¿Cómo combinar la fabricación aditiva y sustractiva en la cadena de producción?

En estos últimos años, la fabricación aditiva y sustractiva ha ganado popularidad, impactando notablemente en todo el mundo. Gracias a muchos de los avances tecnológicos, hay una amplia variedad de industrias que ya se benefician de la llamada “fabricación híbrida” para la creación de piezas finales. Aunque existen diferencias entre ambos métodos de producción, se pueden utilizar de forma complementaria para sacar el máximo provecho de ellos. Sin embargo, es importante conocer en detalle en qué consisten estas tecnologías con el fin de poder implementarlas en una empresa. Para abordar este tema, hemos hablado con tres expertos de la industria manufacturera. Ellos nos dieron su opinión y sus consejos para implementar la fabricación aditiva y sustractiva de forma óptima en la cadena de producción.

En primer lugar tenemos a Peter Genovese, ingeniero de aplicaciones de impresión 3D para SolidCAM Additive. Lleva casi una década trabajando con tecnologías aditivas y aprovecha su experiencia profesional para determinar cómo encajan mejor las tecnologías aditivas en diversos entornos de fabricación. Elena López trabaja como jefa de departamento de fabricación aditiva en Fraunhofer IWS. Además, es profesora adjunta de fabricación aditiva y representante de Women in 3D Printing como Directora Regional de Europa. Por último, Brian Kristaponis, es el Director General de la División Híbrida dentro de Phillips, proveedor líder de soluciones de fabricación  y nuevas tecnologías para una amplia variedad de mercados.

Características de la fabricación aditiva y sustractiva

Antes de hablar sobre cómo implementar la producción híbrida, es importante entender las diferencias significativas entre ambos métodos. Por un lado, la fabricación aditiva consiste en la superposición de material, capa a capa, hasta crear la pieza deseada. Dentro de la familia de tecnologías de impresión 3D encontramos: extrusión de material, inyección de material, inyección de aglutinante, fotopolimerización en cuba, fusión por lecho de polvo, deposición de energía directa y laminación. Por otro lado, la fabricación sustractiva se basa en la creación de piezas mediante la extracción de material de un bloque o pieza mayor. Dentro de estos procesos sustractivos encontramos: mecanizado CNC (fresado, torneado, taladrado, mandrinado, rectificado), corte por láser, mecanizado por descarga eléctrica y corte por chorro de agua.

Ambos procesos de fabricación tienen sus puntos fuertes y sus propias limitaciones, por lo que será necesario conocerlos para entender qué se debe usar en cada caso. Veamos ahora los beneficios que puede obtener una empresa al combinar estas dos tecnologías. El experto de SolidCAM, Peter Genovese, explica: “Una de las principales ventajas de la fabricación híbrida es la posibilidad de utilizar la impresión 3D para imprimir primero una geometría orgánica muy compleja que, de otro modo, sería imposible producir únicamente con mecanizado sustractivo. A continuación, se utiliza el mecanizado sustractivo para alcanzar los altos niveles de precisión dimensional y tolerancia ajustada necesarios en las características críticas de la pieza”. Como estamos viendo, la fabricación híbrida combina la aditiva y sustractiva, tomando lo mejor de ambos procesos e incorporándolos en una sola máquina.Así, la producción híbrida agiliza y facilita la creación de piezas finales para las industrias más exigentes.

Con respecto al proceso en su conjunto, Brian Kristaponis, añade: “Un proceso híbrido puede reducir la cantidad de material inicial necesario, lo que a su vez puede reducir el tiempo de ciclo para crear una forma casi neta. Puede permitir geometrías internas, reducir la necesidad de tamaños específicos del material de partida y disminuir los costes generales de utillaje al eliminar los procesos de mecanizado en bruto”. En este punto, cabe destacar la importancia de elegir el proceso adecuado, tanto aditivo como sustractivo, para sacar el máximo provecho en cada aplicación concreta.

A. Proceso de fabricación sustractiva / B. Proceso de fabricación aditiva.

Si nos centramos concretamente en la impresión 3D, vemos que cada tecnología tiene unas características clave que afectarán a la hora de usarla como complemento a la fabricación sustractiva. Así lo señala también Elena López, que explica: “No todas las tecnologías de fabricación aditiva son adecuadas para mejorar la escalabilidad de las piezas o realizar reparaciones de forma conveniente”. Los aspectos a tener en cuenta en esta elección incluyen: la resolución o tolerancia del proceso aditivo, los materiales compatibles con la tecnología y la necesidad de un postratamiento específico de las piezas. Este último punto del postratamiento, lo veremos más en detalle a continuación.

Fabricación híbrida: otros aspectos a tener en cuenta

Fuera del proceso de fabricación per se, también se debe entender la importancia de otros aspectos en la cadena de producción. Al hablar de la fabricación híbrida, la fase previa de diseño y el postratamiento posterior, juegan un papel fundamental. Conocer en detalle las funciones de ambos procesos permitirá a las empresas sacar el máximo partido de la producción aditiva y sustractiva para la creación de piezas finales óptimas.

La fase de diseño, por lo general, depende directamente del proceso de fabricación que se vaya a emplear para crear la pieza. Tanto Elena como Peter coinciden en que la fabricación aditiva y sustractiva por separado se encuentran con más limitaciones en términos de diseño. “No todos los diseños pueden procesarse en una máquina CNC. Especialmente las estructuras internas complejas pueden no ser el enfoque más razonable”, comienza López. A esto, Genovese continúa: “En general, con el mecanizado CNC, a medida que aumenta la complejidad del diseño, también aumenta la dificultad de mecanizar esa pieza. En cambio, con la tecnología aditiva, hay muchos casos en los que un aumento de la complejidad de la pieza no se traduce en una fabricación más compleja”.

Kristaponis concluye haciendo mención del proceso de diseño en una fabricación híbrida: “La complejidad de las características internas se presta muy bien a un proceso híbrido. Con un híbrido, se puede repetir el depósito y el mecanizado a lo largo de todo el proceso. Esto nos permite producir piezas con características internas mecanizadas de alta calidad que no serían posibles con un proceso estrictamente de fabricación aditiva o CNC”. Así, gracias a la combinación de ambas tecnologías, los diseñadores tienen una mayor libertad para idear piezas basándose en el rendimiento de estas, en lugar de estar limitados por un único método de fabricación.

El diseño es una fase importante en la fabricación híbrida. (Créditos. nTopology)

Por otro lado está la fase de postratamiento. Estos pasos son fundamentales en la mayoría de procesos de fabricación, ya que consigue un mejor acabado superficial de las piezas al tiempo que, en algunos casos, refuerza sus propiedades mecánicas para aplicaciones más exigentes. En este sentido, los 3 expertos coinciden en que es un aspecto crucial, no solo una vez se obtiene la pieza en bruto, sino incluso antes. Ya en el diseño del modelo se deberá tener en cuenta el tipo de postratamiento que se implementará, ya que la morfología de la pieza podría variar. De hecho, López explica: “la rugosidad superficial esperada, en función de los procesos híbridos utilizados, puede diferir de la de un proceso de impresión 3D simple. Si se utilizan tecnologías sustractivas, la cantidad de material que debe eliminarse debe tenerse en cuenta en el diseño y las rutas de procesamiento”.

Genovese coincide en este punto, pero además menciona las tolerancias de las piezas. “A menudo se pueden imprimir formas que no se pueden mecanizar. Si necesitas mecanizar posteriormente la pieza para conseguir tolerancias críticas, asegúrate de que puedes acceder a esos lugares una vez impresa la pieza con esas técnicas sustractivas más tradicionales”, explica Peter. Por último, Brian aborda el tema del postratamiento concluyendo: “Lo ideal es producir una forma casi neta con cantidades uniformes de material en todas las direcciones. Esto hace que el proceso de mecanizado sea más predecible y permite reducir el tiempo de mecanizado, ya que pueden reducirse u omitirse las operaciones de mecanizado de semiacabado”. Este último punto es interesante ya que, de lo contrario, nos encontraríamos con ciertos problemas. Si la pieza está subcontruida, no siempre es posible volver a depositarla, lo cual provocaría que la pieza quedara fuera de tolerancia.

En la fabricación híbrida, el postratamiento se utiliza para obtener el acabado superficial deseados. Con tecnologías de metal, se realiza mediante técnicas como el mecanizado CNC.

Últimos consejos de nuestros expertos

Peter Genovese: Acércate a alguien que ya haya recorrido este camino y te ayude a guiarte en tu propio viaje. El mundo de la fabricación aditiva y el mecanizado CNC es increíblemente amplio. El mero hecho de saber qué opciones existen, y mucho menos cómo se pueden aprovechar esas opciones juntas, es una tarea muy difícil. Encontrar consultores o empresas de sectores similares al suyo que hayan tenido éxito con la fabricación híbrida son recursos excelentes para ayudarle a filtrar todas las opciones.

Elena López: Hay que analizar detenidamente el caso de uso al que se aspira y evaluar qué es lo más importante para ellos. Añadir tecnologías de mecanizado CNC requiere contratar o formar a un experto en estas otras tecnologías. La solución de fabricación híbrida puede no ser la más económica en cuanto a costes, pero puede añadir flexibilidad para futuras aplicaciones.

Brian Kristaponis: Con las máquinas híbridas que utilizan máquinas CNC como sistema de control de movimiento, necesita una solución de software CAM que admita ambas tecnologías por igual. A medida que se introduzcan más máquinas en el mercado, las empresas de software destinarán más recursos a facilitar y agilizar la programación de estas máquinas y a lograr una integración perfecta entre aditiva y sustractiva.

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*Créditos foto de portada: Cenit