voxeljet ofrece soluciones de impresión 3D como alternativa rentable y orientada al futuro para las fundiciones. Fabricantes de aeronaves, fabricantes de autopartes o diseñadores: cuando se requiere la producción rápida de pequeños lotes de piezas complejas, cada vez más empresas recurren a la impresión 3D de metales. ¿Anuncia esto el fin de la industria clásica de la fundición? En absoluto. Las fundiciones llevan décadas utilizando la impresión 3D -la tecnología del futuro- para imprimir modelos, patrones, noyos y moldes de fundición, para seguir siendo competitivas a largo plazo.

Puertas de avión impresas en 3D de voxeljet

Las ventas de impresoras industriales de metal en 3D han aumentado exponencialmente en los últimos años. Tanto los fabricantes de automóviles como los de aeronaves y los diseñadores reconocen el potencial de esta tecnología de fabricación, que permite unir capas finísimas de polvo metálico en componentes mediante la radiación láser. Las principales ventajas: Mayor libertad de diseño y densidades de componentes superiores al 99%. Los diseñadores pueden imprimir componentes ligeros con geometrías alocadas, algo que antes era difícil de producir con la fundición de metal tradicional.

Pero los componentes producidos con una impresora 3D industrial no sólo tienen diseños emocionantes y futuristas, sino que también suponen un enorme ahorro de costes, ya que, además de optimizar la topología, permiten reducir enormemente el peso y requieren menos componentes y mejoras funcionales. Un ejemplo de la industria de la aviación: si el avión Airbus A380 se hace tan sólo 74,2 kilogramos más ligero mediante la instalación de componentes impresos en 3D, como las hebillas de los cinturones de seguridad, a lo largo de una vida útil del avión de 30 años, esto representa una reducción de los costes de combustible de unos 6,7 millones de dólares estadounidenses.

Un potencial de ahorro que permite entender por qué los fabricantes ponen sus ojos en la impresión 3D. ¿Y las fundiciones? Muchas a veces piensan que la fundición de piezas topológicamente optimizadas es demasiado costosa y lenta. Además, algunos clientes suelen considerar que la industria de la fundición es inflexible y poco innovadora, y también lenta debido a los largos plazos de entrega. Esto significa que muchas fundiciones se enfrentan a un futuro incierto. ¿Anuncia esto el fin de la fundición metálica clásica?

La impresión 3D de metales sigue siendo un competidor inofensivo

La impresión 3D de metales, como el sinterizado directo de metales por láser (DMLS), actualmente sólo compite con las fundiciones en un segmento relativamente pequeño. Los espacios de construcción de los sistemas DMLS son ideales para los componentes más pequeños. Además, los componentes impresos en 3D para el sector aeroespacial requieren una certificación que requiere mucho tiempo, algo que la fundición de metales ya tiene desde hace décadas. La impresión directa de metales en 3D también es relativamente cara. Esto no sólo se debe al elevado coste del polvo metálico, sino también al elevado coste de las impresoras 3D y a las velocidades de construcción comparativamente lentas.

Los componentes de las impresoras que utilizan polvo metálico suelen requerir un procesamiento posterior manual después de la impresión. Esto significa que hay que retirar las estructuras de soporte y las placas base. Además, se necesita un horno de sinterizado o un prensado isostático en caliente (HIP) para conseguir una alta densidad de componentes y una resistencia suficiente. El resultado final es que los precios medios de los componentes metálicos impresos en 3D son de unos 300 euros por kilo para el aluminio, 400 euros para el acero inoxidable y hasta 1.300 euros por kilo para las aleaciones especiales. Como comparación directa, el precio del acero fundido puro es de entre 6,50 y 32 euros por kilogramo.

Pero, ¿qué ocurrirá cuando la tecnología 3D se desarrolle más, los espacios de construcción sean más grandes, los materiales más baratos, el post-procesamiento automatizado y las tecnologías sean adecuadas incluso para la producción en serie en algún momento? ¿Las fundiciones clásicas estarán en vías de extinción en ese momento?

Ganar al adversario en su propio juego

voxeljet está convencido de que no será así. Además, las fundiciones podrán fabricar componentes con geometrías complejas de forma rentable en pequeñas series, lo que garantizará su competitividad en el futuro. Siempre que puedan construir moldes complejos de forma más rápida y económica, sin necesidad de costosas herramientas especiales.

Ahí es donde entran en juego las impresoras 3D, que imprimen mediante chorros de aglutinante para generar rápidamente moldes de arena, ¡sin necesidad de herramientas! Por ejemplo, la voxeljet VX4000, que tiene una superficie de construcción de 4.000 x 2.000 x 1.000 mm, es el mayor sistema de impresión 3D del mundo para la producción de moldes de arena y núcleos. El sistema puede utilizarse para la producción rápida y automatizada de moldes de fundición de arena en 3D mediante el procedimiento de impresión en 3D por chorros de aglutinante, que imprime grandes volúmenes de forma económica gracias a sus índices de construcción significativamente superiores. La plataforma industrial puede producir muchas series pequeñas o componentes individuales de gran volumen.

Así se hace la impresión 3D de arena

Un recubridor extiende una capa de arena de 300 micrómetros de cuarzo sobre una plataforma de construcción. A continuación, el cabezal de impresión móvil utiliza un aglutinante de fundición de uso común para unir los granos de arena en las zonas en las que debe crearse el molde de arena. El plan de construcción debe estar disponible en forma de archivo CAD. A continuación, se baja la plataforma de construcción por cada capa y se repite el proceso hasta que el molde de arena esté listo. Una vez que los operarios del sistema han retirado el exceso de arena del molde mediante aire comprimido, éste está listo para la fundición. Sin ningún tipo de post proceso costoso y lento, a diferencia de los componentes de las impresoras 3D de metal.

Los moldes de fundición de arena impresos se comportan como los moldes clásicos y son lo suficientemente estables como para soportar las duras exigencias de la fundición de metales. El aglutinante hace que las piezas de arena tengan una resistencia a la flexión de entre 220 y 500 N/cm², la misma que tienen los moldes de arena fabricados de forma convencional.

Otra gran ventaja de la fundición: también se puede fundir una variedad mucho más amplia de materiales, lo que significa aleaciones ligeras como el magnesio. El uso de la fundición de metales con ayuda de la impresión 3D significa que se puede aplicar cualquier aleación; en contraste con la impresión de metales, que actualmente sigue estando restringida a unas pocas aleaciones especiales.

Moldes de fundición impresos en 3D: nueva libertad de diseño y gran ahorro de tiempo

Las ventajas de los moldes de fundición impresos en 3D son evidentes: en comparación con la producción convencional, no requiere fresado CNC ni ninguna otra herramienta especial, lo que puede hacer subir los precios de la fundición de metales. Además, al igual que con la impresión de metales en 3D, hay menos restricciones en términos de diseño. Los diseñadores pueden realizar incluso las geometrías interiores más delicadas con una resolución de hasta 600 dpi y no tienen que pensar en el desmoldeo, separadores o hendiduras. A diferencia de la impresión 3D en metal, no se necesitan estructuras de soporte impresas, que desperdician material. Además, los sistemas de impresión voxeljet permiten construir varios componentes uno encima de otro en un solo proceso de impresión. Esto ahorra tiempo y optimiza la utilización de la caja del sistema. Los materiales utilizados en la impresión 3D ya se utilizan en las fundiciones desde hace décadas y pueden combinarse fácilmente en piezas híbridas (piezas impresas y de arena producidas de forma convencional).

Otro argumento a favor de la impresión 3D de moldes: el ahorro de tiempo. Las fundiciones afirman que consiguen un ahorro de tiempo sin precedentes en la fabricación de moldes complejos de fundición en arena. Además, la fundición de metales en industrias como la aeroespacial es un proceso cualificado y certificado, a diferencia de la impresión 3D de metales. La fundición de metales es, por tanto, un método de fabricación probado que ya proporciona un alto nivel de satisfacción al cliente, ya que se pueden fabricar económicamente componentes de casi cualquier tamaño como un solo componente.

Un litro de arena impresa sólo cuesta 9 euros

El Binder Jetting es más rápido y barato que la mayoría de los demás procesos de impresión en 3D. Como el cabezal de impresión de una VX4000 tiene más de 25.000 boquillas controlables individualmente y una anchura de cabezal de 1.100 milímetros, la impresora tiene velocidades de producción de hasta 120 litros por hora. En cambio, las impresoras que funcionan con fusión selectiva de láser (SLM) y que trabajan con un solo láser punto por punto, son mucho más lentas. Su velocidad de producción es de aproximadamente 0,1 litros por hora.

El procedimiento Binder Jetting también es más barato. Dependiendo de la complejidad y del plazo de entrega deseado de los componentes, el precio medio de un litro de arena impresa se sitúa en torno a los nueve euros. En cambio, un litro de acero impreso cuesta unos 3.100 euros. En muchas aplicaciones, como los componentes aeroespaciales, ahora es posible construir casi cualquier tamaño y cantidad de forma económica utilizando Binder Jetting en combinación con la fundición de metales: Por ejemplo, ya se fabrican bombas, ruedas de tracción, colectores de escape, carcasas, bastidores, grandes componentes estructurales, etc., utilizando la fundición rápida. Además, la fundición rápida es capaz de procesar una gran variedad de materiales, incluso aleaciones ligeras como el magnesio.

Las fundiciones deberían empezar a modernizarse lo antes posible

La impresión 3D de metales será definitivamente más importante en los próximos años, ya que las impresoras serán cada vez más potentes y los costes de inversión disminuirán. Los expertos prevén reducciones de precios de hasta el 60 por ciento para los sistemas básicos.

En ese caso, el procesamiento aditivo directo de polvos metálicos puede llegar a ocupar una cuota significativamente mayor del mercado de la fundición, especialmente para componentes de tamaño pequeño y mediano. Sin embargo, no sustituirá por completo a los procesos de fundición en serie. Pero sí obtendrá una parte importante del mercado. Por tanto, las fundiciones deberían modernizar su producción más pronto que tarde.

«La impresión en arena y plástico en 3D es una alternativa perfecta para las fundiciones, tanto por su coste como por la complejidad de la impresión»

Ingo Ederer, director general de voxeljet

Las fundiciones pueden fabricar componentes igualmente complejos sin tener que cambiar la cadena de procesos. Hoy en día, ya es posible reproducir cualquier tamaño de pieza. Esto significa que los clientes disponen de una gran variedad de materiales, con procesos certificados. Lo que plantea la cuestión de la rapidez con la que las impresoras 3D que utilizan metal puedan ponerse al día.

Brignone & Asociados representa a voxeljet en Sudamerica, para más información y consultas, escribir a info@brignoneasociados.com.ar Además de los sistemas de impresión 3D, voxeljet también ofrece el servicio de impresión 3D de modelos, noyos (machos, núcleos, almas) según demanda.

La tecnología de impresión 3D avanza a pasos agigantados. Tanto si las fundiciones utilizan moldes de arena para la fundición de metales como modelos de plástico fundido para la fundición a presión, en ambos casos se benefician de las numerosas ventajas de los procesos de impresión aditiva en 3D.

Desde hace muchos años, muchas fundiciones consideran que los moldes y noyos (aka machos, núcleos, almas) de fundición en arena producidos con una impresora 3D son el estándar. Esta tecnología está muy consolidada en el ámbito de la fundición de hierro y metal y se utiliza allí donde resulta beneficiosa. Aunque estas aplicaciones se sitúan principalmente en el ámbito de los prototipos y los lotes pequeños, los límites se desplazan cada vez más hacia volúmenes más grandes, ya que el rendimiento de los sistemas de impresión 3D sigue mejorando.

En términos de costos globales, la impresión 3D es siempre la alternativa más económica a los procesos convencionales hasta un determinado tamaño de lote, ya que se eliminan los costes de las herramientas. Cuanto menor sea el tamaño del lote, mayor será la ventaja de costos que ofrece la tecnología de voxeljet. En particular, con geometrías complejas, la impresión 3D es la opción más económica, incluso en tamaños de lote de varios cientos de unidades, aunque aún no puede sustituir a la construcción clásica de moldes en grandes series.

Las demás ventajas van desde la reducción de los tiempos de producción hasta la disminución del trabajo de post tratamiento de las piezas de fundición no acabadas. Lo mismo se aplica esencialmente a la fundición de cera perdida, en la que los modelos de plástico impresos en 3D han sustituido a los modelos de cera clásicos, cuya producción con moldes de inyección es muy lenta y costosa.

Moldes de arena impresos para la fundición de metales

A diferencia de la fabricación convencional de moldes, en la que sólo la producción de placas de modelo o cajas de noyos (aka machos, núcleos, almas) puede llevar varias semanas, la impresión 3D permite imprimir incluso moldes de arena complejos normalmente de un día para otro o en sólo unos días. Los moldes se crean sin necesidad de costosos montajes, y se producen en un proceso totalmente automatizado basado exclusivamente en datos CAD en un proceso de estratificación, en el que se aplican repetidamente capas de arena de cuarzo de 300 micrómetros y se pegan selectivamente con un aglutinante, utilizando el cabezal de impresión del sistema. Una vez finalizado el proceso de impresión, sólo hay que desembalar el molde y limpiar el exceso de arena, y eso es todo. Dado que los moldes de arena se fabrican directamente a partir de los datos CAD, marcan la pauta en cuanto a riqueza de detalles y precisión.

Además de un menor tiempo de producción, la libertad de diseño es mucho menos limitada que en la fabricación convencional. Los diseños pueden hacerse fieles a su estructura sin tener que vigilar los ángulos de inclinación, las líneas de separación o los rebajes. Incluso los moldes que se modifican durante la fase de pruebas pueden imprimirse inmediatamente de acuerdo con los nuevos datos CAD, sin necesidad de modificar las herramientas, lo que lleva mucho tiempo. Además, los sistemas de inyección pueden adaptarse individualmente a parámetros como la presión de colada, evitando así las turbulencias y aumentando la calidad.

Combinación de noyos impresos en 3D y construcción clásica de moldes

Cuando es conveniente, las fundiciones innovadoras apuestan hoy por una combinación de noyos (aka machos, núcleos, almas) impresos en 3D y moldes producidos con métodos convencionales. Este enfoque es una buena opción, entre otras cosas, cuando se producen noyos complejos con huecos, que son necesarios para los impulsores, por ejemplo. Los noyos pueden imprimirse en la impresora 3D y posteriormente integrarse en el molde convencional. Las ventajas incluyen un menor número de piezas y un proceso de construcción de moldes mucho menos laborioso, ya que el método elimina la producción y el montaje convencional de los noyos complejos, que lleva mucho tiempo, y también minimiza el mecanizado posterior.

Otra alternativa interesante que los fundidores experimentados eligen cada vez con más frecuencia es producir las herramientas de moldeo que consumen mucho tiempo e imprimir en 3D los moldes de arena en paralelo. Dado que los moldes de arena impresos están disponibles de inmediato, se pueden fundir las piezas iniciales con fines de prueba para optimizar las herramientas en construcción. En muchos casos, esta variante es más rápida y rentable que la construcción clásica de moldes por sí sola.

La impresión 3D y la construcción clásica de moldes son iguales cuando se trata de la estabilidad y la resistencia del molde. Con valores ajustables entre 220 y 380 N/cm2, la resistencia a la flexión que se puede conseguir en el proceso de estratificación está en el mismo rango que la resistencia de los noyos producidos con métodos convencionales.

Modelos de fusión de alta precisión para la fundición a presión

Además de imprimir moldes de arena, cada vez más fundiciones confían en los modelos producidos con la impresora 3D para la fundición de cera perdida. Este método facilita la producción fácil y sencilla de modelos de cera. Aunque estos modelos ya no están hechos de cera, sino de plástico, esto no influye en los pasos posteriores del proceso. La producción de modelos de PMMA en impresoras 3D es bastante sencilla: se imprimen exactamente según los datos CAD. Para aumentar la calidad del proceso de fundición, los modelos de plástico también se infiltran con cera, lo que crea una superficie especialmente fina y homogénea.

Ventajas de la impresión 3D para la fundición a presión

Además de producir modelos de forma rentable y sin herramientas, el método también gana puntos con un impresionante ahorro de tiempo. Así, el centro de servicios voxeljet puede suministrar modelos de hasta 1.000 x 600 x 500 milímetros en pocos días de trabajo. Por supuesto, la caja de trabajo grande también puede utilizarse para imprimir lotes pequeños completos en un solo trabajo de impresión. Las operaciones posteriores de fundición a la cera son idénticas tanto si se utilizan modelos de cera clásicos como modelos impresos en 3D.

Casos prácticos

Una amplia gama de aplicaciones, como la fabricación rápida de motores de dos tiempos para motosierras, demuestra el rendimiento de las impresoras voxeljet en la práctica. Un motor tiene un tamaño de sólo 78 x 76 x 59 milímetros. Para producir los modelos de la forma más rápida y económica posible, voxeljet combinó 780 de estos motores en un solo trabajo de impresión en un espacio de construcción cuyas dimensiones eran de 1.000 x 600 x 500 milímetros. Se tardaron 23 horas en imprimir los motores con la impresora de alto rendimiento VX1000, lo que corresponde a un tiempo de impresión de sólo 1,8 minutos por motor.

Brignone & Asociados representa a voxeljet en Sudamerica, para más información y consultas, escribir a info@brignoneasociados.com.ar Además de los sistemas de impresión 3D, voxeljet también ofrece el servicio de impresión 3D de modelos, noyos (machos, núcleos, almas) según demanda.