Mecanizado CNC e impresión 3D para la fabricación de piezas de metal: una excelente combinación

Fabricación de piezas de metal: ¿añadir o sustraer material?

Tal como hemos mencionado al principio de este artículo, es importante conocer bien los procesos que se utilizan para fabricar las piezas. Son muchos los ingenieros que dominan estos procesos, y por eso pedimos paciencia al lector si ya los conoce.

De las cinco tecnologías de fabricación aditiva que utiliza Protolabs (que son los principales procesos de impresión 3D que se pueden encontrar hoy en día), el DMLS es el único que permite imprimir en metal. El proceso, que funciona de forma parecida a otros procesos de impresión con un lecho de polvo, consiste en la fusión de los granos de polvo de metal (del tamaño de la harina) en la cámara de fabricación de la máquina utilizando uno o varios láseres. Empezando de abajo arriba, la máquina sinteriza una a una las diferentes capas, que tienen el grosor de una hoja de papel, y una paleta recubridora recorre la plataforma depositando la siguiente capa de polvo hasta terminar la pieza.

El mecanizado, en cambio, utiliza herramientas de corte de gran dureza para eliminar el metal, ya sea mediante el fresado (la herramienta va girando y se va moviendo alrededor de la pieza) o el torneado (la herramienta permanece fija y la pieza es la que gira). Esto es solo una breve explicación y el proceso de mecanizado es mucho más complejo, pero la idea que debemos retener es que el mecanizado empieza su función cuando termina la del DMLS. Dicho de otro modo, el DMLS añade capas de material de una en una. El mecanizado elimina material, ya sea en grandes trozos o en cantidades diminutas para lograr acabados de superficie de gran precisión.

Consideraciones respecto a la precisión de las piezas de metal

Aunque mediante el DMLS se pueden crear formas de gran complejidad imposibles de fabricar con otro sistema, esta tecnología también presenta limitaciones. Para empezar, a medida que el láser trabaja, se produce un calentamiento y enfriamiento importante del metal, lo que crea tensiones internas que se deben eliminar mediante un tratamiento térmico posterior. Esto no preocupa especialmente al diseñador de la pieza, pero al eliminar las tensiones se crea cierto movimiento de la pieza, lo que implica una pequeña pérdida de precisión. Este es uno de los motivos —y no es el único— de por qué incluso las piezas bien diseñadas fabricadas con DMLS requieren el mecanizado de determinadas formas si se necesitan tolerancias con un ajuste superior a ±0,1 mm.

Acabar el trabajo del DMLS

Otro motivo para combinar el DMLS con el mecanizado es el acabado de la superficie. En superficies verticales u horizontales, el acabado del DMLS tiene una aspereza como la que se consigue con la fundición de arena. En el resto de las superficies se produce un cierto grado de «escalonado», que dependerá en gran parte de cómo se sitúe la pieza en la cámara de fabricación. Si la pieza requiere un acabado liso, se deberá someter a un proceso de granallado, lijado o, posiblemente, también mecanizado. Esto no es problema, a menos que el acabado liso sea necesario en una superficie de la pieza a la que no puedan acceder la fresadora, taladro o herramienta de torneado. En todo caso, no olvide resaltar estas formas críticas en el modelo CAD al enviarlo a Protolabs para que se puedan identificar las formas que necesiten someterse a un proceso secundario como el mecanizado.

Eliminación de los soportes de DMLS

A la hora de diseñar piezas de metal mediante fabricación aditiva se deben tener en cuenta las estructuras de soporte. Cuando se construye un castillo de arena, si no se refuerza con algunos bastoncillos y conchas, las murallas y las torres se hunden. Lo mismo ocurre con las piezas fabricadas con DMLS. Para que el metal semifundido no penda, se ondule o coja formas no deseadas, se deben añadir soportes parecidos a un andamiaje. Habitualmente estos soportes se pueden eliminar con una herramienta Dremel, pero quizá sea preferible el mecanizado en caso de que el volumen de piezas sea mayor o si la pieza tiene que pasar igualmente por el taller de mecánica para aplicarle las operaciones de taladrado, fresado o torneado ya mencionadas.

Fijación de las piezas impresas

A diferencia del DMLS, que solo requiere una simple placa sobre la que se construye la pieza, las piezas mecanizadas se deben sujetar, atornillar o fijar con seguridad a la máquina para evitar que se muevan con la acción de la máquina de corte. Si la pieza impresa en 3D está formada solo por formas curvilíneas y orgánicas (que es una de las grandes ventajas de esta tecnología), ¿cómo se puede fijar para su torneado o fresado? En este caso, lo mejor es hablar con un ingeniero de aplicaciones de Protolabs, pero es posible que sea necesario diseñar dos superficies paralelas o algunos orificios de montaje con los que sujetar la pieza impresa en 3D para mecanizarla.

Reflexiones sobre la mecanizabilidad

Finalmente, también se debe tener en cuenta el tipo de metal utilizado. Para los láseres del DMLS la dureza o resistencia del metal es indiferente, pero estos factores sí son importantes para las herramientas de corte. Con el DMLS se pueden imprimir en 3D metales para usos aeroespaciales y médicos, como el titanio y el Inconel, entre otros. Aunque para ello sea necesario configurar distintos parámetros de láser y variar la velocidad de fabricación, no supone ningún problema. En cambio, para mecanizar estos tipos de metales, se requieren menores profundidades de corte, una velocidad más baja y un avance menor, las herramientas de corte se gastan más y se tarda más tiempo. Si desea conocer todas las opciones de material que ofrece Protolabs para el mecanizado y la impresión 3D, consulte la guía comparativa de materiales. Es posible que tenga preguntas que no pueda resolver con la lista de materiales (por ejemplo, si Protolabs no ofrece el mecanizado de un determinado material, no significa necesariamente que no podamos encargarnos del mecanizado posterior a la impresión 3D). Para preguntas de este tipo, póngase en contacto con uno de nuestros ingenieros de aplicaciones llamando al +34 932 711 332 o escribiendo a la dirección de correo electrónico [email protected].

Combinación de procesos de fabricación complejos de piezas de metal

La idea con la que debemos quedarnos es la siguiente: es posible disfrutar de las ventajas de ambos sistemas —la impresión 3D y el mecanizado— para crear piezas de metal, pero para ello es necesario tener en cuenta las opciones de diseño que hemos comentado en este artículo. El mecanizado y la impresión 3D en metal son tecnologías complejas, y para obtener buenos resultados es necesario entender cómo afectarán a su proyecto de diseño. Formule preguntas, conozca cada proceso y entienda que estas dos tecnologías de fabricación están estrechamente relacionadas.

Si tiene un diseño de una pieza de metal y cree que podría beneficiarse de la combinación de impresión en 3D y mecanizado CNC, puede indicarlo a la hora de pedir un presupuesto de impresión 3D. Cuando suba el archivo CAD, seleccione la opción de acabado personalizado y añada un comentario especificando qué formas o superficies requieren un acabado adicional. También puede adjuntar documentos, como dibujos, para identificar las tolerancias, los acabados de las superficies y otros requisitos de fabricación.