La producción aditiva no es nueva, pero las últimas técnicas ofrecen a los constructores automotrices más opciones de uso Producción aditivaEl uso de piezas producidas por adición en vehículos ya no es marginal y comienza a estar muy presente en el mercado de gama alta que destaca por los reducidos volúmenes y los elevados costes. Pero hay otros usos para las técnicas aditivas al margen de la producción final de piezas y su uso original de crear prototipos rápidamente. Una función que se ha extendido paulatinamente es la producción de utillaje de maquinaria, tanto herramientas de mano para los trabajadores de planta como accesorios para equipos como robots.

Alissa Wild es la directora de ingeniería de utillaje de producción en el proveedor de sistemas de producción aditiva Stratasys, con sede en Minneapolis, Minnesota, y afirma que esta área de aplicación está "infravalorada", aunque la situación está cambiando. Wild identifica varios motivos por los que los materiales y técnicas aditivas son adecuados para fabricar utillaje de producción. Uno de los motivos es que los dispositivos producidos de esta manera son menos costosos que los convencionales creados mediante mecanizado de control numérico computarizado (CNC). Pero otras ventajas son más cualitativas, y probablemente más importantes en su contribución a la efectividad de la producción.

El proceso de adición capa a capa es lento en sí mismo, pero se obtienen ventajas de otras maneras, por ejemplo a través de equipos internos de adición que se pueden dejar trabajando sin asistencia durante la noche. Otra ventaja es la facilidad de personalización para requisitos específicos, el más evidente es si las piezas se ensamblan luego en un dispositivo manual para el tratamiento de componentes en el taller. Wild destaca que estos dispositivos se pueden adaptar a las características físicas de los trabajadores, incluido el tamaño de la mano.

“El uso de producción FDM proporciona una mayor libertad en el diseño con indiferencia de la complejidad de la pieza, permite diseños perfectos y tiene un gran impacto en el tiempo de producción. En el caso de la boquilla de engrase, hemos reducido el tiempo de espera en un 70%” – Carlo Cavallini, GKN Driveline

GKN

En Florencia, Italia, GKN utiliza la producción aditiva para fabricar equipos como un dosificador de grasa y reduce así los tiempos de producción
Además, si se utiliza un polímero aditivo en lugar del metal mecanizado también existe la oportunidad de reducir el peso en el dispositivo final, hasta un 90% según Wild. Un dispositivo de mano que podría pesar hasta 10 kilos acaba pesando 1-2 kilos gracias a la producción aditiva, por lo que mejora considerablemente la eficiencia ergonómica, la efectividad del proceso y la salud y seguridad. Otra calidad aparentemente trivial, pero realmente útil, es que los dispositivos impresos se pueden producir en diferentes colores, lo que permite al trabajador de ensamblado seleccionar la herramienta adecuada a la primera.

GKN obtiene resultados excelentes en Florencia Una empresa que está explotando el potencial de la producción aditiva es GKN Driveline, que utiliza la tecnología en su planta de Florencia, Italia, donde produce componentes de transmisión de juntas homocinéticas constantes para la producción de Fiat Chrysler Automobiles y también para el ensamblado de la transmisión completa. Hasta hace poco la planta producción producía propias herramientas a partir de sus propios recursos de mecanizado CNC o de proveedores externos, pero esta manera de producción resultaba cada vez más ineficiente y costosa.

Según Carlo Cavallini, especialista de producción aditiva en Florencia, si se externaliza la producción de utillaje, "el tiempo de producción se extiende de dos a tres semanas". “Esto retrasa nuestra capacidad para realizar un análisis de viabilidad del nuevo utillaje de producción, algo esencial para el funcionamiento de nuestra línea de ensamblado", afirma. Las consecuencias no se limitan a la propia planta. “Si requerimos iteraciones del utillaje, se vuelven a aumentar los tiempos de espera y se produce una reacción en cadena en toda la cadena de suministro", declara.

Por lo tanto, la empresa decidió optar por la producción aditiva como solución interna y adquirió de Stratasys una impresora 3D Fortus 450mc de deposición de hilo fundido (FDM). Los resultados han sido muy positivos y en algunos casos cuantificables. Por ejemplo, antes contábamos con un dosificador de grasa que era un simple tubo flexible a través del cual se aplicaba la grasa en un único punto dentro de la junta del eje motriz, este proceso era propenso a los derrames y requería un laborioso proceso de limpieza manual que causaba costosas interrupciones en la producción. La solución fue la impresión de un dispensador con múltiples válvulas internas del material termoplástico Ultem 9085 de Stratasys que mejoró la distribución de grasa y elimino los derrames.

“El uso de FDM proporciona una mayor libertad en el diseño con indiferencia de la complejidad de la pieza, permite diseños perfectos y tiene un gran impacto en el tiempo de producción", explica Cavallini “En el caso de la boquilla de engrase, hemos reducido los tiempos de espera en un 70%. Esto ha sido crucial en la optimización del ciclo de producción del semieje, lo que nos permite proporcionar estas piezas al cliente más rápido que nunca".

La carrera de las piezas aditivas

McLaren MCL32 Honda; copyright Glenn Dunbar/McLaren El coche de carreras MCL32 F1 de 2017 utiliza piezas de producción aditiva, como el soporte de conducto hidráulico y el mazo de cables de radio
Esta temporada de Fórmula Uno ha experimentado un uso muy innovador de la producción aditiva: una máquina en pista para producir componentes de automóviles de competición inmediatamente antes del evento. La máquina en cuestión es la impresora 3D FDM de Stratasys uPrint SE Plus, el equipo McLaren F1 la utilizó para producir piezas pequeñas para cumplir con las necesidades en los ensayos antes de carrera, un intervalo de tiempo que sería difícil alcanzar por la lejanía de las pistas de F1 de la base del equipo en Woking, Reino Unido.

Otro elemento clave a favor de la tecnología es la comunicación instantánea, ya que la máquina produce piezas con los datos de diseño generados en Woking y que se transmiten a través de internet, se trata de una estructura que ejemplifica a pequeña escala la Industria 4.0. La máquina utiliza un material plástico de tipo ABS (acrilonitrilo butadieno estireno) que produce piezas tales como secciones aerodinámicas que no tienen mucha carga.

Pero la máquina ambulante es solo una parte de la historia. En el Reino Unido el equipo McLaren F1 está operando otras diez máquinas aditivas de Stratasys, ocho FDM y otras dos menos complejas con la tecnología PolyJet, en asociación con un proveedor de equipos que comenzó en enero de este año.

Según McLaren, su automóvil MCL32 F1 2017 cuenta con varias piezas aditivas, incluido un soporte de conducto hidráulico de un material tipo nylon reforzado con fibra de carbono y un ramal de cables de radio de un material tipo goma. Estos ejemplos ilustran las diversas aplicaciones de las técnicas FDM y PolyJet; y la capacidad de producir piezas rígidas y resistentes o componentes muy flexibles. McLaren también utiliza la técnica PolyJet para imprimir piezas de varios colores para producir copias de volantes y paneles de control integrados, lo que permite a los conductor comentar sobre factores de ergonomía como por ejemplo la facilidad de acceder a los interruptores.

Otro uso de la técnica FDM es la producción de herramientas de molde para la producción de componentes de materiales compuestos reforzados con fibra de carbono en tiempos de producción muy reducidos. Por ejemplo, se requieren tan solo tres días para producir una herramienta de 900 mm de ancho capaz de resistir la temperatura de autoclave de 177 ºC necesaria para producir una aleta.Amos Breyfogle, ingeniero de Stratasys para Europa, Oriente Medio y África desde Baden-Baden, Alemania, afirma que McLaren está “empujando al límite” la capacidad de la tecnología aditiva. La capacidad de producir soportes reforzados de fibra de carbono directamente con aditivos, por ejemplo, sustituye por completo la secuencia anterior de mecanizado de un molde de metal, la aplicación manual del material y la curación y corte de la pieza. En su lugar, asegura, el tiempo desde el diseño en pantalla a tener la pieza en mano es de tan solo "dos horas y media”.

La máquina de impresión también resulta útil cuando se descubrió que faltaba un soporte de cables en un nuevo robot. “Los soportes evitan que los cables interfieran con el movimiento del robot, sin el soporte la máquina no se garantiza el funcionamiento de la máquina", afirma Cavallini. Por ello se utilizó la máquina aditiva para imprimir un recambio, y lo que era una solución temporal resultó ser sorprendentemente efectiva. “El soporte imprimido en 3D superó nuestras expectativas de rendimiento y funcionalidad,” confirma Cavallini. “Hemos ahorrado por lo menos una semana de espera hasta recibir el repuesto del proveedor". El servicio que ofrece la impresora 3D no solo es el recambio, sino la continuidad del trabajo.

Ahora la empresa está ensayando nuevas soluciones de aditivos para problemas de producción donde la facilidad de personalización es crucial. Esto incluye complementos robóticos robustos para manipular componentes en la línea de producción. Los anteriores efectores terminales no solo eran difíciles de manejar, sino que debido a las limitaciones del mecanizado CNC, podían resultar inapropiados. Las técnicas aditivas permiten la producción de herramientas personalizadas de brazo para encajar en varias piezas individuales.

Además de un ahorro de tiempo sustancial, Cavallini afirma que el principal valor de la impresión 3D FDM es su capacidad de mejorar drásticamente el rendimiento de trabajo. Concluye: “La impresión 3D nos permite superar las barreras tradicionalmente asociadas al mecanizado CNC y nos ofrece la capacidad de nuestros diseños más complejos e imprimir herramientas a medida y bajo demanda. Esta capacidad nos permite mejorar nuestra flexibilidad de banco de taller, optimizar nuestro flujo de trabajo y eliminar costosos tiempos de parada en la línea de producción”.

BMW Los protectores para pulgares son uno de los primeros ejemplos de herramientas aditivas utilizadas en BMW

BMW cree en la tecnología aditivaPara ilustrar el hecho de que las tecnologías aditivas llevan tiempo utilizándose en la industria automotriz, hace dos años BMW celebró el 25 aniversario de su primer escarceo con esta tecnología. Ahora y al igual que entonces, el enfoque de la marca está en Múnich, donde opera su centro de producción aditiva, una planta destinada al desarrollo de aplicaciones, prototipos y producción directa, así como a la asistencia a actividades similares dentro del grupo.

El director del centro es Jens Ertel, quien confirma que estas actividades conllevan varios tipos diferentes de técnicas de aditivos, incluido el FDM y la soldadura láser selectiva de polvo metálico. Esta última técnica ya se ha utilizado para hacer un componente para la producción de un vehículo de carretera: un rotor de bomba de agua para el evento German Touring Car Masters de vehículos de carrera customizados. La producción de estos componentes comenzó en 2010 y la unidad 500 se produjo en 2015.

La marca Rolls-Royce es el otro uso conocido de piezas aditivas en vehículos de carretera dentro del grupo. Desde 2012, los vehículos Phantom II han utilizado varias piezas pequeñas de producción aditiva, incluidos soportes para los botones de cierre centralizado; se han producido más de 10,000 componentes de este tipo hasta mediados de 2016. También se sumaron a la lista los soportes de montaje de los cables de fibra óptica en el Rolls-Royce Dawn. Ambos vehículos han sido pioneros y tal y como explica Ertel se debe en gran medida a que los volúmenes de producción reducidos hacen que la producción aditiva resulte rentable.

Sin embargo, la producción de piezas aditivas en el centro de Múnich, que emplea a 50 trabajadores, es bastante elevada: producen unas 100,000 piezas anuales. Ertel afirma que se utilizan principalmente en la aplicación tradicional de los aditivos de producir prototipos rápidos, pero también en la producción de otros elementos de ayuda en la producción, como fijaciones y portapiezas, además de dispositivos para su uso por parte del personal del taller.

Regensburg en Alemania es otra planta del grupo BMW donde se realizan muchas instalaciones de equipos aditivos, principalmente FDM, donde el énfasis está en la producción de portapiezas y fijaciones para uso en la planta y en otros emplazamientos. Otra planta es la de Spartanburg, Carolina del Sur. Ambas instalaciones están conectadas al centro de Múnich para que puedan funcionar como recursos adicionales de producción cuando Múnich está a plena capacidad.

Ya está muy extendido en BMW el uso de apoyos para la producción para los trabajadores. Uno de los primeros ejemplos fue un protector para los pulgares que encaja a la perfección en el pulgar de cada trabajador de ensamblado gracias al registro con un escáner 3D de las medidas específicas. Estos dispositivos ayudan en el ensamblado de tapones de goma manualmente por ejemplo para sellar agujeros de drenaje durante el pintado. El material utilizado es un polvo termoplástico de poliuretano que fusiona de manera selectiva un láser de CO2.

Hacia un plano más elevado Ertel indica que la expansión de las aplicaciones dependerá de la introducción de nuevas tecnologías que aceleren el proceso y permitan una mayor tasa de producción. Ya se están explorando estas nuevas tecnologías, BMW investiga el potencial de tecnologías ‘planares’ que se caracterizan por la capacidad de secar la superficie completa de una capa de polvo o resina simultáneamente en lugar de hacerlo secuencialmente con el seguimiento de un único haz láser.

Para este enfoque planar BMW ha colaborado con dos proveedores tecnológicos, aunque de manera muy diferente. Uno es el gigante tecnológico Hewlett-Packard (HP) y la otra es una empresa mucho más pequeña y reciente, la estadounidense Carbon. El proceso Multi-Jet Fusion de HP permite pulverizar materiales de polvo de poliamida mediante la fusión de agentes desde arriba antes de aplicar la radiación infrarroja. La tecnología de Carbon, conocida como CLIP (producción con interfaz líquida continua), invierte este enfoque al exponer la parte inferior de un depósito de poliuretano líquido a un haz, de forma que se curan las capas sucesivas.

Mini BMW utiliza la tecnología de Carbon para producir indicadores laterales individualizados para 100 modelos Mini en una flota de alquiler
Ertel afirma que BMW ha estado investigando estas nuevas tecnologías en los últimos años y que la tecnología de Carbon ya se está implementando en una aplicación cosmética de corto plazo. El año pasado se utilizó para producir diseños laterales personalizados para 100 modelos de BMW Mini para una flota de vehículos de alquiler después de una campaña mediática en la que la gente sugirió los nombres.

En BMW se cree en el potencial a largo plazo del enfoque planar. Ertel asegura que dependiendo del tamaño y la complejidad geométrica de la pieza, una técnica adecuada podría multiplicar la productividad por cinco o diez respecto a los sistemas actuales y también reduciría el coste, aunque no se atreve a ofrecer una estimación a este respecto.

Confirma que BMW está ahora en “fase de cualificación” comprobando factores como “calidad y reproducibilidad” que puede alcanzar el método. Ertel afirma que al igual que con otras técnicas aditivas más establecidas, "queremos aplicarlo primero en la actividad de prototipos”. No nos ofrece plazos para la introducción de esta tecnología en los procesos de producción de BMW, más allá de que en la producción de grandes volúmenes "no será relevante hasta la próxima década”.

Mientras tanto, Ertel afirma que otro tipo nuevo de tecnología aditiva que estudia BMW es el 'metal de sobremesa' en la que se aplica un ligante a un polvo metálico y el resultado se cura en un horno microondas. Ya existe un acuerdo de colaboración con la empresa estadounidense de donde proviene el nombre, Desktop Metal. Resumiendo, la postura de BMW respecto a las tecnologías aditivas es muy receptiva. “Creemos en la producción aditiva desde el principio y seguimos comprometidos con llevar sus ventajas a aplicaciones para los clientes", afirma Ertel.

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