En alto volumen: mecanizado y manufactura aditiva por separado

La tecnología de manufactura aditiva avanza aún más mientras más se hace evidente que el valor real de la manufactura capa por capa no es el potencial de reemplazar el mecanizado convencional sino más bien complementarlo.

De hecho, algunos fabricantes de máquinas-herramienta están ofreciendo modelos híbridos que combinan tecnología aditiva y sustractiva en una sola plataforma. Sin embargo, dos proveedores de la industria afirman que, para aplicaciones de alta producción, separar las tecnologías y dejar que cada tipo de máquina haga lo que mejor sabe hacer, puede ser una mejor manera de maximizar el rendimiento total.

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De acuerdo con esa filosofía, Okuma America Corp. no tiene planes inmediatos de ofrecer su propio equipo aditivo. Ese lado de la ecuación corresponde al especialista en tecnología aditiva RPM Innovations, un fabricante de máquinas de deposición láser.

Mientras tanto, los socios de Okuma en la red de proveedores THINC ofrecen diversas opciones para vincular las máquinas dedicadas en una celda automatizada, si la aplicación requiere de un solo brazo robótico o de sistemas para pallets múltiples.

“Hacer dinero en aplicaciones de producción consiste en maximizar el tiempo útil”, dice Wade Anderson, gerente de ventas de productos especializados en Okuma. “La mejor manera para que esto suceda no es poner ambas tecnologías en una sola máquina, donde un proceso tiene que esperar a que el otro finalice, sino enlazar máquinas dedicadas a través de un sistema automatizado de manejo de materiales”.

El hecho de que un proceso es más lento que el otro refuerza el concepto de celdas en un entorno de alta productividad, dice Robert Mudge, presidente y fundador de RPM Innovations.

Operando desde archivos CAD, las máquinas de la compañía trabajan por inyección de polvo metálico directamente en el baño de fusión creado por un láser de alta potencia a medida que éste sigue el contorno de la pieza de trabajo, dejando depósitos con espesores entre 0.005 y 0.04 pulgadas y anchos de 0.04 a 0.16 pulgadas.

Aunque esta tecnología abre nuevas posibilidades para la creación de geometrías difíciles o imposibles de mecanizar en partes que van hasta 7 pies de alto y 5 pies de ancho, las tasas de deposición van desde una fracción de una pulgada cúbica por hora hasta aproximadamente 7 pulgadas cúbicas por hora. A ese ritmo, realizar torneado con un husillo para fresado puede ser poco práctico para piezas producidas en un volúmenes significativos, dice Mudge.

El costo de oportunidad de esa estrategia particular es especialmente alto, dado el hecho de que el mecanizado efectivo en costo de geometrías producidas de forma aditiva a menudo requiere un equipo capaz de ejecutar contorneado complejo en múltiples ejes, o acceso a la pieza en al menos cinco caras.

Sin embargo, con la carga y descarga de la automatización las máquinas aditivas pueden contribuir a un proceso de alta producción, trabajando junto con sus primas sustractivas, sin sacrificar la capacidad de fresado, afirman Anderson y Mudge.

Maximizar el tiempo de ciclo tanto del husillo como del láser asegura el proceso más rápido posible para las aplicaciones más comunes, como la construcción de curvas de nivel de álabes de turbina antes de su mecanizado, o la producción aditiva y el acabado por mecanizado de piezas automotrices y aeroespaciales que combinan bajo peso y alta resistencia, para garantizar la eficiencia del combustible.

Además, no hay ninguna razón por la cual una celda híbrida no pueda ejecutar también piezas que no requieren procesos aditivos, sobre todo si la capacidad aditiva está ocupada cuando se requiera.

Un desajuste significativo en la velocidad de procesamiento no es su único argumento para una configuración tipo celda. Los sistemas de deposición por láser de RPM están diseñados para evitar la oxidación del polvo metálico, manteniendo los niveles de oxígeno por debajo de 10 partes por millón (ppm) y el punto de rocío por debajo de -50 ° C en la zona de trabajo.

A pesar de que el gas protector, como el argón, puede prevenir la oxidación en una máquina que combina tecnologías aditivas y sustractivas, todavía hay potencial para aumento de los costos de los consumibles, afirma Mudge.

Dependiendo de la aplicación, una cantidad entre el 10 y el 80 por ciento del polvo de metal se aleja de la zona de deposición antes de que pueda ser absorbido en el sustrato de masa fundida, explica él. Si incluso una pequeña porción de este material se oxida, se puede suponer que la totalidad del lote es inutilizable, comenta. Y añade que el uso de una máquina aditiva dedicada elimina el riesgo de polvo metálico mezclado con las virutas y restos de refrigerante de las operaciones de sustracción.

Otra ventaja de una configuración celular es la facilidad con que otros procesos se pueden incorporar en el flujo de trabajo, según Anderson y Mudge. El alivio de tensión es una preocupación particular.

El mecanizado imparte de forma natural esfuerzos en el material de la pieza de trabajo, explica Anderson, esfuerzos que, en algún momento se liberarán causando que la pieza se salga de especificaciones.

Normalmente, los procesos como el tratamiento térmico alivian estas tensiones de una manera controlada y deliberada antes del mecanizado de acabado u otras operaciones posteriores. Ya sea contratada como servicio externo o ejecutada como trabajo propio, la incorporación de esta operación no interrumpiría considerablemente un proceso en el que las piezas se mueven de un equipo a otro en una línea automatizada, indican ellos. Lo mismo ocurre en el caso de la limpieza, el marcado, la inspección o cualquier otra estación posterior.

Sin embargo, los fabricantes optan por combinar tecnologías aditivas y sustractivas. Anderson y Mudge están de acuerdo en que el potencial de ahorro de tiempo y costo puede ser significativo. Como ejemplo hipotético, citan un trabajo que implica el mecanizado de una pieza de 200 libras a partir de un material forjado de 2,000 libras.

La posibilidad de añadir ciertas operaciones a través de deposición láser, en lugar de mecanizarlas a partir de material sólido, podría facilitar el uso de una pieza de forja más simple de 400 libras. Eso se traduce en el mecanizado de sólo 200 libras de viruta en lugar de 1,800. Dicho de otra manera, la incorporación de la tecnología aditiva permitiría producir nueve partes en lugar de una con la misma capacidad de mecanizado, independientemente de la configuración específica del taller.

Sin embargo, para un fabricante de alto volumen, que prioriza el rendimiento, la mejor ruta bien puede ser una configuración tipo celda que emplea máquinas independientes y dedicadas para maximizar el tiempo de ciclo de ambos procesos.