Los servomotores y los robots están transformando las aplicaciones aditivas. Descubra los últimos consejos y aplicaciones para implementar la automatización robótica y el control de movimiento avanzado para la fabricación aditiva y sustractiva, así como las próximas tendencias: considere métodos híbridos aditivos/sustractivos.
AVANZANDO EN LA AUTOMATIZACIÓN
Por Sarah Mellish y RoseMary Burns
La adopción de dispositivos de conversión de energía, tecnología de control de movimiento, robots extremadamente flexibles y una combinación ecléctica de otras tecnologías avanzadas impulsan el rápido crecimiento de nuevos procesos de fabricación en el panorama industrial. La fabricación aditiva y sustractiva, que revoluciona la forma de fabricar prototipos, piezas y productos, son dos ejemplos destacados que han proporcionado la eficiencia y el ahorro de costes que buscan los fabricantes para mantenerse competitivos.
Conocida como impresión 3D, la fabricación aditiva (FA) es un método no tradicional que suele utilizar datos de diseño digital para crear objetos tridimensionales sólidos mediante la fusión de materiales capa por capa, de abajo a arriba. Con frecuencia, se fabrican piezas con forma casi neta (NNS) sin desperdicios. El uso de la FA para diseños de productos, tanto básicos como complejos, continúa permeando industrias como la automotriz, la aeroespacial, la energética, la médica, el transporte y los productos de consumo. Por el contrario, el proceso sustractivo implica la eliminación de secciones de un bloque de material mediante corte o mecanizado de alta precisión para crear un producto 3D.
A pesar de sus diferencias clave, los procesos aditivos y sustractivos no siempre son mutuamente excluyentes, ya que pueden utilizarse para complementar diversas etapas del desarrollo de un producto. Con frecuencia, el proceso aditivo crea un modelo conceptual o prototipo inicial. Una vez finalizado el producto, pueden requerirse lotes más grandes, lo que abre la puerta a la fabricación sustractiva. Más recientemente, donde el tiempo apremia, se están aplicando métodos híbridos aditivos/sustractivos para tareas como la reparación de piezas dañadas o desgastadas o la creación de piezas de calidad con plazos de entrega más cortos.
AUTOMATIZAR ADELANTE
Para satisfacer las exigentes demandas de los clientes, los fabricantes están integrando en la construcción de sus piezas una gama de materiales de alambre como acero inoxidable, níquel, cobalto, cromo, titanio, aluminio y otros metales diferentes, comenzando con un sustrato blando pero resistente y terminando con un componente duro y resistente al desgaste. En parte, esto ha puesto de manifiesto la necesidad de soluciones de alto rendimiento para una mayor productividad y calidad en entornos de fabricación aditiva y sustractiva, especialmente en procesos como la fabricación aditiva por arco de alambre (WAAM), la fabricación sustractiva por WAAM, el revestimiento sustractivo por láser o la decoración. Entre los aspectos más destacados se incluyen:
- Tecnología servo avanzada:Para cumplir mejor con los objetivos de comercialización y las especificaciones de diseño del cliente, en cuanto a precisión dimensional y calidad de acabado, los usuarios finales están optando por impresoras 3D avanzadas con servosistemas (en lugar de motores paso a paso) para un control óptimo del movimiento. Las ventajas de los servomotores, como el Sigma-7 de Yaskawa, revolucionan el proceso aditivo, ayudando a los fabricantes a superar problemas comunes mediante la optimización de la impresora:
- Supresión de vibraciones: los servomotores robustos cuentan con filtros de supresión de vibraciones, así como filtros antirresonancia y de muesca, lo que produce un movimiento extremadamente suave que puede eliminar las líneas escalonadas visualmente desagradables causadas por la ondulación del torque del motor paso a paso.
- Mejora de velocidad: una velocidad de impresión de 350 mm/s ya es una realidad, más del doble de la velocidad de impresión promedio de una impresora 3D con motor paso a paso. De igual manera, se puede alcanzar una velocidad de desplazamiento de hasta 1500 mm/s con tecnología rotativa o de hasta 5 metros/s con tecnología servo lineal. La rapidísima aceleración que proporcionan los servos de alto rendimiento permite mover los cabezales de impresión 3D a sus posiciones correctas con mayor rapidez. Esto contribuye significativamente a reducir la velocidad de todo el sistema para alcanzar la calidad de acabado deseada. Posteriormente, esta mejora en el control de movimiento también permite a los usuarios finales fabricar más piezas por hora sin sacrificar la calidad.
- Ajuste automático: los servosistemas pueden realizar su propio ajuste personalizado de forma independiente, lo que permite adaptarse a cambios en la mecánica de una impresora o variaciones en un proceso de impresión. Los motores paso a paso 3D no utilizan retroalimentación de posición, lo que hace casi imposible compensar cambios en los procesos o discrepancias en la mecánica.
- Retroalimentación del codificador: los sistemas servo robustos que ofrecen retroalimentación absoluta del codificador solo necesitan realizar una rutina de retorno al origen una vez, lo que genera un mayor tiempo de actividad y ahorro de costos. Las impresoras 3D que usan tecnología de motor paso a paso carecen de esta función y necesitan volver al origen cada vez que se encienden.
- Detección de retroalimentación: El extrusor de una impresora 3D a menudo puede ser un cuello de botella en el proceso de impresión, y un motor paso a paso no tiene la capacidad de detección de retroalimentación para detectar un atasco en el extrusor, lo que puede arruinar un trabajo de impresión completo. Por ello, los servosistemas pueden detectar atascos en el extrusor y evitar la pérdida de filamento. La clave para un rendimiento de impresión superior reside en un sistema de bucle cerrado centrado en un codificador óptico de alta resolución. Los servomotores con un codificador de alta resolución absoluta de 24 bits pueden proporcionar 16 777 216 bits de resolución de retroalimentación de bucle cerrado para una mayor precisión del eje y del extrusor, así como sincronización y protección contra atascos.
- Robots de alto rendimiento:Así como los robustos servomotores están transformando las aplicaciones aditivas, también lo están haciendo los robots. Su excelente rendimiento de trayectoria, su estructura mecánica rígida y sus altos índices de protección contra el polvo (IP), combinados con un avanzado control antivibración y su capacidad multieje, convierten a los robots de seis ejes, altamente flexibles, en la opción ideal para los exigentes procesos que rodean el uso de impresoras 3D, así como en acciones clave para la fabricación sustractiva y los métodos híbridos aditivos/sustractivos.
La automatización robótica, complementaria a las máquinas de impresión 3D, implica en gran medida la manipulación de piezas impresas en instalaciones con varias máquinas. Desde la descarga de piezas individuales de la máquina de impresión hasta la separación de piezas tras un ciclo de impresión multipieza, los robots, altamente flexibles y eficientes, optimizan las operaciones para lograr un mayor rendimiento y una mayor productividad.
Con la impresión 3D tradicional, los robots facilitan la gestión del polvo, rellenando el polvo de impresión cuando es necesario y eliminándolo de las piezas terminadas. Asimismo, otras tareas de acabado de piezas habituales en la fabricación de metal, como el esmerilado, el pulido, el desbarbado o el corte, se realizan fácilmente. La inspección de calidad, así como las necesidades de embalaje y logística, también se satisfacen directamente con la tecnología robótica, lo que permite a los fabricantes dedicar su tiempo a trabajos de mayor valor añadido, como la fabricación a medida.
Para piezas de mayor tamaño, se están implementando robots industriales de largo alcance para mover directamente el cabezal de extrusión de una impresora 3D. Esto, junto con herramientas periféricas como bases giratorias, posicionadores, pistas lineales, pórticos y más, proporciona el espacio de trabajo necesario para crear estructuras espaciales de forma libre. Además del prototipado rápido clásico, los robots se utilizan para la fabricación de piezas de forma libre de gran volumen, moldes, estructuras de celosía con formas 3D y piezas híbridas de gran formato. - Controladores de máquinas multieje:La innovadora tecnología para conectar hasta 62 ejes de movimiento en un único entorno posibilita la multisincronización de una amplia gama de robots industriales, servosistemas y variadores de frecuencia utilizados en procesos aditivos, sustractivos e híbridos. Una familia completa de dispositivos puede ahora funcionar a la perfección bajo el control y la monitorización totales de un PLC (controlador lógico programable) o un controlador de máquina IEC, como el MP3300iec. A menudo programadas con un paquete de software IEC 61131 dinámico, como MotionWorks IEC, las plataformas profesionales como esta utilizan herramientas conocidas (como códigos G de RepRap, diagramas de bloques de funciones, texto estructurado, diagramas de contactos, etc.). Para facilitar la integración y optimizar el tiempo de funcionamiento de la máquina, se incluyen herramientas predefinidas como la compensación de nivelación de la cama, el control de avance de la presión del extrusor, el control de múltiples husillos y el extrusor.
- Interfaces de usuario de fabricación avanzada:Altamente beneficiosos para aplicaciones de impresión 3D, corte de formas, máquinas herramienta y robótica, diversos paquetes de software pueden proporcionar rápidamente una interfaz gráfica de máquina fácil de personalizar, lo que facilita una mayor versatilidad. Diseñadas con la creatividad y la optimización en mente, plataformas intuitivas como Yaskawa Compass permiten a los fabricantes personalizar fácilmente las pantallas. Desde la inclusión de atributos esenciales de la máquina hasta la adaptación a las necesidades del cliente, se requiere poca programación, ya que estas herramientas ofrecen una amplia biblioteca de complementos de C# prediseñados o permiten la importación de complementos personalizados.
SOBREPONERSE A
Si bien los procesos aditivos y sustractivos simples siguen siendo populares, en los próximos años se producirá una mayor transición hacia el método híbrido aditivo/sustractivo. Se prevé un crecimiento a una tasa de crecimiento anual compuesta (TCAC) del 14,8 % para 2027.1El mercado de máquinas de fabricación aditiva híbrida está preparado para satisfacer el aumento de las demandas de los clientes. Para destacarse de la competencia, los fabricantes deben sopesar las ventajas y desventajas del método híbrido en sus operaciones. Con la capacidad de producir piezas según sea necesario y una importante reducción de la huella de carbono, el proceso híbrido aditivo/sustractivo ofrece atractivas ventajas. En cualquier caso, no se deben pasar por alto las tecnologías avanzadas para estos procesos y deben implementarse en los talleres para facilitar una mayor productividad y calidad del producto.
Hora de publicación: 13 de agosto de 2021
