En la fabricación tradicional, el metal es alabado por su solidez, resistencia a la corrosión y durabilidad, entre otras propiedades. Y aunque eso nunca cambiará, el auge del uso de la fabricación aditiva con polímeros de alto rendimiento ha supuesto un avance asombroso. Cada vez se aprecia más la capacidad de sustituir metales por polímeros de alto rendimiento en la fabricación de piezas. Esto puede hacerse incluso en industrias críticas para la seguridad, como la aeroespacial, la automovilística y la ferroviaria.
Pero, ¿cuáles son las ventajas de cambiar las piezas de metal por otras fabricadas con polímeros avanzados? Y lo que es más importante, ¿qué herramientas se necesitan para garantizar que se hace de forma segura? Omni3D, conocida por sus impresoras 3D industriales, se ha erigido como una de las empresas líderes en este campo. Además, trabaja activamente para demostrar cómo es posible cambiar metales por polímeros de alto rendimiento en diferentes sectores. Echamos un vistazo a cómo es posible a continuación.
Un engranaje de polímero fabricado con la impresión 3D de gran formato de Omni3D
Ventajas de usar polímeros de alto rendimiento en lugar de metales
En primer lugar, es importante señalar qué son exactamente los polímeros de alto rendimiento. Estos termoplásticos destacan por sus increíbles propiedades como la resistencia a la corrosión, una relación resistencia-peso superior, durabilidad, estabilidad térmica, resistencia a la fluencia y resistencia química, entre otras. Para la fabricación aditiva, algunos de los más utilizados son el PEEK, el PEKK y el ULTEM, que ofrecen diferentes ventajas.
Una de las más significativas es la capacidad de reducir el peso. Aunque los metales cuentan con muchas ventajas, no se puede negar que son bastante pesados. Los polímeros de alto rendimiento son más ligeros y sus propiedades les permiten ofrecer un rendimiento comparable al de los metales. Esta reducción de peso es fundamental para industrias como la aeroespacial, la automovilística y la ferroviaria, ya que se traduce directamente en una mayor eficiencia en el consumo de combustible, un aumento de la capacidad de carga útil y una reducción del impacto medioambiental.
No sólo eso, sino que, al combinar polímeros de alto rendimiento con la fabricación aditiva, los beneficios son aún mayores. Esto se debe al hecho de que la impresión 3D permite la creación de piezas geométricamente mucho más complejas que en la fabricación tradicional, lo que ayuda a liberarse de las limitaciones heredadas. En particular, esto puede aprovecharse para optimizar los diseños y crear piezas aún más ligeras.
Una llave de registro metálica de un vehículo (arriba) que Omni3D sustituyó por una versión de polímero de alto rendimiento (abajo).
La fabricación aditiva también es conocida por cambiar las reglas del juego cuando se trata de mejorar las cadenas de suministro gracias a la capacidad de producir piezas bajo demanda. También es una alternativa viable cuando se trata de componentes rotos u obsoletos, especialmente los de metal. Utilizando polímeros de alto rendimiento y fabricación aditiva, la producción será significativamente más rápida y, por tanto, se reducirán los tiempos de inactividad.
Necesidades de equipamiento para polímeros de alto rendimiento
Sin embargo, hay una razón por la que los polímeros de alto rendimiento no pueden utilizarse para todas y cada una de las piezas fabricadas con impresión 3D. Y es que no sirve cualquier solución de fabricación aditiva. Para que los usuarios puedan aprovechar realmente las ventajas de estos termoplásticos y hacer frente a las demandas de producción a gran escala, se necesitan equipos de calidad industrial.
Una de las necesidades más importantes, por supuesto, es la compatibilidad de materiales. Si una máquina no tiene una cámara calentada o un extrusor que pueda alcanzar determinadas temperaturas, será imposible imprimir con polímeros de alto rendimiento. Un control preciso de la temperatura y un calentamiento uniforme son especialmente importantes para el rendimiento.
Otras cualidades ideales son un mayor volumen de fabricación para la producción de piezas más grandes y complejas, sistemas de control avanzados y mecanismos de precisión y, por supuesto, la capacidad de funcionamiento continuo y un tiempo de inactividad mínimo. También son preferibles los sistemas de materiales abiertos, ya que permiten a los usuarios experimentar con una amplia gama de filamentos y materiales. Esto es algo fundamental para optimizar las propiedades de las piezas y explorar nuevas aplicaciones.
Un cojinete de rueda metálico (derecha) y la versión de polímero de alto rendimiento fabricada por Omni3D para vehículos de la OTAN.
Un buen ejemplo de este tipo de equipos adecuados procede de Omni3D, líder en impresión 3D industrial. Las impresoras de gran formato de esta empresa están equipadas con cámaras calefactadas que han sido diseñadas para regular con precisión la temperatura a lo largo del volumen de construcción, así como la alteración constante de la temperatura para un calentamiento uniforme y evitar los puntos fríos. Esto ayuda a garantizar una cristalización óptima del material y a minimizar la deformación y otros defectos de las piezas.
Gracias a estas propiedades, son capaces de gestionar los exigentes requisitos térmicos de materiales como PEEK, PEKK y ULTEM. Además, el control de bucle cerrado garantiza que se mantengan los ajustes de temperatura precisos incluso en trabajos de impresión largos. Estas características son ideales para imprimir con polímeros de alto rendimiento. Aunque todavía hay problemas que deben superarse.
Cuando se combinan, se pueden fabricar piezas increíbles con polímeros de alto rendimiento. Tomando un ejemplo de Omni3D en el sector de defensa, la impresión 3D de gran formato con polímeros de alto rendimiento ayudó a la OTAN a mantener una flota de vehículos BMP-1. Estos tanques son activos clave para las fuerzas militares de la OTAN, pero pueden plantear un reto logístico importante, ya que la adquisición de piezas de repuesto para ellos es lenta y costosa. Los largos plazos de entrega pueden poner en peligro la disponibilidad operativa.
Omni3D demostró que la OTAN podía producir piezas funcionales de alta resistencia para los tanques directamente in situ. Al combinar esto con una biblioteca digital de componentes del BMP-1, las fuerzas militares de la OTAN pudieron evitar los retrasos en la cadena de suministro y garantizar el funcionamiento continuo de los vehículos con un tiempo de inactividad mínimo. En general, al recurrir a la fabricación aditiva, la OTAN experimentó una mejora significativa en el mantenimiento de la flota.
Otro ejemplo de sustitución de piezas metálicas por polímeros de alto rendimiento gracias a las soluciones de Omni3D es el de Luk-Plast. En este caso, la empresa tenía un problema en el que los rotores de latón de las bombas de vacío se desgastaban debido a la exposición a condiciones duras como productos químicos agresivos, agua y gas. Esto, combinado con el funcionamiento a alta velocidad y el servicio continuo que añadía tensión mecánica, provocaba sustituciones frecuentes, un aumento del tiempo de inactividad e ineficiencias en los sistemas ferroviarios.
Los rotores de la bomba de vacío de latón (derecha) y de polímeros de alto rendimiento (izquierda).
Una vez más, Omni3D pudo resolver el problema con piezas de polímeros. Más concretamente, se utilizó la impresora 3D Omni Pro y CF PA-12 para crear piezas duraderas que pudieran soportar estas condiciones extremas. La empresa señaló que el control preciso de la temperatura en la cámara calentada permitió que el componente impreso en 3D mantuviera su resistencia y estabilidad, incluso frente a productos químicos agresivos y altas tensiones mecánicas. Al final, la vida útil del rotor impreso en 3D mejoró considerablemente, lo que redujo los intervalos de mantenimiento y minimizó el tiempo de inactividad.
Del mismo modo, en el sector de la automoción, Omni3D pudo sustituir un colector de admisión metálico, un soporte de engranaje y una cubierta de junta para el equipo PRz Racing Team utilizando impresión 3D, CF PA-12 y TPU-93A. Las piezas de polímero resultantes eran ligeras, duraderas y resistentes al calor. Recurrir a la fabricación aditiva permitió flexibilidad en el diseño y una producción rápida y rentable, así como piezas más ligeras. El peso del colector de admisión se redujo en 1,5 kg en comparación con el equivalente de aluminio.
Estos ejemplos, entre otros, demuestran lo que se puede conseguir cuando se utilizan polímeros de ingeniería y alto rendimiento para sustituir a los metales, especialmente cuando se hace mediante fabricación aditiva. Sin embargo, eso no significa que no haya margen de mejora.
¿Qué se necesita para avanzar en el futuro?
Hay otro factor de vital importancia cuando se trabaja con polímeros de alto rendimiento: el elemento humano. En la actualidad, los ingenieros y técnicos no siempre cuentan con los conocimientos necesarios para utilizar la fabricación aditiva en aplicaciones industriales, especialmente cuando se trata de sustituir piezas metálicas por otras de polímeros de alto rendimiento. Este es otro ámbito en el que líderes del sector como Omni3D tienen un importante papel que desempeñar.
Los ingenieros que trabajan con polímeros de alto rendimiento deben tener conocimientos en una amplia gama de áreas. Entre ellas, la capacidad de evaluar la fabricación de los diseños de las piezas, saber utilizar el escaneado 3D y la ingeniería inversa, ser capaz de crear diseños CAD optimizados para la producción, seleccionar los materiales más adecuados en función de los requisitos de la pieza y del proceso de fabricación aditiva utilizado, ser capaz de ajustar con precisión la optimización de los parámetros de impresión y comprender las técnicas de postratamiento necesarias. Todo ello es importante para poder utilizar realmente las tecnologías y aprovechar sus ventajas.
Un colector de admisión fabricado para PRz Racing con las soluciones de Omni3D y CF PA-12.
Pero, ¿cómo es posible? Una forma es garantizar que los sistemas sean abiertos. Omni3D ha señalado que es importante mantenerlos abiertos para que los equipos utilizados para sustituir piezas metálicas por modelos 3D estén preparados para el futuro. Las plataformas y el software de código abierto contribuirán a aumentar la adopción, ya que los equipos técnicos pueden utilizar y probar las tecnologías de fabricación aditiva a su propio ritmo.
Un aspecto adicional es dar más prioridad tanto a la formación como a la asistencia. Omni3D se ha comprometido con ambos en los últimos años. Todo ellos a través de talleres prácticos, recursos en línea para el aprendizaje a ritmo propio, asistencia técnica en caso de problemas e incluso programas de formación personalizables. Así, la empresa espera permitir a las organizaciones aprovechar el potencial de la fabricación aditiva en la industria.
Este enfoque en la formación y la asistencia es uno de los factores más importantes que ayudarán a impulsar el paso de los metales a los polímeros de alto rendimiento, incluso para piezas críticas para la seguridad. Combinados con los propios materiales, así como con el equipo adecuado, se hace posible maximizar el uso de la fabricación aditiva e impulsar la innovación. Puedes obtener más información sobre cómo Omni3D lo consigue en el whitepaper gratuito, que puedes descargar aquí.
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