Fixtures y Manufactura Aditiva: Procesos, Materiales y Aplicaciones

Fixtures: Soporte y Precisión en la Manufactura

Los fixtures son elementos esenciales en diversos procesos de manufactura. Su función principal es sostener y mantener la posición de una pieza de trabajo, asegurando la estabilidad y la repetibilidad durante las operaciones. Es importante destacar que un fixture no localiza ni guía la herramienta de corte; su rol se centra en la sujeción de la pieza.

Tipos de Fixtures y sus Aplicaciones

• Fixtures de Maquinado: Mantienen la pieza firmemente sujeta durante el proceso de maquinado. Previenen la distorsión, lo que permite obtener las dimensiones geométricas deseadas con alta repetibilidad y precisión. Esto se traduce en una reducción de costos y significativos ahorros.
• Fixtures de Ensamble: Sujetan y mantienen en la posición correcta las piezas que serán ensambladas. Aseguran la alineación, el ajuste y la funcionalidad, generando ahorros considerables, que pueden alcanzar hasta un 65%.
• Fixtures de Inspección: Se utilizan para verificar la calidad de las piezas manufacturadas, especialmente aquellas con formas complejas. Permiten aceptar o rechazar piezas basándose en su precisión dimensional o geométrica.
• Fixtures de Soldadura: Mantienen la pieza en la posición y alineación adecuadas para realizar operaciones de soldadura de manera eficiente y precisa.

Manufactura Aditiva: Innovación Capa por Capa

La manufactura aditiva, comúnmente conocida como impresión 3D, es una tecnología revolucionaria destinada a producir objetos mediante la adición de material capa tras capa.

Tecnología FDM (Fused Deposition Material)

El método FDM se utiliza para fabricar partes plásticas. Consiste en extruir un termoplástico fundido, depositándolo capa por capa para construir el objeto.

Ciclo de Trabajo del Método FDM

• Extrusión de la primera capa.
• Deposición de las capas subsiguientes del material.
• Extrusión de la última capa.
• Post procesado.

Sistemas de Extrusión en FDM

• Cold End: Incluye el motor del extrusor, los engranajes o rodillos, y la guía del filamento.
• Hot End: Comprende la boquilla, el bloque calefactor y el disipador de calor.

Tipos de Sistemas de Extrusión

• Extrusión directa.
• Extrusor tipo Bowden.

Metodología Completa para la Fabricación de Componentes mediante FDM

1. Preprocesamiento:

• Creación del modelo CAD utilizando software especializado.
• Procesamiento del modelo en un laminador o slicer.

• Deposición de capas según los parámetros establecidos en el código G.

• Remoción de soportes y mejora de la calidad superficial.

El Rol del Laminador o Slicer

El laminador o slicer es crucial, ya que establece los parámetros de impresión adecuados según criterios como el material, las propiedades mecánicas deseadas y la calidad de impresión requerida. A diferencia del entorno de diseño (CAD), que se enfoca en la creación del modelo 3D, el slicer traduce este modelo en instrucciones (código G) que la impresora puede ejecutar.

Materiales Comúnmente Empleados en FDM

• ABS
• PLA
• PETG
• Nylon
• TPU
• PVA
• HIPS
• Materiales compuestos

Problemas Comunes en la Impresión mediante FDM y sus Soluciones

• Problemas en la primera capa: La calibración precisa de la altura de la primera capa es fundamental para asegurar una buena adhesión y el éxito de la impresión.
• Warping: Causado por enfriamiento inadecuado de las capas. Imprimir en entornos cerrados ayuda a eliminar gradientes de temperatura y mitigar este problema.
• Stringing: Genera filamentos finos entre partes de la impresión. Se debe a ajustes incorrectos de retracción, temperatura inadecuada o humedad en el filamento.
• Desplazamiento de capas: Un desfase entre capas que afecta el acabado superficial y la resistencia. Se soluciona ajustando las correas de movimiento y verificando que no haya obstrucciones en las guías.
• Sobreextrusión: Se extruye demasiado filamento, resultando en un acabado superficial inadecuado. Se recomienda reducir la velocidad de extrusión o realizar un test de flujo.
• Falta de extrusión: Obstrucciones en la boquilla impiden el flujo correcto del filamento. Asegurar un flujo de filamento sin obstáculos es la solución.

Tipos de Soporte

• Normales.
• De árbol.

Pruebas Mecánicas para Materiales

• Prueba de Tensión: Se realiza en una máquina universal para medir la resistencia y el estiramiento de un material bajo carga. Se utiliza un deformímetro o extensómetro para medir la deformación.
• Ensayo de Impacto: Evalúa la fragilidad de un material al someterlo a impactos rápidos. Se emplean métodos como Charpy e Izod, donde un péndulo golpea una probeta (con o sin muesca). La energía de impacto se calcula a partir de la elevación final del péndulo.

Efecto del Relleno en las Propiedades Mecánicas

Las piezas impresas en 3D pueden ser sólidas o huecas, utilizando diversos patrones de relleno (como concéntrico, rectilíneo, panal de abeja, giroid, zig-zag, cúbico). El tipo y porcentaje de relleno influyen significativamente en las propiedades mecánicas finales de la pieza.

Manufactura Aditiva por Estereolitografía (SLA)

La estereolitografía (SLA) es una técnica de impresión 3D que utiliza la fotopolimerización, también conocida como impresión 3D en resina.

Impresión 3D en Resina: Principios y Ventajas

Este proceso utiliza una fuente de luz (láser, proyector o luz ultravioleta) para solidificar resinas líquidas capa por capa. Las piezas resultantes ofrecen una mayor resolución, precisión, detalles más nítidos y acabados superficiales más suaves.

Desventajas de la Impresión 3D a Resina

Requiere postproducción para la eliminación de soportes y curado adicional, lo que puede ser más tardado y delicado.

Principio de Funcionamiento de SLA

La SLA utiliza luz para curar resinas termoendurecibles. Al exponer la resina a una longitud de onda de luz específica, esta polimeriza, solidificando la geometría deseada.

Variantes del Proceso de Impresión a Resina

• SLA (Estereolitografía): Utiliza un láser que expone un punto a la vez.
• DLP (Tratamiento Digital de la Luz): Emplea un proyector que expone una capa completa de píxeles.
• MSLA (Estereolitografía Enmascarada): Utiliza una pantalla LCD que expone múltiples puntos simultáneamente.

Ventajas de SLA sobre FDM

• Isotropía: Las propiedades mecánicas son uniformes en todas las direcciones (X, Y, Z) gracias a los enlaces covalentes generados.
• Impermeabilidad: Las piezas son inherentemente impermeables.
• Precisión y Tolerancia: Mayor exactitud dimensional.
• Superficies Lisas y Mayor Detalle: Acabados superiores y detalles más finos.

Procesos de Soldadura: GMAW

El proceso Gas Metal Arc Welding (GMAW), también conocido como soldadura MIG/MAG, utiliza un electrodo consumible en forma de alambre que se alimenta de forma continua. Un gas de protección externo se emplea para proteger el baño de soldadura.

Tipos de Proceso GMAW

• MIG (Metal Inert Gas): Cuando se utiliza un gas de protección inerte.
• MAG (Metal Active Gas): Cuando se utiliza un gas de protección activo.

Proceso GMAW

La pistola de soldadura dirige el electrodo consumible y suministra el gas protector a la zona de soldadura. Se establece y mantiene un arco eléctrico que funde el electrodo y el material base.

Métodos de Transferencia del Material de Aporte en GMAW

• Corto circuito.
• Globular.
• Spray.
• Pulsado.

GMAW WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing)

Este método combina la soldadura GMAW con la manufactura aditiva para crear piezas metálicas capa por capa. Utiliza un alambre metálico como material de aporte, fundido por un arco eléctrico y protegido por gas.