Robots frente a CNC para la fabricación aditiva de metal automatizada

May 18, 2023

Por David Alatorre, CTO, Rivelin Robotics

El uso de la fabricación aditiva de metal ha revolucionado la industria de la fabricación, permitiendo la creación de piezas complejas e intrincadas de una manera más rápida y rentable. Sin embargo, el posprocesamiento esencial de estas piezas introduce restricciones financieras y de tiempo en el costo total por pieza que puede anular los beneficios de la fabricación aditiva por completo. La eliminación del soporte es el primer paso crítico del posprocesamiento de piezas de metal AM, y es un desafío. Hoy en día, los soportes siguen siendo esenciales para la fidelidad de las piezas durante el proceso de fabricación, pero deben eliminarse para lograr el producto terminado requerido con la forma, las características y las tolerancias deseadas.

Si bien la eliminación manual de soportes sigue siendo el statu quo para muchas aplicaciones de metal AM, este artículo abordará la transición a soluciones automatizadas de eliminación (y acabado) de soportes y considerará las ventajas y desventajas de usar sistemas de control numérico por computadora (CNC) versus la versatilidad y fiabilidad de los robots.

¿Apoyar o no apoyar? Existe el argumento de que el dilema de la eliminación de soporte en AM eventualmente se resolverá con la llamada impresión sin soporte. Por supuesto, este sería el objetivo final, permitir una total libertad de diseño con una eficiencia de recursos optimizada, donde las materias primas y la energía solo se utilizan para fabricar la pieza final y no los soportes.

Desafortunadamente, el sector AM aún no está allí y, si bien los soportes se minimizan a través del diseño, siguen siendo, y lo serán en el futuro previsible, una necesidad. Minimizar la cantidad de material y energía utilizada para los soportes es lo correcto en casi todas las situaciones, pero también puede comprometer la libertad de diseño y perjudicar la funcionalidad deseada de la parte de uso final que, por ejemplo, puede necesitar ser diseñada con cavidades llenas o voladizos que conducen a la pérdida de peso ligero. Los diseños generativos también pueden estar restringidos innecesariamente para obtener los ángulos necesarios para soportes reducidos.

Un enfoque en la reducción del soporte también puede afectar la eficiencia del proceso. Por ejemplo, es posible que las piezas largas deban construirse en una orientación específica y, por lo tanto, ocupen una mayor parte de la placa de construcción, y las construcciones apiladas pueden volverse poco prácticas debido a las estructuras de soporte interconectadas.

En resumen, si bien siempre debemos esforzarnos por obtener menos soporte, actualmente siguen siendo una herramienta necesaria para las aplicaciones AM más complejas.

Posprocesamiento manual Sorprendentemente, la eliminación manual del soporte sigue siendo el proceso elegido por la mayoría de los usuarios de AM en la actualidad. Requiere técnicos altamente capacitados para quitar los soportes con todo tipo de herramientas manuales tradicionales. Las Dremel también son útiles. Está probado y probado, pero requiere habilidad, resolución de problemas y creatividad. Puede adaptarse bien a entornos de producción de bajo volumen y mezcla alta.

Sin embargo, la eliminación manual del soporte también consume mucho tiempo, requiere mucha mano de obra y es complicada, con polvo tóxico que requiere PPE o entornos protegidos. El riesgo de ignición y explosión del polvo y las lesiones por esfuerzo repetitivo son problemas comunes. Además, no se puede repetir con precisión con la variabilidad de una persona a otra e incluso de un turno a otro, lo que provoca problemas de control de calidad y aumentos en la tasa de desechos. También es difícil escalar si la demanda de piezas AM comienza a aumentar significativamente.

Automatización Ha habido algunos avances con las soluciones para automatizar el posprocesamiento de piezas metálicas de fabricación aditiva. La más común ha sido la utilización de fresadoras CNC, una tecnología comprobada para una variedad de aplicaciones de fabricación, incluido un enfoque híbrido de AM. Son innegablemente precisos y repetibles. Sin embargo, el hecho de que algo sea común y tenga un buen historial en algunas áreas no significa necesariamente que sea siempre la mejor solución.

El CNC puede funcionar bien si la pieza en cuestión tiene tolerancias estrechas y donde la planitud, la circularidad, la concentricidad o las dimensiones deben estar dentro de unas pocas micras. También es la tecnología preferida para la eliminación de soportes en construcciones de lotes grandes donde las geometrías son simples o se prestan a una fácil fijación en solo un par de orientaciones. Del mismo modo, puede ser una buena opción para impresiones en las que la eliminación de la plataforma con un CNC EDM se encarga de la mayor parte del soporte.

Sin embargo, las máquinas CNC no son una buena solución para componentes de paredes delgadas, construcciones apiladas que ahorran espacio y piezas con estructuras de celosía o soportes separables. También es justo decir que a los programadores de CNC no les gustan las formas orgánicas únicas de diseño generativo con curvas compuestas.

Esto comienza a aclarar y fortalecer el argumento en contra de CNC para la eliminación de soporte en el ecosistema AM.

Uno de los principales impulsores de AM es la flexibilidad de diseño que permite a los usuarios iterar, personalizar y actualizar componentes de un lote a otro. Eso significa que es raro que las empresas que utilizan AM para la producción inviertan en una automatización industrial rígida. Cualquier iteración, cualquier cambio en el diseño significaría una nueva trayectoria CNC para una nueva trayectoria de herramienta y tendría un alto costo. AM necesita que esta flexibilidad de diseño se lleve a cada paso de la cadena del proceso de fabricación.

El problema es similar para herramientas y accesorios. Los tipos de accesorios de alta precisión necesarios para la automatización industrial rígida simplemente no tienen sentido a menos que esté preparado para comprometerse con un diseño a largo plazo.

Y luego está el problema de la variabilidad de lote a lote. Incluso si tuviera un accesorio perfecto y una ruta de herramienta perfecta, confiar en una superficie de soporte perfectamente predecible directamente de la impresora puede no ser la mejor idea. Esto se debe a que se espera que AM admita la desviación para que las piezas AM no tengan que hacerlo. Los soportes AM se hacen delgados para maximizar el uso de material en polvo. Se hacen conexiones delgadas al componente para minimizar los testigos de la superficie y facilitar la separación del andamiaje. La composición del material incluso cambia entre lotes a veces, lo que significa que los soportes pueden verse y comportarse de manera diferente de un lote a otro.

robots Por lo tanto, AM necesita una automatización que pueda adaptarse a la variabilidad, especialmente para el soporte y la eliminación de testigos. Y este desafío se ha resuelto mediante el uso de software sofisticado y sistemas de inteligencia artificial para ayudar a generar trayectorias de herramientas y movimientos de robots sin movilizar a todo un equipo de ingeniería de sistemas. Esto permite una iteración rápida, así como la automatización de lotes pequeños.

El escaneo 3D se puede usar para ubicar piezas en lugar de accesorios de alta precisión, lo que significa que las impresoras FDM de escritorio se pueden usar para hacer accesorios de plástico rápidamente sin preocuparse por la precisión o los cambios en el diseño. Además, los sensores de fuerza se pueden usar para sentir la superficie y adaptar el mecanizado en consecuencia, para dedicar más tiempo a los puntos elevados hasta alcanzar la forma final o para pulir hasta obtener un acabado uniforme.

Una gran ventaja es que se puede utilizar cualquier herramienta para la eliminación y el acabado del soporte. Si ya se sabe qué herramientas funcionan bien con los materiales o los tipos de soportes impresos, las mismas herramientas se pueden conectar a un robot para automatizar con mayor confianza. Con la tecnología actual, los pasos para agregar una nueva herramienta personalizada son básicamente como agregar un nuevo tipo de fresa a una máquina CNC y no requieren un integrador de sistemas que cobra por hora.

Los robots están emergiendo como una solución superior en comparación con las máquinas CNC para la extracción automatizada de soportes de piezas metálicas AM debido a su velocidad, eficiencia, flexibilidad, precisión, repetibilidad, seguridad, rentabilidad y sostenibilidad. El uso de robots en este proceso no solo da como resultado un producto mejor terminado, sino que también proporciona un proceso de fabricación de extremo a extremo más seguro, sostenible y rentable.

Controlador basado en microprocesador dedicado a una máquina herramienta que permite la creación o modificación de piezas. El control numérico programado activa los servos de la máquina y los accionamientos del husillo y controla las diversas operaciones de mecanizado. Ver DNC, control numérico directo; NC, control numérico.

Controlador basado en microprocesador dedicado a una máquina herramienta que permite la creación o modificación de piezas. El control numérico programado activa los servos de la máquina y los accionamientos del husillo y controla las diversas operaciones de mecanizado. Ver DNC, control numérico directo; NC, control numérico.

Proceso que vaporiza materiales conductores mediante la aplicación controlada de corriente eléctrica pulsada que fluye entre una pieza de trabajo y el electrodo (herramienta) en un fluido dieléctrico. Permite mecanizar formas con precisión ajustada sin las tensiones internas que suele generar el mecanizado convencional. Útil en la fabricación de troqueles.

Fresa sujetada por su vástago que corta por su periferia y, si así está configurada, por su extremo libre. Admite una variedad de formas (extremo simple y doble, desbaste, punta esférica y extremo de copa) y tamaños (stub, mediano, largo y extralargo). También viene con diferentes números de flautas.

Dispositivo, a menudo de fabricación propia, que sujeta una pieza de trabajo específica. Ver plantilla; fijación modular.

Mecanizado con varias fresas montadas en un mismo eje, generalmente para corte simultáneo.

Material ligero y abrasivo utilizado para el acabado de una superficie.

Operación de mecanizado en la que se elimina metal u otro material aplicando potencia a un cortador giratorio. En el fresado vertical, la herramienta de corte se monta verticalmente en el husillo. En el fresado horizontal, la herramienta de corte se monta horizontalmente, ya sea directamente en el husillo o en un eje. El fresado horizontal se divide aún más en fresado convencional, donde el cortador gira en dirección opuesta a la dirección de avance, o "hacia arriba" en la pieza de trabajo; y fresado ascendente, donde el cortador gira en la dirección de avance, o "hacia abajo" en la pieza de trabajo. Las operaciones de fresado incluyen fresado plano o superficial, fresado final, fresado frontal, fresado en ángulo, fresado de formas y perfilado.

Cualquier equipo controlado que permite a un operador programar su movimiento ingresando una serie de números y símbolos codificados. Véase CNC, control numérico por computadora; DNC, control numérico directo.

Términos que denotan un programa formal para monitorear la calidad del producto. Las denotaciones son las mismas, pero QC generalmente connota un sistema de inspección posterior al mecanizado más tradicional, mientras que QA implica un enfoque más integral, con énfasis en la "calidad total", principios generales de calidad, control estadístico de procesos y otros métodos estadísticos.

Disciplina que involucra dispositivos autoactuantes y autooperativos. Los robots imitan con frecuencia las capacidades humanas, incluida la capacidad de manipular objetos físicos mientras evalúan y reaccionan adecuadamente a diversos estímulos. Véase robot industrial; robot.