Impresión 3D y mecanizado: procesos complementarios

La impresión 3D y el mecanizado de metales son procesos complementarios. Pero entender exactamente cómo interactúan ambos procesos implica un conocimiento especializado que varía de una pieza a otra.

La integración vertical de la impresión 3D y el mecanizado le proporciona al fabricante Addman Group la capacidad de gestionar todo el proceso de manufactura y de garantizar que las piezas impresas en 3D satisfagan las necesidades del cliente.

“Cualquiera puede imprimirte un pisapapeles —dice Bob Markley, vicepresidente ejecutivo de Addman—. Nosotros queremos darte un componente funcional que impulse tu programa y te haga parecer una auténtica estrella del rock”.

Carrera hacia la impresión 3D

Markley es un autodenominado “ingeniero de carreras en recuperación” que fundó 3rd Dimension Industrial 3D Printing en las afueras de Indianápolis en 2013.

“Sé que en realidad solo llevamos unos 10 años —señala—, pero eso nos convierte en una de las empresas más veteranas de Norteamérica en hacer aditivos metálicos”.

La empresa comenzó con una máquina láser de fusión de lecho de polvo de 3D Systems, pero no pasó mucho tiempo antes de que la empresa se expandiera al mecanizado.

“Rápidamente nos dimos cuenta de que casi todo lo que imprimíamos necesitaba ser mecanizado de una forma u otra, ya fuera remoción de la placa de construcción, corte de roscas, superficies de acoplamiento, tolerancia más ajustada o perfeccionamiento del acabado superficial”, dice.

La primera máquina-herramienta sustractiva de 3rd Dimension fue una electroerosionadora de hilo de segunda mano. Rápidamente se le unieron una fresadora manual, un torno manual, dos fresadoras CNC y dos tornos CNC, que adquirió cuando cerró el equipo de carreras al que había subcontratado su trabajo de mecanizado. La empresa también contrató a un operario.

Addman se formó a finales de 2020 para apoyar a las empresas del portafolio de American Industrial Partners, una firma de capital privado que invierte en negocios industriales. 3rd Dimension fue su primera adquisición a principios de 2021.

Desde entonces, Addman ha ampliado su tecnología de impresión 3D y sus capacidades de mecanizado mediante la adquisición de varias otras empresas. A finales de 2021 añadió Domaille Engineering, un negocio mecanizado con tres plantas en Rochester, Minnesota; Glen Burnie, Maryland, y Wright City, Missouri.

Por la misma época también adquirió Castheon, una empresa de Thousand Oaks (California) especializada en materiales refractarios como el niobio C103, una aleación de alta temperatura especialmente adecuada para aplicaciones espaciales.

También compró Harbec en Rochester, Nueva York, que Markley describe como “una mezcla de todo lo que tenemos”, incluida una operación de mecanizado diversa, capacidades de impresión 3D de metal y polímero, fabricación de moldes y troqueles y moldeo por inyección. Harbec también aporta a la organización una gran experiencia en tecnologías de manufactura aditiva, ya que instaló su primera máquina DMLS de EOS a principios de la década de 2000, según su gerente general, Chris Piedici.

La última incorporación de Addman es Dinsmore Inc., una empresa con sede en Irvine (California) especializada en la manufactura aditiva de polímeros, desde la deposición de filamento fundido (FFF) hasta el sinterizado selectivo por láser (SLS) para prototipos y aplicaciones de producción.

Entre sus plantas, Addman tiene acceso a una amplia gama de máquinas-herramienta, incluidos VMC de tres y cinco ejes, HMC de cuatro y cinco ejes, tornos CNC, torno-fresadoras, electroerosionadoras de hilo y máquinas rectificadoras.

Esta gama de capacidades resulta especialmente útil, porque a veces las piezas impresas en 3D requieren máquinas-herramientas especializadas. Por ejemplo, las piezas impresas en 3D son cada vez más grandes. Como Addman tiene acceso a una máquina de cinco ejes con una gran área de trabajo, puede producir piezas metálicas impresas en 3D de gran tamaño.

Piezas y requisitos para la integración

En cuanto a los tipos de piezas que se imprimen en 3D, Markley afirma: “Hay de todo un poco. Vemos algunos y distintos drivers de valor”. Los temas comunes son el uso de piezas impresas en 3D como sustitución de piezas de fundición, que han tenido plazos de entrega “absurdos” durante un tiempo.

También es una buena aplicación para materiales refractarios, como los que trata Castheon, que se utilizan en componentes de vuelos espaciales como los propulsores. Puesto que estos materiales son difíciles de conseguir y muy caros, es importante utilizar la menor cantidad posible para que la “relación de compra a operación” sea menor.

Estos materiales también son difíciles de mecanizar, por lo que las piezas impresas en 3D requieren menos mecanizado que las fabricadas a partir de existencias. En la planta de Harbec también se imprimen en 3D herramientas para moldes con canales de refrigeración conformados.

Independientemente del material, el proceso y el uso final, las piezas impresas en 3D tienen requisitos que cumplir.

“Todo lo que tendría que cumplir una pieza mecanizada, lo seguimos teniendo con el componente aditivo”, comenta Markley.

Entre ellos se incluyen las tolerancias y los requisitos de acabado superficial. Si el proceso de manufactura aditiva no puede cumplir estos requisitos por sí solo, la pieza debe mecanizarse. De hecho, Markley afirma que la mayoría de las piezas impresas en 3D que produce Addman necesitan algún tipo de tratamiento posterior.

Colaboración para encontrar el proceso de manufactura correcto

“En el caso de los aditivos metálicos, todo el trabajo se realiza en la fase inicial, antes de empezar a fabricar las piezas”, explica Markley.

Los ingenieros de Addman establecen todo el proceso de producción de la pieza, desde el diseño hasta el acabado. Los ingenieros solicitan las impresiones de la pieza y revisan las notas para comprender plenamente los requisitos.

La primera pregunta que se hacen es si realmente se necesita imprimir la pieza en 3D. Esta es otra de las ventajas de tener el mecanizado y la impresión 3D dentro de la misma organización. “Vamos a ayudar a nuestro cliente a encontrar la modalidad de manufactura correcta”, dice Markley, ya sea impresión 3D y mecanizado o solo mecanizado.

Si la pieza o el volumen son más adecuados para el mecanizado o el moldeo por inyección que para la impresión 3D, Addman puede mecanizarlo o moldearlo, y así lo hará, ya que el proceso podría adaptarse mejor a las necesidades del cliente.

Los ingenieros también tienen en cuenta si estas necesidades podrían cambiar con el tiempo. Piedici señala que quizá la manufactura aditiva sea la mejor solución para la producción a corto plazo, pero el mecanizado o el moldeo por inyección tienen más sentido a largo plazo.

Si se determina que la pieza es la más adecuada para la impresión 3D, la empresa realiza una “inmersión profunda” para determinar los posibles retos de manufactura y cómo abordarlos. El equipo colabora estrechamente con los clientes a lo largo de este proceso para garantizar que las piezas finales satisfagan sus necesidades.

“Los acabados superficiales, las tolerancias, etc., pueden repercutir en los costos, pero pueden no ser fundamentales para el diseño final del cliente —afirma Markley—. Así que tener un equipo que hable los dos idiomas es, sin duda, una ventaja”.

La colaboración también es interna. Harbec ensambla un equipo para proyectos más grandes que incluye líderes de los departamentos pertinentes (AM, mecanizado, moldeo por inyección, etc.).

“La comunicación: tener a un operario bajo el mismo techo que mis ingenieros de aditivos es oro”, dice Markley. Esto resulta clave porque los ingenieros deben tener en cuenta una serie de consideraciones a la hora de mecanizar piezas impresas en 3D:

• ¿Cómo se removerá la pieza o piezas de la placa de construcción?
• Cómo se removerán las estructuras de soporte: ¿manualmente o mediante mecanizado?
• ¿Existen elementos que puedan utilizarse como puntos de referencia para el mecanizado y cómo se recogerán?
• ¿Cómo se sujetará la pieza para el mecanizado?
• ¿Necesita la pieza existencias adicionales? Si es así, ¿cuánto y dónde?

Es importante tener todo esto en cuenta antes de imprimir, porque cuando una pieza impresa en 3D llega al proceso de mecanizado, ya se le ha añadido mucho valor y, por lo tanto, es cara de desechar.

“Es muy diferente a partir de un trozo de pieza de partida —señala Markley—. Así que disponer de esa solución integrada tiene un valor incalculable”.

Sistema de sujeción de piezas

Uno de los retos que requiere más atención es el sistema de sujeción. “Resulta fundamental asegurarse de que se tienen buenos puntos de referencia para coger la pieza y que está bien sujeta”, afirma Markley.

Esto se convierte en un reto aún mayor cuando se utiliza la impresión 3D para crear determinadas características.

“Una de las principales ventajas de la manufactura aditiva de metales es que solo tienes que poner material donde lo necesitas. Así que tiende a ver paredes extremadamente delgadas y piezas de baja rigidez —dice—. No se trata solo de cómo sujetar el componente, sino de cómo mantenerlo quieto cuando se tienen componentes de paredes tan finas, y luego asegurarse de que no se cortan las paredes y de que aún queda material de sobra para que el diseño cumpla los requisitos”.

Por eso los ingenieros suelen diseñar piezas impresas en 3D en torno a la fijación, y añadir pestañas o características para localizar la pieza. Otra opción es mecanizar la pieza mientras está sujeta a la placa de impresión, lo que resulta útil para taladrar y roscar orificios o cortar paredes finas cuando sujetar la pieza sería más difícil tras su remoción de la placa de impresión.

Addman también aprovecha sus capacidades de impresión 3D de polímeros. No solo puede imprimir en 3D sistemas de sujeción de polímeros para mecanizar piezas metálicas, sino que también imprime en 3D versiones en polímero de componentes aditivos metálicos, que luego mecaniza para probar soluciones de sujeción.

“Piense en ello como si cortara la pieza de aluminio antes de cortar la de titanio. Es mucho menos costoso estropear una pieza de plástico de 30 dólares que una pieza de metal de 30.000 dólares —afirma Markley—. Es una buena comprobación instintiva para asegurarse de que todo va según lo previsto”.

Consolidación de la cadena de proveeduría

Además de garantizar la calidad de las piezas, tener todos estos procesos dentro de una misma empresa les permite a los clientes consolidar sus cadenas de proveedores.

“Trabajamos con una gran variedad de clientes que no solo quieren una modalidad de manufactura —dice Markley—. Nuestros clientes quieren una solución integrada de cadena de proveedores en la que tengan un número de proveedor, tengan una persona o un pequeño equipo con el que tratar, para averiguar cómo conseguir piezas”.

Addman también puede consolidar todos sus conocimientos y experiencia en manufactura aditiva y compartirlos con toda la organización. Los materiales impresos en 3D se cortan de forma diferente a los materiales producidos por métodos convencionales.

Markley señala que cuando un taller compra material, obtiene un informe de certificación de la fábrica que proporciona un registro certificado de las propiedades físicas y químicas de la materia prima. Pero cuando un taller imprime en 3D una pieza metálica, crea las propiedades físicas y químicas del material. Por ejemplo, el material impreso puede tener diferentes estructuras de grano porque la velocidad de enfriamiento hace que se solidifique de forma diferente al material en bruto. Esto les confiere a las piezas impresas propiedades de corte diferentes a las del material original, y conocer estos detalles ayuda a mecanizarlas.

Otro beneficio potencial de la consolidación es la reducción de los plazos de entrega. Harbec almacena una gran variedad de polvos metálicos y, en función de la geometría de la pieza, puede tener las impresoras 3D en funcionamiento en 24 horas.

Por ejemplo, Piedici describe cómo, al principio de la pandemia, Harbec pudo construir rápidamente herramientas de moldeo con el fin de fabricar casetes médicos para las inspecciones de COVID-19. “Obtuvimos la geometría un viernes y estábamos moldeando piezas un lunes”, afirma.

Harbec no habría podido lograr esta hazaña sin tener acceso a tecnología aditiva y sustractiva y a equipos que saben colaborar. “Ese es el potencial de los departamentos que pueden trabajar juntos —afirma—. Se pueden resolver problemas de ingeniería realmente críticos en poco tiempo, reuniendo a la gente para que piense tanto aditiva como sustractivamente”.

Al fin y al cabo, la manufactura aditiva es una forma de fabricar piezas. “Es como cualquier otro método de manufactura: hay normas y limitaciones que debemos respetar —dice Markley—. Solo que son reglas y limitaciones diferentes”.