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3D Printing and 3D Systems printers 3D Printing and 3D Systems printers
Ensamblajes de piezas consolidados

Ensamblajes de piezas consolidados

julio 11, 2017 in Caso estudio, Caso estudio, Caso estudio, Caso estudio, Noticias, Noticias, Noticias, Noticias

Consolidar piezas complejas ensambladas de distintos componentes en un diseño impreso 3D ahora tiempo y dinero.

 

Seleccionar una pieza que fue ensamblada a partir de diferentes componentes y reducirla a una pieza 3D impresa tiene beneficios obvios como la reducción de peso. Pero también existen otras propuestas valiosas que comienzan en el principio de la fase de diseño y engloban la fiabilidad y seguridad de su uso final.

 

Por ejemplo, un conducto de ventilación. El original, cuyo diseño normalmente consiste en 16 componentes individuales – la carcasa externa, un deflector interno al igual que tornillos y arandelas. Ahora, coja esa pieza y rediséñela para su fabricación con una impresora 3D: Una pieza, un componente. O, en el otro extremo de la escala de complejidad, encontramos el ejemplo del ensamblaje de una cuchilla de turbina que se redujo de 300 componentes a una sola pieza.

“Cuando se observa la reingeniería de la misma pieza en un único componente consolidado, obviamente el primer impacto reside en que es una única pieza” dice Patrick Dunne, vicepresidente del desarrollo avanzado de aplicaciones para 3D Systems. “Es una pieza que necesita estar certificada, un prototipo.”

Como él explica, la propuesta de valor se extiende más allá del producto final. Comienza en la fase de diseño, con un ingeniero diseñando una única pieza con su funcionalidad final en mente, en lugar de 16 piezas que posteriormente deben ser ensambladas.

“De este modo, la propuesta de valor comienza tan pronto como se piense en usar la fabricación aditiva como herramienta de producción” declara. “No es solo un valioso propósito en la producción: es el valor de la simplificación de diseño. No hay herramientas en el proceso. Hay mucho menos trabajo. Siempre he dicho que la impresión 3D es solo un subconjunto de la automatización. Y si se piensa en los ensamblajes, todos los trabajadores en una planta automovilística se dedican a realizar ensamblajes. Y hay posibilidades de que se produzcan errores en esos ensamblajes si olvidas colocar un tornillo. O en el caso de los componentes que necesitan ser soldados, hay menos posibilidades de porosidad, o de defectos en la soldadura.” – Patrick Duane

Aplicación en el DISEÑO: ¿Ha encontrado alguna vez a ingenieros que son nuevos en impresión 3D volviendo al pensamiento tradicional – diseñando componentes pequeños que posteriormente tienen que ser ensamblados como en la fabricación tradicional? ¿O es la consolidación de la pieza demasiado inherente a la impresión 3D para que esto suceda?

DUNNE: Esa es una muy buena pregunta. Normalmente si introduces un archivo CAD que fue diseñado para la fabricación convencional en una impresora 3D, solo consigues una pieza más cara. No le añades ningún valor en absoluto. Y eso es un error que algunas compañías cometen cuando están realizando evaluaciones comparativas. Ellos mandan literalmente archivos STL y te piden que los imprimas todos, y luego ellos los soldan. Entonces lo observan y piensan “Bueno, eso es más caro que el vaciado, ¿por qué hacemos esto?” Y luego se retiran a otros asuntos. Es como cualquier otra tecnología, si no entiendes el valor de su finalidad, tiendes a no saber aprovecharlo. Si no lo aprovechas, no se puede derivar ningún beneficio y por tanto su capacidad se desconoce.

AD: ¿Cuáles son las limitaciones para la consolidación de las piezas? ¿Dónde se encuentra la electrónica integrada más vanguardista? ¿Juntas, bisagras, piezas móviles?

DUNNE: Hay muy poco electrónica integrada en curso, para ser sincero con usted. La mayoría es más académica o más experimental.

Los mecanismos integrados son derivados de componentes consolidados, y nosotros lo vemos. Hay un buen ejemplo en una carcasa electrónica donde una compañía tenía previamente una bisagra de plegado. La compañía dedicó muchos meses a intentar imprimir en 3D una bisagra de plegado adecuada, una pieza muy fina de plástico que se abrirá y cerrará. De hecho, es bastante difícil hacer una bisagra de plegado con una impresora 3D que sea tan buena como una bisagra de plegado moldeada por inyección, sólo por la naturaleza de los tipos de plásticos y la ductilidad de algunos de los plásticos que se utilizan.

De este modo, la compañía dedicó muchos meses a intentar refinar la bisagra de plegado. Al final del día se dieron cuenta, ¿por qué construir una bisagra plegable cuando podemos construir una bisagra real, una bisagra con un eje? Y entonces…los archivos CAD son esencialmente una bisagra ensamblada que funciona perfectamente, eran mejores que las modeladas por inyección. Se puede abrir y cerrar infinitamente; además integran un mecanismo de enganche, como un pequeño cierre a presión. De nuevo, acabaron con un producto que era mucho mejor.

Esa solución era el reflejo del trabajo de un ingeniero pensando fuera del rango habitual, sin intentar tomar un diseño de moldeado convencional para su posterior impresión 3D. La impresión 3D es una nueva herramienta dentro de la caja de herramientas que tiene puntos fuertes y debilidades, pero unas capacidades únicas y significativas cuando hablamos de la complejidad de diseño. Y por eso lo estaban aprovechando en este diseño de la bisagra.

AD: Eso concuerda con lo que estaba diciendo sobre alejarse del pensamiento convencional.

DUNNE: Eso es, cuando trabajo con ingenieros de diferentes compañías, se puede saber al instante cuando el diseñador lo consigue, porque enseguida están produciendo lo que yo llamo diseño de funcionalidad vs. Diseño de fabricación.

El proceso tradicional para el diseño es un proceso de compromiso de funcionalidad para hacer algo viable. Cuando se diseña para la fabricación, es un proceso de compromiso. Capacidad comprometida. Mientras que con la impresión 3D, cuando está trabajando con un ingeniero, ve que no piensa en las reglas tradicionales que han aprendido sobre como deberían o no deberían diseñar su producto, y piensan en mayor medida en los términos de diseño para la funcionalidad, y haciendo caso omiso de las restricciones de diseño para la fabricación, esencialmente.

AD: Mirando al futuro, ¿existen nuevos materiales que permitirán la consolidación de las piezas que no era posible en el pasado?

DUNNE: En el frente de los metales, si miras hacia el titanio ahora mismo, el titanio derivado de las impresoras 3D es mejor que el titanio fundido, significativamente mejor que l titanio fundido. Algunos de los titanios con fines médicos tienen propiedades que son resistentes a la fatiga cíclica y además son dúctiles. Esto es muy interesante, porque la gente tradicionalmente se ha dicho a sí misma “los materiales que resultan de una impresión 3D no son comparables con los de las piezas fabricadas convencionalmente” Pero, de la manera en que las cosas se están desarrollando, parece que estamos listos para alcanzar esas propiedades de tecnología de impresión 3D y de hecho podemos sobrepasar esas capacidades de fabricación convencional.

AD: ¿Cómo es esto posible?

DUNNE: En el caso del titanio, estás cogiendo titanio puro y produciendo el polvo en un ambiente de argón sin exposición al oxígeno. Lo estas colocando en una máquina que está construyendo el titanio en un nivel de oxigeno de 25 partes por millón, una vez más, un ambiente puro. De este modo consigues piezas de metal microestructuralmente puros que son mejores que los que se consiguen incluso con fundición. Con fundición, hay contaminación del crisol y existe turbulencia en el temple al verterlo en un molde y el enfriamiento a granel.

Lo que estamos viendo ahora es que cuando se trata de la adversidad de riesgo, creo que vamos a ver un punto de inflexión donde producimos las piezas con una tecnología digital, en contraposición a una tecnología analógica. Si se piensa en el moldeado como un proceso análogo, se derrite, cuela y existen gases, el enfriamiento a granel y la contracción, tensión y distorsión.

En contraposición a un proceso digital donde se está fabricando cada vóxel de ese componente usando un láser que está bajo un control de energía de una frecuencia muy alta. Se llega a un determinado punto donde habría más riesgo usando las técnicas tradicionales que las técnicas digitales.

AD: ¿De qué forma podemos reducir los riegos de la consolidación de piezas?

DUNNE: Si se observa el ensamblaje de la cuchilla de la turbina GE, tradicionalmente estaba formado por 300 piezas. Requirió de 60 ingenieros de diseño para diseñar y montar 300 piezas. La versión consolidada del producto, es un único archivo. Esa es la consolidación de la pieza en un radio de 300:1. Y de nuevo, como no se están desarrollando componentes individuales que necesiten ser unidos, pasó de 60 ingenieros a 8 ingenieros de diseño, algo bastante notable.

Cuando se pasa de 300 piezas a una, es mucho más simple, y esto resulta en ahorro de tiempo y dinero y errores y componentes que no encajan y proveedores y certificados.

Y el mayor avance es la aversión al riesgo.

Si tienes 300 piezas individuales que están expuestas a un perfil de riesgo, y entonces ensamblas esas 300 piezas, cada línea de unión, cada tornillo, cada uno de sus rincones debe ser inspeccionado para observar si representa riesgo debido a puntos en los que se encuentren fallos. Pero, si es una sola pieza, no hay líneas de unión.
AD: ¿Qué piezas se pueden fabricar hoy en día con fabricación aditiva que no se podían fabricar anteriormente?

DUNNE: En medicina, las jaulas de fusión espinal son un buen ejemplo. Una jaula de fusión óptima tiene dos características. Una, es que posee una estructura de enrejado porosa integrada en su geometría. El propósito de esta estructura de enrejado porosa es doble. Uno, permite crecimiento de hueso y así llegar a lo que denomina osteointegración. Se obtiene una buena fusión entre el hueso y el implante. Las células de hueso crecerán en la porosidad. Y lo segundo es que los ingenieros son capaces de modular selectivamente la densidad de la estructura del enrejado, en el implante que flexiona de una manera que es un reflejo de la estructura ósea verdadera.

Si miras una estructura de hueso real, tiene esencialmente una estructura de enrejado. Y a través de la ingeniería para crear una estructura de enrejado y convertirla en implante previene un fenómeno que se conoce como descarga de tensión. De este modo, los implantes de titanio fabricados tradicionalmente – eran mecánicamente robustos y fuertes – pero el problema con los implantes CNC es que la estructura del hueso en la parte superior, inferior y posterior al implante tiene tendencia a desgastarse en función de la atrofia. Porque si el implante mantiene la tensión y la compresión, el cuerpo comenzará esencialmente a disolver las células de hueso y a quitarlas porque no están realizando ninguna función. Pero mejorando intencionalmente la flexibilidad y la debilidad en un implante, se previene la descarga de tensión.

Así que, si miras a la industria médica y a todas las compañías de grandes implantes que están utilizando impresoras 3D, están produciendo implantes que son mejores que cualquier otra cosa que hayan sido capaces de fabricar con anterioridad con técnicas convencionales. Está permitiendo la creación de nuevos productos y nuevas capacidades.

Esta entrevista fue editada por la extensión.

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