Las impresoras LFAM superan los límites físicos

Los fabricantes de máquinas de fabricación aditiva de gran formato (LFAM) continúan presionando las leyes de la física.

One acaba de vender su impresora 3D más grande hasta la fecha, capaz de fabricar piezas de casi 20 pies (6,1 m) de largo. Otro fabrica una máquina LFAM que puede imprimir en un ángulo de 45°. Y otro más tiene una nueva máquina exclusivamente para fabricar moldes compuestos que imprime y funde las herramientas al mismo tiempo.

Al mismo tiempo, a medida que la potencia informática sigue asumiendo más operaciones de las máquinas herramienta actuales, las impresoras 3D de gran formato no son una excepción.

BigRep America Inc., Wilmington, Mass., puede ser el último de los fabricantes de máquinas LFAM en juguetear con los cerebros que controlan el funcionamiento de una de sus máquinas, lo que dio como resultado el Pro.2. Con el nuevo modelo, la calibración manual de la plataforma de impresión, los extrusores y el mecanismo de extrusión dual es cosa del pasado.

"Si lo miras desde fuera, parece exactamente igual, pero realmente nos centramos en la facilidad de uso", afirmó Marco Mattia Cristofori, director de marketing de producto de la empresa matriz BigRep GmbH, Berlín. “Trabajamos mucho en el sistema de control MXT para que la computadora sea mucho más inteligente. El objetivo principal es que el usuario se centre únicamente en cortar y preparar el código G”.

Las actualizaciones en el sistema MXT son parte del nuevo Jumpstart de BigRep, una “solución híbrida de software y hardware que le permite evitar complicaciones y simplemente comenzar a imprimir”, según el sitio web de la compañía. Jumpstart tiene dos componentes más: Switchplate, una plataforma de impresión extraíble y flexible que encaja en su lugar con la ayuda de imanes; y Lockstage, una ayuda para un montaje fácil y seguro del extrusor, con los extrusores también encajando en su lugar.

El nuevo modelo cuenta con el respaldo del Precision Motions Portal de BigRep, un pórtico hecho a medida impulsado por componentes CNC Bosch Rexroth, incluidos servomotores con codificadores integrados.

"El portal es mucho más ligero y realmente puede aumentar la precisión y la velocidad", dijo Cristofori.

Metso Outotec, un proveedor global de equipos y soluciones para las industrias de procesamiento de minerales y refinación de metales, solía fabricar moldes y cajas de machos para fundición de metales pegando primero bloques de madera. El tocho de madera resultante luego se fresaría con un CNC.

Sin embargo, en febrero de 2021, la fundición de la empresa en Brasil instaló un BigRep Pro que ha sustituido en gran medida la necesidad de bloques de madera pesados. Después de imprimir 70 piezas en su Pro, Patricia Moraes, encargada de la impresión 3D en la fundición, señaló que Metso redujo los costos de los patrones hasta en un 70 por ciento, aceleró la producción y facilitó el manejo de los patrones de polímero porque son más livianos que los madera y liberó espacio de almacenamiento previamente reservado para la madera.

BigRep también mejoró recientemente su modelo insignia, el One, para producir el One.4. El One.4 es completamente configurable, con extrusores simples, dobles y gemelos disponibles. El modo dual permite al usuario imprimir con material de soporte soluble en agua en la segunda extrusora. O pueden utilizar dos materiales con diferentes propiedades mecánicas en las extrusoras para aplicaciones más complejas.

El mismo material se puede utilizar para una impresión y sus soportes, que se desprenderán enseguida. Pero para obtener un acabado superficial "radicalmente" mejorado, los usuarios deberían buscar el material de soporte soluble en agua de BigRep que se elimina completamente con el lavado, dijo Tim Ruffner, director de ventas para América. Zoeller, un fabricante de vehículos de recogida de residuos con sede en Alemania, actualizó un One que compró en 2019 con dos extrusoras para aumentar la producción.

Acelerar las iteraciones de prototipos con impresión 3D ayuda a satisfacer la necesidad de Zoeller de adaptarse constantemente para cumplir con las normas de seguridad y protección específicas de cada país para sus vehículos que se utilizan en muchos países diferentes. Debido a que la próxima generación de vehículos utiliza elevadores mecánicos en lugar de manipuladores humanos de basura, los vehículos también deben poder levantar diferentes tipos de contenedores.

Antes de que Zoeller adoptara la impresión 3D, los componentes de los controles, luces y sensores del hogar tenían que formarse laboriosamente a partir de láminas de acero. Además de llevar mucho tiempo desarrollarlos, estos prototipos estaban limitados en términos de complejidad, precisión y propiedades de los materiales.

Qué diferencia ha supuesto la impresión 3D para la empresa: las iteraciones de prototipos ahora tardan días, no semanas; los clientes pueden examinar las piezas cambiadas rápidamente, mientras sus ideas están frescas en sus mentes; y los prototipos impresos son fáciles de instalar en vehículos, por lo que pueden probarse en condiciones del mundo real.

En 2020, Thermwood Corp. y General Atomics Aeronautical Systems Inc. compitieron en una comparación directa de dos métodos de fabricación aditiva para fabricar una herramienta de corte CNC.

La compañía aeroespacial utilizó un proceso de laminado manual para fabricar la herramienta de recorte de laminado de fibra de carbono que se utiliza para sostener otro molde o herramienta mientras se mecaniza. Thermwood imprimió en 3D una pieza de 539,77 kg (1190 lb) en su LSAM (fabricación aditiva a gran escala) 1020 utilizando gránulos de ABS con un 20 por ciento de relleno de fibra de carbono.

“Después de que lo imprimimos y lo mecanizamos, hicieron sus propias pruebas basándose en ahorros de costos y cosas así. Volvieron con nosotros y dijeron que les había ahorrado alrededor de $50,000 en comparación con los métodos tradicionales que estaban usando”, dijo Duane Marrett, vicepresidente de marketing de Thermwood, Dale, Indiana. “Tardaron 16 horas en imprimir y 32 horas en recortar. Normalmente, de la forma en que lo hacían antes, habría llevado de seis a ocho semanas de principio a fin, y con el LSAM tomó menos de dos semanas”.

La impresión y el recorte se realizaron dentro de la 1020, gracias al segundo de los dos pórticos de la máquina, este para un enrutador CNC de cinco ejes. “Pueden operar al mismo tiempo: mientras uno imprime, el otro recorta”, dijo Marrett. La naturaleza de doble función de la máquina no es la única demostración de la versatilidad de la 1020.

Thermwood ha equipado la máquina con tres modos de impresión: horizontal, vertical y en ángulo, "que es lo más nuevo", dijo Marrett. La impresión por capas en ángulo utiliza una mesa especial y una configuración única del cabezal de impresión para dispensar el material en un ángulo de 45°. "Eso permite mucha flexibilidad", dijo Marrett.

Para la industria marina, Thermwood imprimió en 3D un patrón de casco de barco para White River Marine Group con Techmer Electrafil ABS LT1 3DP. Si bien el patrón no fue una demostración directa como la de General Atomics, el método tradicional para fabricar la pieza incluye pegar un espacio en blanco usando capas de madera o espuma y luego mecanizar la mayor parte de ese material, un proceso que podría llevar meses.

"Este fue un nuevo diseño que el fabricante del barco nos dio para imprimir", dijo Jason Susnjara, vicepresidente ejecutivo de Thermwood, en respuesta a los comentarios en un video de YouTube que muestra la impresión del casco del barco.

Todo el proceso de impresión, ensamblaje y recorte requirió menos de 10 días hábiles para completarse y utilizó alrededor de $15,000 en materiales. Una vez que Thermwood imprimió en 3D las secciones del casco hasta casi la red, los operadores mecanizaron los extremos para aplanarlos, utilizando un centro de mecanizado CNC que forma parte del LSAM. Luego usaron un epoxi para unir las secciones.

"Al igual que hacer una herramienta para cualquier cosa, si comienzas con un gran bloque de material, terminas mecanizando la mayor parte", dijo Susnjara. “Ofrecemos centros de mecanizado CNC que hacen precisamente eso. La impresión 3D nos permite imprimir un objeto ligeramente más grande que el tamaño final, requiriendo mucha menos eliminación de material. La impresión 3D también es más rápida que el mecanizado. En general, descubrimos que el mecanizado tarda aproximadamente 3 veces más que el ciclo de impresión, dependiendo de la geometría y el acabado”.

Lo que gobierna la velocidad de impresión es esencialmente la velocidad de enfriamiento del polímero que se imprime. Debido a que la perla del LSAM es comparativamente grande, 0,5" (12,7 mm), la impresora realiza su trabajo en un ambiente a temperatura ambiente. La perla impresa debe enfriarse lo suficiente para soportar la siguiente capa, pero aún debe estar lo suficientemente caliente para fusionarse completamente con ella. Esto significa que hay un rango de temperatura específico, que es diferente para cada polímero, ese tiempo es el más rápido que se puede imprimir una capa, independientemente de su tamaño.

Sciaky Inc., Chicago, cuya tecnología de soldadura e impresión 3D funciona con un haz de electrones, recibió su pedido más grande a principios de 2022. El pedido, que incluye un sistema de fabricación aditiva serie EBAM 300 personalizado, el sistema de fabricación aditiva de energía dirigida por haz de electrones más grande del mundo. Impresora 3D de deposición de metal: es para las instalaciones de Turkish Aerospace Industries (TAI) en Ankara, Turquía. TAI utilizará la máquina Sciaky EBAM para imprimir aeroestructuras de titanio.

El contrato entre TAI y Sciaky también incluye la colaboración en una serie de proyectos destinados a optimizar el uso por parte del cliente de la máquina EBAM y su tecnología.

“En general, trabajamos con materiales de alto valor como titanio, niobio, Inconel, tantalio, un montón de cosas que son muy específicas para el sector aeroespacial y de defensa, ciertamente cosas que se consideran muy fuertes y para entornos muy resistentes; material que puede resistir cosas como el espacio y la defensa”, dijo Jay Hollingsworth, director de relaciones públicas de Phillips Service Industries Inc., la empresa matriz de Sciaky.

Además de realizar impresión 3D, la EBAM 300 también puede equiparse para realizar soldadura por haz de electrones (EB) para aplicaciones a gran escala. Esto significa que TAI tendrá la ventaja de combinar la soldadura EB y la funcionalidad de impresión 3D para aplicaciones que requieren ambas tecnologías.

"El sistema AM puede cambiar rápidamente para realizar las funciones de soldadura", dijo Hollingsworth. “Así que puedes construir una estructura aero grande y bonita y, si la aplicación necesita unirse a otra parte de la aeronave, o lo que sea que estés construyendo, puedes soldar esa parte. Es dos por uno y no hay muchas máquinas en el mundo que puedan hacer eso”.

Para calidad y control, el EBAM 300 utiliza el sistema de detección e imágenes en tiempo real Interlayer de Sciaky que puede detectar y autoajustar digitalmente la deposición de metal con precisión y repetibilidad. Este control de circuito cerrado es la razón principal por la que el proceso de impresión EBAM 3D de Sciaky ofrece geometría de pieza, propiedades mecánicas, microestructura y química del metal consistentes, desde la primera pieza hasta la última, según comentarios preparados por la empresa.

Hollingsworth señaló las ventajas que la impresión 3D de piezas de titanio tiene para ofrecer a clientes como TAI. "Para una industria como la aeroespacial, que se ocupa de estos materiales realmente caros, comprar una gran cantidad de titanio o un tocho lleva mucho tiempo", dijo Hollingsworth. “Muchas veces alguien puede pedir un trozo de titanio y puede que provenga de Rusia y que tarde 15 meses en recibirlo. Para nuestro sistema, hay muchos cables disponibles. Y no vas a desperdiciar todo el material hasta el punto de cortarlo. Cuando se fabrica la pieza [con un proceso sustractivo] se está desperdiciando el 80 por ciento del titanio y eso es algo bastante caro. Así que aquí estamos acelerando el tiempo de comercialización y ahorrando desperdicios”.

Hollingsworth dijo que habrá algo de mecanizado en la pieza después de la impresión, pero lo describió como "mínimo". Señaló que otros grandes fabricantes de la industria aeroespacial, incluidos Airbus y Lockheed Martin, también tienen la tecnología EBAM de Sciaky. "Tenemos suerte de que muchos de nuestros procesos hayan sido aprobados para tierra, mar, aire y espacio, y estamos trabajando para la adopción de aviones comerciales", dijo Hollingsworth. "Y ciertamente, cada uno de los principales fabricantes de aerolíneas está considerando la fabricación aditiva y haciendo sus inversiones porque ven lo que está escrito en la pared".

Mientras tanto, Massivit 3D, Lod, Israel, ha modificado la química de su material de curado UV para hacerlo rompible al agua para su uso en un nuevo proceso de impresión 3D. Diseñado para usarse con el modelo Massivit 10000 de la compañía, también nuevo, el material ligeramente modificado, Dimengel 50, se utiliza para imprimir una carcasa para un molde de compuestos isotrópicos.

"Si alguna vez has visto a alguien crear una forma para una base, es más o menos el mismo concepto", dijo Mike Clark, gerente de ventas de compuestos para Norteamérica. "Una pared exterior y una pared interior".

Durante el proceso, se imprimen de ocho a diez capas de “paredes” en incrementos de 1 mm. Luego, un segundo cabezal de impresión entra y dispensa epoxi para herramientas de dos componentes en el espacio vacío entre las paredes. Los pasos de impresión y vertido se repiten hasta completar el molde.

“Así que imprimes un poco y sirves un poco”, dijo Clark.

El tiempo abierto o el tiempo que tardan los materiales mezclados en alcanzar la resistencia en verde es de aproximadamente 20 minutos. Este tiempo abierto permite que las capas de vertido se mezclen, creando una verdadera herramienta de molde isotrópica impresa en 3D, dijo Clark. Después de la impresión y el tratamiento térmico secundario opcional, la pieza se sumerge en agua, lo que hace que las paredes de Dimengel 50 se rompan. Una vez seca, la pieza se puede lijar, pulir y pulir.

"Los fabricantes de moldes suelen seguir entre 19 y 25 pasos para fabricar un molde de materiales compuestos, pero esto lo reduce a cuatro pasos", dijo Clark. Refinar el proceso también ahorra tiempo, lo que representa una reducción de tiempo de hasta un 80 por ciento, una reducción de mano de obra de un 90 por ciento y una reducción de hasta un 75 por ciento en el costo total de propiedad de las herramientas, dijo Clark.

Además de ahorrar tiempo, Clark destacó la propiedad isotrópica de los moldes fabricados con el 10000. "El nuestro es un material sólido", dijo. “En los ejes X, Y y Z, el coeficiente de expansión térmica, la temperatura de deflexión del calor, todas esas características son las mismas, independientemente de la orientación. En una impresora FDM tradicional hay que orientar la pieza de cierta manera para que el eje Z no reciba la mayor parte de la carga porque el eslabón más débil en una pieza impresa es la laminación, la unión [de las capas] o la falta de ella. .”

Massivit trabajó con ACS Hybrid Inc. y 3D Composites para imprimir una herramienta para una pieza aeroespacial en una Massivit 1800 Pro que resistió 45 tirones en una máquina de termoformado. Tradicionalmente, las herramientas están hechas de espuma de alta densidad o de aluminio. "La espuma de alta densidad no durará 50 tirones", dijo Clark. La herramienta de metal sería mucho más duradera, pero en el termoformado se necesita un molde para retener algo de calor y el aluminio es un conductor.

"Si hicieras el mismo molde con el 10000 usando CIM [cast-in-motion] 155, obtendrías miles [de tirones]", dijo Clark. Debido a que CIM 155 es un aislante, permanece a temperatura más tiempo que el aluminio. El 1800 Pro y otros dos modelos, el 1800 y el 5000, utilizan la tecnología de impresión 3D de dosificación de gel original de la compañía utilizando un material de base acrílica.

En 2019, Massivit y Streetfighter LA, un fabricante de repuestos para automóviles y kits de carrocería ancha, colaboraron en un kit de carrocería ancha Toyota Supra MK5 2020, que incluía 16 piezas impresas en 3D en un 1800 Pro. Las piezas incluían paneles de carrocería, el labio delantero y el alerón trasero dinámico. El gran volumen de impresión de la impresora 3D permitió imprimir piezas como el labio delantero y el alerón trasero en una sola pieza de hasta 1,52 m (5 pies) de largo.

Esto permitió fabricar prototipos en 64 horas, lo que es mucho más rápido que cualquier método tradicional de creación de prototipos automotrices, como cartón, arcilla o espuma. La disponibilidad de dos cabezales de impresión en las soluciones de impresión 3D de Massivit permite la producción paralela de dos piezas prototipo. Se pueden crear rápidamente múltiples iteraciones, lo que reduce el tiempo de comercialización de piezas simétricas y precisas.

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