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Rápido procesamiento. Piezas personalizadas de poco volumen. Componentes y geometrías complejas que son imposibles de mecanizar. Con la experiencia y la tecnología de Stratasys puede dar cumplida respuesta estos desafíos de fabricación y muchos más.

Uso de núcleos solubles FDM para producir piezas de composite

Descripción general

Las piezas de composite se fabrican girando, envolviendo, moldeando y apilando diversas combinaciones de materiales y sistemas de resinas en moldes, patrones, núcleos y mandriles. La fabricación de piezas huecas de composite que capturen el patrón puede suponer todo un desafío de fabricación. Una forma de superar el reto consiste en utilizar herramientas con dos valvas para laminar las dos mitades (y unir) o laminar una sola pieza trabajando desde el interior de la cavidad de la herramienta.

Resumen de la aplicación

En el pasado, la mayoría de las empresas que usaban herramientas de dos valvas para producir piezas huecas de composite utilizaban máquinas de control numérico (CNC) por ordenador para fabricar patrones a partir de un bloque de poliuretano, que luego se usaba para producir los moldes. El coste de este enfoque es alto y los plazos prolongados, en especial si el patrón se encarga a un subcontratista. Por estos motivos muchas empresas se pasaron a la fabricación de patrones mediante la tecnología Fused Deposition Modeling (FDM). La tecnología FDM es un proceso de fabricación aditiva que permite fabricar piezas de plástico capa a capa, a partir de los datos de los archivos CAD. La tecnología FDM ofrece un ahorro importante de tiempo y costes permitiendo que los patrones se produzcan en mucho menos tiempo y a un coste menor.

Sin embargo, incluso después de mejorar la producción de patrones, las empresas que fabrican moldes de composite huecos tienen que hacer frente a un proceso de laminado que requiere mucho tiempo. Una vez que se ha producido el patrón, hacen falta unos tres días para crear moldes y piezas de laminado con este método. Normalmente se necesitan de 12 a 15 horas de mano de obra directa, y el resto del tiempo se emplea en el curado.

Un nuevo enfoque ofrece mejoras notables para la fabricación de bajo volumen sustituyendo el molde por un núcleo soluble FDM. Los núcleos solubles reducen los tiempos de espera y la mano de obra de manera importante eliminando la necesidad de hacer un molde y reduciendo el tiempo necesario para laminar la pieza. En lugar del tedioso proceso de laminar dos mitades de molde y luego laminar la pieza en cada mitad para luego unir estas dos mitades, se puede envolver la tela de composite alrededor del núcleo soluble. El núcleo se disuelve una vez que la pieza está curada.

La naturaleza de la fabricación aditiva permite que la tecnología FDM cree geometrías mucho más complejas de las que se pueden conseguir con otros núcleos. En muchas aplicaciones, una mayor libertad de diseño ofrece mejoras en el rendimiento y una reducción de los costes. Los núcleos solubles FDM son lo bastante fuertes como para resistir las cargas de los procesos de fabricación de composite. Además, no existe riesgo de dañar la pieza durante la extracción del núcleo, ya que este simplemente se derrite a medida que se sumerge en un baño líquido.

Descripción general del proceso

La fabricación de núcleos solubles FDM requiere dos cambios respecto al proceso FDM estándar. En primer lugar, el núcleo está diseñado para que su estructura interna sea básicamente hueca. En segundo lugar, el termoplástico resistente de una pieza FDM estándar se sustituye por un material soluble que se utiliza normalmente en la construcción de estructuras de soporte para las piezas. Se puede diseñar el núcleo de dos formas diferentes. Una de ellas consiste en crear un modelo 3D sólido y utilizar la opción de relleno escaso en Insight, el software de preparación para la creación de Fortus, para crear automáticamente una estructura interna que minimice el volumen interno del núcleo. El segundo enfoque consiste en crear (en CAD) una estructura interna que mantenga el núcleo estable bajo las temperaturas y las presiones del moldeado de composite, a la vez que se fomenta el flujo de la solución para acelerar la eliminación del núcleo. Ambos enfoques reducen el consumo de material, el tiempo de fabricación y el tiempo de lavado.

La integración de núcleos solubles FDM en el proceso de fabricación es relativamente sencilla. No es necesario modificar los procesos antes del curado del composite y de la eliminación del núcleo. El ciclo de curado también permanece inalterado, pero hay que limitar las temperaturas para evitar distorsión. En general, las piezas de composite con núcleos FDM se deben curar a temperaturas inferiores a los 121 °C (250 °F) y a presiones menores de 345 kPa (50 psi). El único cambio en el proceso es que, después de que se haya curado la pieza de composite, se elimina el núcleo al disolverlo en un baño de solución. Para hacerlo, se coloca la pieza en el sistema de soporte soluble WaterWorks de Stratasys.

Caso de cliente

Después de cada carrera, los ingenieros de Joe Gibbs Racing (JGR) disponen solo de tres días para diagnosticar problemas, encontrar soluciones e implementarlas antes de enviar el coche a la siguiente carrera. La capacidad de JGR para pasar del concepto a la fabricación de piezas ha sido de gran ayuda para llevarlo a tres campeonatos y situarse como uno de los equipos más competitivos del circuito NASCAR.

Un domingo, un neumático salió volando de un automóvil JGR, y los ingenieros pudieron identificar que se debió a un problema con el conducto de salida de aire que enfriaba el neumático. Antes habría hecho falta más de una semana para desarrollar un nuevo concepto de diseño para el conducto de salida, crear y evaluar un prototipo FDM, crear un molde mediante un patrón FDM y laminar una pieza de composite. Este proceso no se habría podido completar a tiempo para fabricar una pieza nueva antes de la siguiente carrera.

JGR utilizó un núcleo soluble FDM para reducir considerablemente el tiempo necesario para rediseñar el conducto y crear una pieza de producción. El lunes, un ingeniero de JGR diseñó un nuevo conducto de salida capaz de aportar el caudal de aire necesario sobre el reborde del neumático para mantenerlo frío. A continuación, el ingeniero creó un modelo de concepto en solo cuatro horas, gracias al sistema Fortus de Stratasys. Después de varias iteraciones sobre el concepto y de confirmar el ajuste sobre el vehículo, el ingeniero fabricó un núcleo soluble FDM. La pieza final de fibra de carbono se puso sobre el núcleo de composite. Una vez realizada la curación de la pieza, se disolvió el núcleo soluble. La pieza nueva estaba lista el miércoles, justo a tiempo para fijarla con tornillos al vehículo antes de enviarlo a la siguiente carrera.

¿Cómo ha resultado para JGR el uso de núcleos solubles FDM respecto al uso de herramientas con valvas?


Método

Coste

Tiempo

Mano de obra

Patrón FDM y molde con valvas

USD $350

3 días

15 horas

Núcleo soluble FDM

USD $90

1 día

2 horas

AHORROS

USD $260 (74%)

2 días (66 %)

13 horas (87 %)

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