Cómo mejorar la velocidad, la Exactitud y la calidad en la manufactura aditiva
Por Rafael Hasbun,
Ingeniero sénior de aplicaciones de campo, FARO Technologies
La manufactura aditiva, el proceso de añadir materiales, capa sobre capa, para construir un producto completo, ahorra tiempo y dinero a los fabricantes. Por lo tanto, no es de extrañar que, a medida que los fabricantes luchan por cumplir con las limitaciones de presupuesto y tiempo al diseñar y desarrollar nuevos productos, el mercado de la manufactura aditiva esté preparado para un crecimiento significativo.
De hecho, un reporte reciente de Reportlinker.com, "Reporte de análisis del tamaño, la cuota y las tendencias de la industria del mercado global de manufactura aditiva por tipo de impresora, por tecnología, por componente, por aplicaciones, por material, por vertical, por perspectiva regional y previsión, 2022-2028", predice que el mercado mundial de la manufactura aditiva experimentará una tasa de crecimiento anual compuesta del 18,9 % durante el periodo previsto, alcanzando finalmente los $44.600 millones en 2028, desde su tamaño actual de unos $14.000 millones. Se espera que el crecimiento tenga un impulso por la demanda en los mercados de la automoción, la industria aeroespacial y la sanidad, que aprovechan los procesos de fabricación aditiva para acelerar la creación de prototipos de piezas.
¿Qué es la manufactura aditiva?
Normalmente, la manufactura aditiva se basa en un software de diseño asistido por computadora (CAD) o en escáneres de objetos 3D y en un sofisticado software para dirigir el hardware, como las impresoras 3D, para depositar el material, capa a capa, en formas geométricas precisas para crear un objeto, en lugar de utilizar los métodos sustractivos tradicionales que eliminan el material mediante el fresado, maquinado, tallado o el moldeado para crear un objeto. El proceso de manufactura aditiva permite a los fabricantes imprimir las piezas en una sola, reduciendo el desperdicio de material y ahorrando tiempo y reduciendo costos a la hora de crear prototipos y piezas de ingeniería inversa.
El rol de los escáneres láser 3D en la manufactura aditiva
Cada vez más, los escáneres láser 3D se utilizan como primer paso en la manufactura aditiva porque aceleran aún más el proceso de desarrollo del producto. Los escáneres 3D pueden escanear las medidas, las características y los detalles necesarios para crear la pieza en cuestión de minutos, mientras que puede llevar horas reunir solo las dimensiones físicas más sencillas de una pieza utilizando métodos de medición tradicionales, como los calibradores y las máquinas de medición de coordenadas (CMM). Los escaneos 3D detallados se envían después a un sofisticado software de computadora, que utiliza los datos recopilados para crear un modelo 3D virtual para su impresión.
Los escáneres 3D no solo proporcionan mediciones más rápidas y detalladas, sino que también aumentan la Exactitud gracias a la alta resolución de los datos y reducen los casos de error humano asociados a los métodos de medición tradicionales, garantizando el control de calidad del primer artículo creado. El escaneo 3D también puede utilizarse para inspeccionar y diagnosticar fallos en piezas que se crearon mediante un proceso de manufactura aditiva. Una pieza impresa en 3D puede probarse bajo tensión en el entorno en el que se va a utilizar y, tras estas pruebas, se pueden emplear escáneres láser 3D para encontrar y diagnosticar cualquier deformación o punto crítico de fallo en la pieza para garantizar aún más la calidad del producto y acelerar las posteriores iteraciones del mismo.
El escaneo 3D también es superior a los métodos de medición tradicionales cuando se trata de capturar objetos que tienen superficies formadas previamente, curvaturas complejas o acabados superficiales texturizados, ya que este tipo de características no son fáciles de medir con las herramientas tradicionales. El escaneo 3D también se enfrenta al desafío de la ingeniería inversa, que a menudo se emplea en la industria automotriz para crear piezas personalizadas o descontinuadas. La ingeniería inversa de un objeto físico para la manufactura aditiva requiere una medición precisa de la altura, la anchura, la profundidad, el diámetro y la circunferencia de la pieza, así como de detalles complejos como el radio y las texturas de ciertas características. El escaneo 3D adquiere de forma eficaz y precisa todos los datos asociados a las superficies, los detalles y las características complejas de la pieza, lo que permite enviar datos precisos y detallados a la impresora para la manufactura aditiva.
Las mejoras en las tecnologías de escaneo superan los retos de la manufactura aditiva
A pesar de las numerosas ventajas de utilizar el escaneo 3D en el proceso de manufactura aditiva, hay algunos desafíos asociados, como el escaneo de piezas grandes y pesadas. Sin embargo, reconocer el problema, algunas tecnologías más recientes, como la máquina de medición de coordenadas portátil Quantum Max FaroArm® ofrece un mayor alcance para proporcionar una articulación más cómoda para una mejor extensión sobre y alrededor de objetos grandes. Cuando se combina con el FARO® 8-Axis Max Rotary Worktable, un componente modular que puede utilizarse con cualquier FaroArm, la necesidad de reubicar o reposicionar el dispositivo de escaneo queda prácticamente eliminada. Tradicionalmente, los técnicos tenían que escanear una sección de una pieza grande a la vez y luego pasar el escáner a la siguiente sección. El movimiento podría dar lugar a datos imprecisos, pero con la Rotary Worktable, la pieza puede montarse en la mesa, que gira como una Lazy Susan, lo que permite capturar la pieza sin mover el escáner, eliminando errores y aumentando la Exactitud de los datos.
Otro desafío asociado a los escáneres 3D tradicionales es que suelen tener dificultades para escanear piezas oscuras, brillantes o reflectantes. En estos casos, los técnicos suelen rociar la pieza con polvo para conseguir un acabado mate con el objetivo de lograr un escaneo preciso, pero esto puede ser cosa del pasado debido a la introducción de la tecnología de láser azul ópticamente superior. El Quantum Max ScanArm de FARO, la herramienta de medición portátil más avanzada que cuenta con tres palpadores de línea laser (LLP) construidos específicamente e intercambiables en caliente, ofrece capacidades como la creación rápida de prototipos, la ingeniería inversa y el modelado en 3D de superficies de formas libres. La tecnología del láser azul permite escanear superficies difíciles, incluidas las que son oscuras o reflectantes, lo que simplifica el proceso y aumenta la Exactitud del escaneo de estos objetos antes de las aplicaciones de manufactura aditiva.
Los complicados softwares utilizados para convertir los escaneos para la impresión eran otro desafío para los fabricantes de aditivos, pero actualmente incluso los programas de software más sofisticados son cada vez más fáciles de usar. Por ejemplo, el software FARO RevEng™ permite a los usuarios capturar con mayor Exactitud y editar más fácilmente las mallas para la creación de modelos para la impresión 3D. El uso del software en combinación con los productos de escaneo 3D permite transformar datos que van desde nubes de puntos de color de alta resolución hasta mallas sencillas en mallas detalladas, lo que proporciona una mayor visión del diseño y la composición, así como una diferenciación visual entre materiales y texturas. La intuitiva interfaz de usuario muestra visualmente todas las herramientas dentro de una única pantalla, lo que facilita la manipulación y la personalización del objeto 3D para satisfacer requisitos de diseño específicos, aumentando aún más la productividad del flujo de trabajo de la ingeniería inversa en aplicaciones de manufactura aditiva.
Uniendo todo
Recientemente, Adam LZ, un YouTuber de temas automotrices y corredor de deportes de motor, se asoció con FARO y el proveedor de software Oqton para crear una pieza personalizada para un automóvil de carreras utilizando la tecnología de escaneo 3D de FARO, el software Geomagic Design X de Oqton y la manufactura aditiva. Inicialmente, el tablero del automóvil contenía una consola de navegación que hubo que retirar porque añadía un peso innecesario al vehículo. El objetivo del proyecto era crear rápidamente una pieza personalizada y ligera que llenara adecuadamente el vacío que quedaba en el tablero después de retirar el sistema de navegación.
En primer lugar, se retiró el tablero, incluida la consola de navegación, del vehículo y se colocó en el 8-Axis Max donde, a pesar de su gran tamaño, se escaneó fácilmente con el FARO ScanArm. "Fijar el tablero al 8-Axis Max y girarlo supuso menos trabajo y más Exactitud en el escaneo porque no tuvimos que manipular ni mover la pieza ni el escáner", indica Will Pitarello, ingeniero sénior de aplicaciones de FARO. ¿"Menos movimiento equivale a más Exactitud y reduce las variables que podrían introducir errores en la recolección de datos".?
El escaneo de todo el tablero permitió a los diseñadores comprender dónde residía el sistema de navegación en la pieza. Una vez completado este paso, se retiró la consola de navegación y se escaneó para conocer la forma de la propia consola, así como los clips metálicos que la sujetaban con seguridad dentro del tablero. Se realizó un tercer escaneo del vacío que quedaba en el tablero para conocer la geometría que había debajo del vacío, incluidos los puntos de montaje, de modo que la pieza recién creada encajara en el vacío y se acoplara correctamente a los soportes existentes. "Era importante escanear todo el tablero y la propia consola de navegación, así como la cavidad abierta que se creó cuando se retiró el sistema de navegación y la geometría que había debajo, para que la nueva pieza personalizada no solo cubriera la zona, sino que se acoplara correctamente a los puntos de montaje existentes", expresó Greg George, director de ingeniería de aplicaciones, de Oqton.
Después, los tres escaneos se unieron mediante el software Geomagic Design X para crear un modelo 3D que se utilizó para fabricar muy rápidamente una pieza mediante manufactura aditiva. Gracias a la Exactitud del escaneo, que incluía las geometrías del vacío, las texturas de la superficie del vacío, los puntos de montaje y todas las demás características necesarias, junto con el rápido ritmo de la manufactura aditiva, se alcanzó el éxito y se diseñó y produjo al día siguiente una pieza que encajaba bien con la textura de la superficie del tablero original, similar al cuero, y que se montaba en los clips existentes.
"Lo bueno es que, con la manufactura aditiva, se tiene la capacidad de fabricar rápidamente una pieza y, una vez que la pieza está disponible, se puede determinar si tiene el ajuste y el peso adecuados", dice George. "Y, si por casualidad, es demasiado pesada o no está bien, se puede iterar sobre esto muy rápidamente utilizando estas mismas tecnologías y hacer otra pieza que se ajuste mejor o que pese menos con la misma rapidez".
Es fácil ver que las tecnologías actuales de escaneo láser en 3D y los paquetes de software de fácil uso ayudan a los innovadores fabricantes de aditivos a acelerar sus flujos de trabajo al mismo tiempo que garantizan la Exactitud y la calidad de las piezas producidas, haciéndolos más rentables y eficientes que nunca.