La empresa estadounidense Tooling & Equipment International (TEI) amplía su capacidad de fabricación aditiva con su tercera impresora 3D de arena VX4000 de voxeljet, firma representada en Sudamérica por Brignone & Asociados.

Como proveedor de General Motors, TEI está utilizando la impresora 3D en arena más grande del mundo para producir almas (núcleos, noyos, machos) de fundición para la producción en serie de componentes estructurales de gran formato para el Cadillac CELESTIQ.

Cada VX4000 imprime cientos de almas (núcleos, noyos, machos) para varios conjuntos de vehículos en una sola noche: lo que hace posible plazos de entrega más cortos para componentes optimizados en peso y diseño.

Al aplicar la impresión 3D en el desarrollo y la construcción de los componentes, los fabricantes de equipos originales pueden realizar diseños completamente nuevos y con funciones optimizadas. Los proveedores se benefician de la integración rápida y flexible de los núcleos (almas, noyos, machos) impresos en 3D en las líneas de producción existentes.

TEI, un experto en piezas de fundición de alta complejidad para la industria de ingeniería y fabricación, ha estado trabajando con voxeljet desde 2018. Lo que comenzó con un contrato de volumen de tres años de más de 500.000 litros de arena impresa en 3D se convirtió en una historia de éxito para ambas empresas. TEI es la única empresa de Estados Unidos que posee tres impresoras 3D VX4000 de voxeljet, que se encuentran entre las impresoras 3D de arena más grandes del mundo, con un volumen de construcción de 4 x 2 x 1 metros.

Con su tercera VX4000, TEI ha ampliado su capacidad de fabricación aditiva hasta 2,5 millones de litros al año. Esto permite a la empresa estadounidense llevar a cabo otros proyectos técnicamente exigentes, como la producción en serie de componentes de bajo peso para el chasis del Cadillac CELESTIQ eléctrico.

Cada colada sustituye hasta 40 componentes

La novedosa estructura de chasis consta de seis grandes piezas de precisión de aluminio. Para realizar las complejas estructuras de la forma más económica y ligera posible, TEI utiliza la fabricación aditiva en la producción de todos los núcleos (almas, noyos, machos) interiores. Esto permite incorporar características de rigidez en las secciones huecas, lo que no es económicamente factible con la fabricación convencional.

En la producción de los bajos de cada vehículo se utiliza un total de 51 núcleos (almas, noyos, machos) de arena fabricados aditivamente. TEI los imprime utilizando las impresoras VX4000, cada una de las cuales imprime cientos de núcleos interiores para varios conjuntos de vehículos en una sola noche. Tras la impresión, los núcleos se alisan, se recubren con un revestimiento ignífugo, se colocan en moldes de arena y, por último, se funden mediante un proceso de llenado a baja presión.

Cada una de las seis piezas de fundición reduce el número de piezas entre 30 y 40 componentes en comparación con una construcción estampada típica. Como cada pieza estructural tiene interfaces totalmente mecanizadas, las seis piezas de fundición pueden ensamblarse con precisión y pueden mantenerse tolerancias muy ajustadas para la fabricación del conjunto.

Plazos de entrega más cortos para componentes optimizados en peso y diseño

La impresión de moldes y machos de gran formato en las impresoras 3D VX4000 hace que la producción sea más ágil y, por tanto, más rápida y económica en comparación con la fabricación convencional. Es necesario producir un número significativamente menor de componentes, lo que simplifica y acelera el trabajo de montaje.

“Al eliminar herramientas y aprovechar el gran volumen de fabricación de las impresoras VX4000, podemos reducir considerablemente los plazos de entrega y producir componentes ligeros con topologías optimizadas. Esto no sería posible de la forma convencional”

Oliver Johnson, Presidente de TEI

Además, la impresión 3D en arena hace posibles diseños completamente nuevos y estructuras ligeras. El resultado son piezas geométricamente optimizadas, muy importantes para las industrias automovilística y aeroespacial. Lo que es importante para la aplicación en los proveedores: Con las impresoras 3D VX4000 se pueden realizar de forma rápida y flexible nuevos diseños con funciones optimizadas, y los núcleos impresos se pueden integrar fácilmente en una producción existente.

“Nos complace contar con TEI como socio y usuario sólido de la impresión 3D en arena en Estados Unidos. La compra de la tercera impresora VX4000 se suma a las instalaciones anteriores del sistema en las instalaciones corporativas de TEI en Livonia, Michigan, y permite a la empresa crecer rápidamente y ofrecer proyectos únicos como este. Juntos, estableceremos aún más la tecnología de fabricación aditiva en la fabricación industrial e intensificaremos nuestra colaboración. Estamos orgullosos de apoyar a la empresa con nuestra exclusiva tecnología de impresión 3D y de demostrar una vez más que nuestra tecnología de fundición impresa está entrando en producción y permitiendo diseños sin precedentes.”

Michael Dougherty, director general de voxeljet America Inc.

Fotos: voxeljet y General Motors

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.