque la compañía imprime en 3D algunos cuerpos de herramientas estándar (como la línea NEHMO Long Life, que se puede personalizar con diferentes geometrías de borde), el 99 % de las herramientas impresas en 3D son personalizadas, dice Matheis.

“Diseñamos cada herramienta según las necesidades de la pieza”, explica. Toda la impresión 3D se realiza en las instalaciones de Neher en Alemania, donde utiliza un sistema de fusión selectiva por láser dual (SLM) DMG MORI Lasertec 30 para producir cuerpos de herramientas en titanio, aluminio, acero y acero inoxidable.

Al agregar estructuras de celosía interna a los cuerpos de las herramientas, los diseñadores de herramientas pueden reducir el peso hasta en un 30 %, mientras mantienen la resistencia a la torsión.

Beneficios de la manufactura aditiva

Además de poner las herramientas de corte en línea con los requisitos de la industria aeroespacial, el aligeramiento aporta una serie de beneficios.

Por un lado, son más fáciles para la máquina-herramienta. “Reduce el mantenimiento preventivo, especialmente en los husillos”, explica Dunneback. Por otro lado, es menos probable que las herramientas de corte más ligeras se caigan del husillo, lo cual es una gran preocupación, especialmente con los centros de mecanizado horizontales.

También son más silenciosas, lo que ayuda a los usuarios a cumplir con los requisitos de ruido de OSHAA. Y se pueden usar en una gama más amplia de máquinas-herramienta. Por ejemplo, una máquina con una interfaz de husillo HSK 63 no puede usar herramientas de corte pesadas que requieran una interfaz HSK 100, explica Dunneback. Sin embargo, las versiones impresas en 3D de las mismas herramientas podrían ser lo suficientemente ligeras para la interfaz HSK 63.

Las pruebas de la herramienta de fresado frontal NEHMO Long Life impresa en 3D también han demostrado mejoras en la vida útil de la herramienta, de hasta un 40 % en comparación con las herramientas producidas convencionalmente, dice Matheis.

Esto se debe, en parte, a que la impresión 3D le permite a la empresa agregar canales de refrigerante optimizados a la herramienta de corte. Tradicionalmente, los canales de refrigerante en las herramientas de corte se perforan, lo que limita su diseño y, por lo tanto, su efectividad. Las herramientas impresas en 3D pueden incorporar canales que entregan refrigerante al filo de corte de manera más efectiva. El flujo de refrigerante mejorado puede aumentar las tasas de eliminación de metal hasta en un 30 %, dice Matheis, y ayuda a los usuarios a implementar la lubricación de cantidad mínima (MQL).

Las herramientas impresas en 3D también han mejorado el balance, lo que prolonga aún más la vida útil de la herramienta. Según Matheis, esto se debe, en parte, a la precisión del proceso de impresión 3D y la posibilidad de agregar un atenuador pasivo.

Además de aligerar, la impresión 3D les permite a los diseñadores de herramientas agregar canales optimizados que controlan directamente el flujo de refrigerante a los filos de corte. La compañía dice que esto puede aumentar la vida útil de la herramienta hasta en un 40 % y las tasas de eliminación de metal hasta en un 30 %, al tiempo que ayuda a los usuarios a implementar una lubricación de cantidad mínima.

Además, la impresión 3D les permite a los diseñadores de herramientas agregar características que ayudan en la evacuación de la viruta. Matheis dice que los canales de refrigerante internos pueden retirar la viruta a través de la herramienta y fuera de la zona de trabajo. La incorporación de deflectores de virutas en los diseños de herramientas ayuda aún más a su evacuación.

La impresión 3D es una buena opción para herramientas personalizadas debido a la naturaleza única de las piezas. De acuerdo con Matheis, la impresión 3D no es necesariamente más rápida que el mecanizado convencional (un cuerpo de herramienta grande que ocupa todo el lecho de impresión tarda unas 24 horas en producirse, mientras que también se pueden imprimir varios cuerpos de herramientas más pequeños en un solo lote), pero se reduce el número de máquinas y procesos requeridos.

Los cuerpos de herramienta mecanizados convencionalmente requieren fresado y torneado, mientras que el posprocesamiento de cuerpos de herramienta impresos en 3D por lo general se limita a soldar las puntas de PCD en el cuerpo de la herramienta y aplicar láser o erosionar los filos de corte.

Los insertos soldados para herramientas impresas en 3D se pueden reacondicionar tantas veces como una herramienta de corte mecanizada convencionalmente, sostiene Dunneback. E, incluso, si la herramienta se imprimió en Alemania, se puede reacondicionar en las instalaciones de la compañía en Norteamérica. “Tenemos una instalación aquí en Farmington Hills, Michigan, para reacondicionar o alterar la herramienta con un cambio rápido”, dice.