Cómo lograr que la manufactura aditiva y el maquinado trabajen juntos

Para aprovechar al máximo la manufactura aditiva (MA) y el mecanizado CNC dentro de la misma organización, déjelos competir entre sí.

Paragon Medical, parte de MW Life Sciences, ha descubierto el valor de esta simple idea. Este fabricante de instrumentos médicos, implantes y otros dispositivos médicos por contrato, con sede en Indiana, estableció recientemente lo que ahora llama su instalación de “MW Innovation” al incorporar la capacidad de maquinado para el desarrollo de nuevos prototipos de productos y procesos en el mismo edificio de Warsaw, Indiana, que aloja su capacidad de MA de metal dedicada a este mismo propósito. Las dos instalaciones pertenecían a dos empresas separadas. Se unieron mediante la adquisición y ahora son más cercanas con la creación de MW Innovation.

¿Cuál de estas opciones es la mejor? Para cualquier producto nuevo, ¿cuál ofrece la opción más efectiva en el desarrollo de productos y el camino correcto desde el prototipado hasta la producción? ¿El proceso de fabricación de partes aditivo o el tradicional y estrictamente sustractivo? La respuesta no siempre es clara.

A veces, un cliente anticipa una opción sin darse cuenta de que la otra podría ahorrar costos. En ocasiones, la primera conjetura de Paragon no es el mejor enfoque, porque la parte que parecía prestarse al mecanizado se puede hacer bastante bien por medio de la impresión 3D o viceversa. Por estas razones, no hay una sola persona o un solo momento dentro del trabajo de esta instalación que haga la determinación única y permanente de la ruta de procesamiento que seguirá un nuevo producto o familia de piezas. La elección es demasiado importante para ello.

En cambio, el equipo de 10 personas de MW Innovation incluye un líder de maquinado y un líder de aditivos. Ambos son expertos y defensores de sus tecnologías. Ambos trabajan juntos de forma habitual, porque una pieza fabricada de forma aditiva suele requerir al menos algo de mecanizado. Sin embargo, ambos también compiten. Paragon suele encontrar el mejor método para un nuevo prototipo haciendo que cada uno de estos especialistas proponga el mejor plan que pueda para elaborar el producto o la pieza. El método más rentable puede ser sorprendente, además de que el costo por sí solo no suele ser la consideración principal.

El prototipado como prioridad

En la manufactura de instrumentos e implantes médicos, la creación de prototipos, junto con la etapa de desarrollo del producto, representa la parte más significativa del camino hacia la producción que en otras industrias y tipos de productos. En el caso de un producto de consumo, el prototipo podría imprimirse en 3D sin importar cómo se elaborará finalmente, y el prototipo podría enfrentarse a relativamente pocos obstáculos.

En el caso de un producto médico, los requisitos para validarlo y, en ocasiones, el propio proceso son tan rigurosos que la creación de prototipos y el desarrollo del proceso representan pasos largos y costosos, y pueden implicar el desarrollo completo del método de fabricación mucho antes de que comience la producción. Por lo tanto, cuando el jefe de mecanizado y el jefe de aditivos de MW Innovation se encuentran en una competición amistosa por un nuevo prototipo, hacen algo más que competir entre ellos por el derecho a presumir de haber ganado el trabajo. Se ponen a prueba y se desafían mutuamente para asegurarse de que Paragon propone el mejor procedimiento de desarrollo con éxito del producto, con la mayor esperanza de que Paragon llegue a realizar la producción de ese producto al final, cuando el desarrollo del mismo haya concluido.

Hasta ahora, solo se ha utilizado el maquinado para la producción a gran escala, al menos dentro de las propias instalaciones de Paragon (se ha externalizado parte de la producción aditiva). El mecanizado es, por supuesto, la capacidad de producción que la empresa ha utilizado desde el principio, mientras que la posibilidad de manufactura aditiva de metal es relativamente nueva. Sin embargo, la aditiva no seguirá siendo solo un proceso de prototipado para Paragon.

De hecho, uno de los beneficios distintivos del proceso es hasta qué punto el prototipado en MA esencialmente es producción. A diferencia del mecanizado, el proceso exacto que tiene éxito para hacer el prototipo de una parte por MA se puede escalar fácil e inmediatamente en el trabajo de producción si hay más máquinas de MA disponibles para hacerlo. Por esta razón, es probable que se instalen nuevas máquinas aditivas destinadas a la capacidad de producción en Warsaw, en las instalaciones de MW Innovation. Ahora hay dos máquinas de MA de metal de fusión de lecho de polvo láser EOS con espacio en piso suficiente para cuatro más.

Toby Farling es el director de manufactura aditiva de MW Innovation. La mano de obra de la MA es lo suficientemente pequeña como para que supervisar seis máquinas no sea mucho más exigente que supervisar dos. Su homólogo, el director del taller de herramientas Jason Wood, es el campeón de mecanizado del taller. Ambos reportan a Dan Owens, vicepresidente de innovación y tecnología, que supervisa MW Innovation y que también podría decirse que lo lanzó a la realidad cuando propuso trasladar el mecanizado de prototipos a esta planta. Según Owens, a diferencia de la MA, la mejor opción para el mecanizado de prototipos es mantenerlo alejado de la producción.

Proteger el futuro

Paragon Medical comenzó en 1991, cuando un pequeño taller de maquinaria se reinventó para centrarse estrictamente en productos médicos. El considerable crecimiento que ha experimentado desde entonces se ha producido tanto de forma orgánica como a través de adquisiciones ―tanto adquiriendo como siendo adquirida, la más reciente por MW Industries―, de modo que esta unidad de negocio tiene hoy 1.300 empleados e incluye siete instalaciones de manufactura en Estados Unidos, más una en Asia y otra en Europa. Tanto Toby Farling, como la tecnología de AM metálica, fueron el resultado de una adquisición; formaban parte de una empresa que compró Paragon (un propietario anterior), y añadió esta experiencia en AM a la considerable capacidad de mecanizado de Paragon. El inmueble también llegó por esta vía, y Owens tomó nota.

El departamento de maquinado de prototipos que Owens supervisaba en ese momento se encontraba dentro de una instalación de producción de instrumentos e implantes en Pierceton, Indiana, planta con unas 140 máquinas-herramienta CNC. Su departamento de prototipos no era una mera sala de herramientas (a pesar de que se llamaba así), sino que, al igual que ahora, tenía tecnología de mecanizado CNC del mismo nivel que la utilizada en producción, certificada para la fabricación de partes médicas. Y ahí estaba el problema.

“Debido a que estábamos en la planta de producción, éramos la solución obvia cada vez que había un exceso de producción. Nuestra capacidad era absorbida por la producción”, dice Owens.

La solución rápida ponía en peligro el futuro. La empresa tenía que seguir apostando por la creación de prototipos como medio para continuar con el trabajo de producción que se avecinaba. Todos podían ver esto, pero era un hábito difícil de erradicar. Owens decidió investigar cómo evadirlo.

“Fui al edificio donde hacíamos impresión 3D. Vi las máquinas aditivas allí, y todo este espacio adicional utilizado para el almacenamiento. Se propuso una reformulación de dónde localizar la capacidad: en lugar de aditiva y mecanizado en instalaciones separadas, ¿qué pasaría si el prototipado y la producción se separaran?”.

Eligió un buen momento. La planta de Pierceton necesitaba espacio en piso para ampliar su número de centros de mecanizado horizontal. Entre otras partes, estas máquinas se utilizan para producir guías de corte quirúrgico en cirugías de reemplazo de rodilla, partes tan geométricamente complejas como los propios implantes de rodilla, con una necesidad similar de precisión.

Los responsables de la compañía querían aumentar el número de estas máquinas Makino de seis a diez, y agregar más máquinas de medición por coordenadas en el taller para apoyarlas. El hecho de que Owens se ofreciera a trasladar la creación de prototipos fue un gran paso para liberar espacio suficiente. De este modo, su idea no solo protegió la creación de prototipos, sino que permitió ampliar la producción.

En última instancia, también trajo consigo una nueva cultura de prototipado y desarrollo de productos dentro de Paragon, en la que la MA y el mecanizado se interrelacionan, influyen y estimulan mutuamente. Tener las capacidades juntas enseña a todos los involucrados, incluido Owens, lo que cada capacidad puede hacer. La competencia amistosa entre procesos creció orgánicamente a partir de esta interacción. Farling, experto en MA, dice que la proximidad, no la separación, hace que esta competencia sea eficaz.

“Con algunas piezas, lo único que importa son los agujeros”, dice. Estas piezas pueden imprimirse en 3D, pero las tolerancias de los agujeros son tan finas que estas características deben mecanizarse. Por lo tanto, aunque la impresión 3D es la respuesta y quizás el proceso ganador, la impresión 3D por sí sola no puede conseguirlo. Y en el mecanizado, la impresión 3D ofrece nuevas opciones para herramientas. En resumen, aunque los procesos compiten, el competidor también puede ser un facilitador. Esta interacción ha acelerado el desarrollo de la comprensión de Paragon sobre cómo y dónde puede utilizarse mejor la manufactura aditiva.

Instrumentos e implantes

Ha habido sorpresas. En el caso del componente de un robot médico que Paragon habría podido mecanizar, el cliente preguntó si sería factible y quizá, incluso, más barato, tenerlo impreso en 3D. “El cliente tenía razón”, dice Owens. La manufactura aditiva y el mecanizado mínimo demostraron ser un enfoque eficaz. Otra pieza demostró que, aunque la necesidad de mecanizado es típica de las piezas de MA, no es universal. Una herramienta de corte para cadáveres se imprimió en 3D con la precisión necesaria en los filos, sin necesidad de mecanizarlos.

Owens dice que, en general, la MA es apta para implantes y el mecanizado es más adecuado para instrumentos médicos. Los implantes se benefician de la aditiva porque sus formas son complejas y porque la rugosidad superficial a menudo es beneficiosa. Los implantes también son la parte de crecimiento más rápido del negocio de Paragon: la compañía ya produce implantes espinales a un ritmo de 3,000 al mes mediante un proveedor para este trabajo.

Pero el papel de la MA con instrumentos también es importante. En este caso, la necesidad suele estar relacionada con la velocidad de comercialización. La competencia entre el mecanizado y la impresión 3D en MW Innovation es a veces por el costo, pero con más frecuencia por el tiempo. Así, el camino hacia la producción puede implicar la manufactura aditiva tanto para la creación de prototipos como para la producción temprana, mientras que el proceso de mecanizado se desarrolla, programa e implementa para su uso después de que el producto haya llegado por completo.

Para Paragon, esta ventaja de la AM es más evidente en los efectores finales de los robots quirúrgicos. Este mercado está creciendo tan rápidamente que es importante poder imprimir en 3D los efectores finales con el fin de que estén disponibles para la producción inmediata, a pesar de que el mecanizado CNC ofrece una producción más rentable más adelante, después del tiempo de espera necesario para la ingeniería del proceso de mecanizado.

Este último aspecto, la necesidad de desarrollar productos con rapidez para ayudar a los clientes a innovar con prontitud y a pasar a la producción con celeridad, pone de manifiesto el porqué la creación de prototipos sofisticados y el desarrollo de procesos son tan valiosos para Paragon, y por qué la manufactura aditiva hace que esta capacidad sea aún más valiosa. El siguiente paso natural es la producción mediante MA, que llegará a estas mismas instalaciones. Ya se han empezado a discutir los planes para ello. Pero Farling y Owens dicen que han aprendido una lección del mecanizado; saben cómo proteger la capacidad de creación de prototipos una vez que llegue la producción de manufactura aditiva. Cuando Paragon empiece a desarrollar su propia capacidad interna de producción de manufactura aditiva de metales, dicen que tienen la intención de proponer que se mantengan dos de las máquinas deliberadamente no certificadas para la producción médica, de modo que la capacidad no esté disponible para ser retirada de la creación de prototipos.