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Fabricación híbrida: superioridad mediante la combinación de procesos

El sector manufacturero ha experimentado un notable resurgimiento gracias al creciente interés en las tecnologías de fabricación híbrida, especialmente por su capacidad para producir componentes de manera altamente eficiente y con un rendimiento mejorado. La fabricación híbrida es un término colectivo que engloba diversos desarrollos recientes en el ámbito de los procesos de fabricación, en los que estos procesos se combinan e integran con el objetivo de aumentar la libertad de diseño, mejorar la calidad y reducir los tiempos de fabricación. Esto permite ampliar la base productiva y los campos de aplicación.

Los fabricantes incorporan una amplia gama de operaciones para producir los componentes requeridos de acuerdo con las especificaciones industriales. Los procesos de fabricación más comunes incluyen el mecanizado por control numérico por computadora (CNC), la fabricación aditiva y los procesos de conformado, incluidos el conformado, la unión y los procesos de separación, en particular la soldadura. En los últimos años, estas tecnologías se han acercado entre sí y han abierto nuevas posibilidades para diseñadores e ingenieros.

Cada proceso de fabricación presenta desventajas y limitaciones asociadas que son difíciles de eliminar por completo. El mecanizado CNC, debido a la complejidad del proceso, implica un mayor grado de dificultad en la fabricación de geometrías complejas, principalmente en relación con la accesibilidad de las herramientas de la máquina. El alcance de las tecnologías de fabricación aditiva sigue siendo limitado, especialmente debido a tiempos de producción más largos y una menor precisión de fabricación en comparación con los métodos de mecanizado CNC. El desarrollo de los procesos de conformado está restringido por el efecto de recuperación elástica (springback) y por la limitada conformabilidad de los materiales. Además, resulta especialmente complejo controlar la precisión dimensional de los componentes durante el proceso de soldadura.

Los problemas y las complejidades de proceso mencionados anteriormente en relación con los sistemas de fabricación existentes pueden resolverse mediante la fabricación híbrida, que permite la integración de más de un proceso de fabricación.

A continuación se presentan algunos resultados recientes de investigaciones académicas sobre tecnologías de fabricación híbrida

• La combinación del mecanizado CNC y la fabricación aditiva puede ofrecer una solución eficaz a las limitaciones actuales de la fabricación aditiva, en particular en lo que respecta a una mayor precisión y capacidad de mecanizado (velocidad de mecanizado) durante el proceso ¹.
• La integración de procesos de calentamiento y conformado asistidos por láser puede reducir de forma significativa el fenómeno de recuperación elástica ².
• La combinación de vibración ultrasónica y el proceso de taladrado puede reducir el desgaste de las herramientas ³.
• La utilización de la metodología de taladrado láser junto con el mecanizado electroquímico (ECM) provoca una reducción significativa en la formación de la capa de recocido (capa de material resolidificado) y de la zona afectada por el calor (HAZ). La HAZ es un área del metal que no se funde, sino que experimenta cambios en la composición del material bajo la influencia de altas temperaturas de operación ⁴.

Analicemos en mayor profundidad dos procesos híbridos que ya han sido implementados por la industria.

Fabricación aditiva híbrida con refuerzo de fibra de carbono

En 2018, la empresa alemana de ingeniería de materiales compuestos CIKONI introdujo una tecnología de fabricación híbrida basada en la fabricación aditiva y el refuerzo con fibra de carbono. La mayoría de los procesos de fabricación aditiva reforzada con fibras replican la tecnología FDM, en la que se introduce un refuerzo de fibra corta o continua en el polímero fundido durante la impresión ⁵.

La desventaja de estos enfoques es que el refuerzo de fibra solo puede aplicarse en el plano de impresión. Esto puede proporcionar un soporte eficaz en el plano para cargas de compresión y tracción, pero la mayoría de los componentes están sometidos a cargas tridimensionales. Además, el coste de los filamentos reforzados con fibra es muy elevado y la velocidad de impresión es baja, lo que hace que la fabricación rentable sea prácticamente imposible.

En contraste, el enfoque híbrido de AdditiveCARBON combina la impresión 3D no reforzada, que es rentable y escalable, con el refuerzo continuo de fibras basado en un proceso de bobinado robótico. La guía robótica también permite el refuerzo de fibras en el espacio, de modo que pueden soportarse casos de carga más complejos.

El principio ya ha sido probado con éxito junto con el fabricante alemán Audi en un segmento de bastidor de techo. El componente fabricado de forma híbrida soporta las cargas subyacentes gracias al refuerzo de fibra de carbono. La fabricación aditiva permite una libertad de diseño geométrico casi ilimitada.

Impresión 3D de electrónica mediante la combinación con máquinas de 5 ejes

Las fresadoras de 5 ejes son máquinas habituales para el mecanizado CNC de geometrías complejas desde diferentes direcciones de mecanizado. Optomec, con sede en Albuquerque (EE. UU.), combina los grados de libertad de una máquina de 5 ejes con la aplicación de pistas conductoras para la impresión 3D de componentes electrónicos.

Resistencias, condensadores, antenas, sensores y transistores de película delgada pueden generarse directamente sobre una superficie 3D mediante fabricación aditiva. Los parámetros del proceso de aplicación permiten ajustar diversas propiedades eléctricas, como la resistencia. La impresión 3D de componentes electrónicos ya se ha implementado sobre plástico, metal y cerámica.

En el proceso, los metales se atomizan primero en partículas muy pequeñas en un atomizador. Las partículas calentadas se aplican posteriormente sobre la superficie mediante un gas impulsado. Son posibles resoluciones de hasta 10 µm.

Las ventajas de la fabricación híbrida en términos de mejora de la productividad mediante la facilidad de fabricación de geometrías complejas, manteniendo al mismo tiempo altos niveles de eficiencia y precisión en plazos de producción relativamente cortos, permiten seguir ampliando el potencial del sector manufacturero en ámbitos aún inexplorados. No obstante, la gestión de varios procesos y la disponibilidad de las tecnologías individuales en las dimensiones requeridas (tamaño, número de piezas, calidad) suponen un desafío en los procesos híbridos.

Aunque en InstaWerk nos hemos especializado en el mecanizado CNC y podemos destacar con un rápido presupuesto instantáneo para mecanizado CNC, seguiremos observando de cerca las tecnologías híbridas con las que podremos ofrecer a nuestros clientes un mayor valor añadido. Actualmente, InstaWerk ya es capaz de combinar el mecanizado CNC de componentes con amplios tratamientos térmicos y modificaciones superficiales.

Fuentes sobre fabricación híbrida

1. Liang, H.; Hong, H.; Svoboda, J.; A combined 3d linear and circular interpolation technique for multi-axis CNC machining. Journal of Manufacturing Science and Engineering-Transactions of the ASME, 2002.
2. Duflou, J.R.: Laser assisted incremental forming formability and accuracy improvement. Cirp Annals – Manufacturing Technology, 2007.
3. Heisel, U.: Ultrasonic deep hole drilling in electrolytic copper ecu 57. Cirp Annals – Manufacturing Technology, 2008.
4. Zhang, H.; Xu, J.W.; Wang, J.M.: Investigation of a novel hybrid process of laser drilling assisted with jet electrochemical machining. Optics and Lasers in Engineering, 2009.
5. CIKONI GmbH: Bastidor de techo fabricado de forma aditiva con refuerzo local de fibra de carbono, 2018.