Los servomotores y los robots están transformando las aplicaciones de fabricación aditiva. Descubra los últimos consejos y aplicaciones para la automatización robótica y el control de movimiento avanzado en la fabricación aditiva y sustractiva, así como las próximas tendencias: 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 variada gama de otras tecnologías avanzadas impulsan el rápido crecimiento de nuevos procesos de fabricación en todo el panorama industrial. La fabricación aditiva y sustractiva, que han revolucionado la forma en que se elaboran prototipos, piezas y productos, son dos ejemplos clave que han proporcionado la eficiencia y el ahorro de costes que los fabricantes buscan para mantenerse competitivos.
Conocida como impresión 3D, la fabricación aditiva (FA) es un método no tradicional que generalmente utiliza datos de diseño digital para crear objetos tridimensionales sólidos mediante la fusión de materiales capa a capa, desde la base hacia arriba. Al producir piezas casi con forma final (NNS) sin desperdicio, el uso de la FA para diseños de productos, tanto básicos como complejos, continúa extendiéndose en industrias como la automotriz, aeroespacial, energética, médica, de transporte y de 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 las 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. Un modelo conceptual o prototipo inicial se crea frecuentemente mediante el proceso aditivo. Una vez finalizado el producto, pueden ser necesarios lotes más grandes, lo que abre la puerta a la fabricación sustractiva. Más recientemente, cuando el tiempo es crucial, 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 EL AVANCE
Para satisfacer las exigentes demandas de los clientes, los fabricantes están integrando una variedad de materiales de alambre, como acero inoxidable, níquel, cobalto, cromo, titanio, aluminio y otros metales diferentes, en la construcción de sus piezas, 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 lograr una mayor productividad y calidad tanto en entornos de fabricación aditiva como sustractiva, especialmente en procesos como la fabricación aditiva por arco de alambre (WAAM), WAAM sustractiva, revestimiento láser sustractivo o decoración. Entre los aspectos más destacados se incluyen:
- Tecnología de servomotores avanzada:Para cumplir mejor con los plazos de comercialización y las especificaciones de diseño de los clientes, especialmente en lo que respecta a la precisión dimensional y la calidad del acabado, los usuarios finales están optando por impresoras 3D avanzadas con servomotores (en lugar de motores paso a paso) para un control de movimiento óptimo. Las ventajas de los servomotores, como el Sigma-7 de Yaskawa, revolucionan el proceso de fabricación aditiva, ayudando a los fabricantes a superar problemas comunes gracias a sus capacidades de optimización de la impresión.
- Supresión de vibraciones: los robustos servomotores cuentan con filtros de supresión de vibraciones, así como con filtros antirresonancia y de muesca, lo que proporciona un movimiento extremadamente suave que puede eliminar las antiestéticas líneas escalonadas causadas por la ondulación del par del motor paso a paso.
- Mejora de velocidad: ahora es posible imprimir a 350 mm/s, duplicando con creces la velocidad media de una impresora 3D con motor paso a paso. Asimismo, se puede alcanzar una velocidad de desplazamiento de hasta 1500 mm/s con servomotores rotativos o de hasta 5 metros/s con tecnología de servomotores lineales. La aceleración ultrarrápida que proporcionan los servomotores de alto rendimiento permite posicionar los cabezales de impresión 3D con mayor rapidez. Esto reduce considerablemente la necesidad de ralentizar todo el sistema para lograr la calidad de acabado deseada. En consecuencia, esta mejora en el control de movimiento permite a los usuarios fabricar más piezas por hora sin sacrificar la calidad.
- Sintonización automática: los sistemas servo pueden realizar su propia sintonización personalizada de forma independiente, lo que permite adaptarse a cambios en la mecánica de la impresora o variaciones en el proceso de impresión. Los motores paso a paso 3D no utilizan retroalimentación de posición, lo que hace prácticamente imposible compensar cambios en los procesos o discrepancias mecánicas.
- Retroalimentación del codificador: los sistemas de servomotores robustos que ofrecen retroalimentación absoluta del codificador solo necesitan realizar una rutina de calibración una vez, lo que se traduce en mayor tiempo de actividad y ahorro de costes. Las impresoras 3D que utilizan tecnología de motor paso a paso carecen de esta función y necesitan calibrarse cada vez que se encienden.
- Detección de retroalimentación: el extrusor de una impresora 3D suele ser un cuello de botella en el proceso de impresión, y un motor paso a paso carece de la capacidad de detección de retroalimentación para identificar un atasco en el extrusor, una deficiencia que puede arruinar todo el trabajo de impresión. Por ello, los sistemas servo pueden detectar atascos en el extrusor y evitar que el filamento se salga. La clave para un rendimiento de impresión superior reside en un sistema de bucle cerrado basado en un codificador óptico de alta resolución. Los servomotores con un codificador absoluto de alta resolución de 24 bits ofrecen una resolución de retroalimentación de bucle cerrado de 16 777 216 bits para una mayor precisión en los ejes y el extrusor, así como sincronización y protección contra atascos.
- Robots de alto rendimiento:Así como los robustos servomotores están transformando las aplicaciones de fabricación aditiva, también lo están haciendo los robots. Su excelente rendimiento de trayectoria, su estructura mecánica rígida y su alto grado de protección contra el polvo (IP), combinados con un avanzado control antivibración y capacidad multieje, convierten a los robots de seis ejes, altamente flexibles, en una opción ideal para los exigentes procesos relacionados con el uso de impresoras 3D, así como para las tareas clave en la fabricación sustractiva y los métodos híbridos aditivos/sustractivos.
La automatización robótica, complementaria a las impresoras 3D, abarca la manipulación de piezas impresas en instalaciones con múltiples máquinas. Desde la descarga de piezas individuales de la impresora hasta la separación de las mismas tras un ciclo de impresión, los robots, altamente flexibles y eficientes, optimizan las operaciones para lograr un mayor rendimiento y productividad.
En la impresión 3D tradicional, los robots facilitan la gestión del polvo, reponiendo el depósito cuando es necesario y eliminando el polvo de las piezas terminadas. Del mismo modo, otras tareas de acabado comunes en la fabricación de metales, como el rectificado, el pulido, el desbarbado o el corte, se realizan con facilidad. La tecnología robótica también satisface directamente las necesidades de inspección de calidad, embalaje y logística, lo que permite a los fabricantes centrarse en trabajos de mayor valor añadido, como la fabricación a medida.
Para piezas de mayor tamaño, se están equipando 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, guías 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 gran volumen de forma libre, moldes, estructuras de celosía con forma 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 permite ahora la sincronización múltiple de una amplia gama de robots industriales, servosistemas y variadores de frecuencia utilizados en procesos aditivos, sustractivos e híbridos. Toda una familia de dispositivos puede ahora funcionar de forma integrada bajo el control y la monitorización completos de un PLC (Controlador Lógico Programable) o un controlador de máquina IEC, como el MP3300iec. Estas plataformas profesionales, a menudo programadas con un paquete de software dinámico IEC 61131, como MotionWorks IEC, utilizan herramientas conocidas (por ejemplo, códigos G de RepRap, diagramas de bloques de funciones, texto estructurado, diagramas de escalera, etc.). Para facilitar la integración y optimizar el tiempo de actividad de la máquina, se incluyen herramientas preconfiguradas como la compensación de nivelación de la cama, el control de avance de presión del extrusor y el control de múltiples husillos y extrusores.
- Interfaces de usuario para la fabricación avanzada:Los diversos paquetes de software, muy beneficiosos para aplicaciones en impresión 3D, corte de formas, máquinas herramienta y robótica, permiten crear rápidamente una interfaz gráfica de máquina fácil de personalizar, facilitando así una mayor versatilidad. Diseñadas pensando en la creatividad y la optimización, plataformas intuitivas como Yaskawa Compass permiten a los fabricantes personalizar fácilmente las pantallas y adaptarlas a su marca. Desde la inclusión de los atributos principales 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 C# predefinidos o permiten la importación de complementos personalizados.
SOBREPONERSE A
Si bien los procesos aditivos y sustractivos individuales siguen siendo populares, se prevé una mayor transición hacia el método híbrido aditivo/sustractivo en los próximos años. Se espera que crezca 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 la creciente demanda de los clientes. Para destacar entre la competencia, los fabricantes deben sopesar las ventajas y desventajas del método híbrido para sus operaciones. Con la capacidad de producir piezas según se necesiten y una importante reducción de la huella de carbono, el proceso híbrido aditivo/sustractivo ofrece beneficios atractivos. En cualquier caso, no se deben pasar por alto las tecnologías avanzadas para estos procesos, sino que deben implementarse en las plantas de producción para facilitar una mayor productividad y calidad del producto.
Fecha de publicación: 13 de agosto de 2021
