Tablero con vetas de madera de Objet Acabado

Aplicaciones de acabado

Una, selle y embellezca las piezas impresas en 3D

Para prototipos que a penas de pueden distinguir de los productos moldeados con inyección, aplicaciones de herramientas avanzadas, y dispositivos personalizados duraderos que tienen un aspecto y una textura agradables, aplique algún procesamiento posterior sencillo a las piezas impresas en 3D.

Estación de suavizado de toque final: ampliando las posibilidades

Información general

La gama de aplicaciones de fabricación aditiva es amplia y sigue en aumento. A medida que los procesos y materiales van avanzando, la industria amplía el uso de la tecnología más allá del prototipado y de la fabricación. Aunque las aplicaciones son diversas, hay un dilema que comparten todas, una compensación subyacente entre la calidad estética y la funcionalidad. Las tecnologías de fabricación aditiva con los mejores acabados de superficie se distinguen claramente de aquellas con la mayor resistencia.

Prácticamente, cualquier pieza dura, duradera y resistente puede tener un acabado para una superficie suave y lista para la pintura. Sin embargo, el costo y el tiempo para hacerlo podrían ser prohibitivos o los efectos en la precisión de la pieza podrían ser inaceptables. Esto dio como resultado que en el pasado las empresas eligieran una alternativa más débil y menos duradera para ahorrar tiempo, disminuir el costo y conservar los detalles.

Los prototipos de acabado, los componentes de estampado o las piezas finales se pueden hacer de varias formas, cada una de las cuales varía en cuanto a tiempo de espera, gastos y calidad. La alternativa más común es lijar una pieza en forma manual o con herramientas eléctricas. En general, esto funciona bien, especialmente para las piezas de tamaño razonable y con pocas características y detalles. Sin embargo, si la pieza incluye muchas características, detalles pequeños o cavidades profundas, el lijado se vuelve una tarea ardua, costosa y que ocupa mucho tiempo. Otra consideración es que la eliminación de material hace que la precisión dimensional sea una variable que cambia con cada individuo que entre en contacto con la pieza.

Entre las operaciones de lijado se podría aplicar masilla o pintura base. Esta es una técnica común al preparar una pieza para el proceso de pintura, ya que proporciona piezas con acabados muy suaves. La masilla y la pintura base también ayudan a preservar la precisión dimensional, ya que se rellenan los surcos antes de lijarlos. Sin embargo, este acabado que deja listo para la pintura tiene un costo. Toma mucho más tiempo aplicar varias capas de masilla y de pintura base y aún más trabajo lijar entre cada capa. Esto aumenta el tiempo de espera y los gastos de la pieza.

Otro método para suavizar las piezas hechas de termoplásticos es “derretir” la superficie exterior con un solvente. Es posible que se haya cepillado MEK o ProWeld en las superficies de las piezas o que se hayan sumergido en un baño del material. El solvente hace que el plástico se licúe y llene las áreas inferiores de la superficie. Los solventes tienen el beneficio agregado de sellar una superficie porosa. Aun así, hay algunos inconvenientes. Es posible que se distorsionen las características pequeñas, que no se alcancen las cavidades y las gotas podrían dejar una marca visible. Otra consideración es que los tiempos de secado podrían ser largos si el solvente tiene que evaporarse desde lo profundo de una superficie porosa.

Lo que necesita la industria, especialmente al buscar aplicaciones de fabricación digital directa (DDM, por sus siglas en inglés), es una técnica de acabado que mantenga los tiempos de espera y los costos al mínimo, a la vez que entrega una pieza robusta y funcional, con gran precisión y detalles nítidos.

FDM y el proceso de suavizado

Ya hay un método de acabado alternativo disponible para procesar las piezas FDM. Con poco trabajo y un ciclo de procesamiento corto, la estación de suavizado de toque final produce prototipos, herramientas y piezas finales con acabados que están listos para la pintura, laminado o producción. La estación de suavizado puede proporcionar un acabado de superficie de 32 a 63 micrones.

El éxito del proceso de suavizado ha impulsado a las empresas a reevaluar el uso de FDM para las aplicaciones que usan tecnologías competitivas. FDM era la solución preferida en muchos casos, pero el tiempo y los gastos para acabar las piezas no eran adecuados para la aplicación. La estación de suavizado entrega a estas empresas la resistencia de las piezas FDM junto al acabado de superficie suave que necesitan.

La estación de suavizado consta de dos cámaras: una para enfriar y curar y otra para suavizar. Primero, se ponen las piezas en la cámara de enfriamiento para disminuir sus temperaturas. Luego, se transfieren a la cámara de suavizado y permanecen ahí durante 10 a 30 segundos. La temperatura más fría de la pieza hace que el agente de suavizado se condense en todas las características. A medida que lo hace, se adhiere a las superficies de la pieza y las suaviza hasta conseguir un acabado fino. Tiene que curarse por 15 o 20 minutos. Luego, se lija suavemente y se repite el ciclo según sea necesario. El lijado no es necesario, pero produce el mejor resultado. Se repite el ciclo las veces que sea necesario y luego las piezas reposan en la cámara de curado. Las piezas están secas al tacto en 30 o 45 minutos. Para obtener los mejores resultados, hay que dejar curar las piezas entre 12 y 18 horas.

Cuando se sacan las piezas de la estación de suavizado, tienen un acabado brillante. Si se prefiere un acabado mate, al proceso de suavizado le sigue un barnizado con chorro de granalla (a veces, se le llama chorreador de arena). Stratasys recomienda usar un chorro con una presión no mayor que 2.068 bar o 30 psi en el difusor de espray, y una estructura de 1.016 x 509 x 508 mm (40 x 22 x 22 pulg.). Barnizar la superficie con material plástico Polyhard Type III (puedes pedirlo en línea en www.ustechnology.com/ stratasys) le brinda una textura uniforme y de tipo satín a la pieza, similar a las piezas modeladas por inyección.

El proceso es un método suave y sin intervención (no-touch) para el acabado de las piezas FDM. Esto evita que las pequeñas características se distorsionen o que se eliminen por error. También conserva la precisión dimensional de la pieza FDM.

Esta conclusión la han comprobado estudios realizados en el Keck Center para la innovación 3D de la Universidad de Texas, en El Paso (UTEP). Según Frank Medina, gerente del centro Keck W.M., “La precisión del FDM de 400mc debe ser +/- 0,013 mm (+/- 0,005 pulg.). El proceso de suavizado cambiar la pieza en no más de 0,023 mm (0,0009 pulg.). Esto nos permite concluir que los cambios en la precisión debido al suavizado luego de tres exposiciones es insignificante.” En una separación aparte en UTEP, que llevaron a cabo David Espain, Frank Medina y Ryan Wicker, el equipo determinó que la precisión dimensional no se ve esencialmente afectada por la duración de la exposición o por el número de estas. El equipo también determinó que 1 hora, 20 minutos es suficiente para que la pieza se endurezca por completo, luego de sacarla de la cámara de suavizado.

La estación de suavizado reintroduce FDM a las aplicaciones para las que la textura de la superficie es tan importante como la funcionalidad, el tiempo de espera y el costo. Un lote típico de piezas FDM se puede procesar y estar listo para la pintura en menos de dos horas, con menos de 15 minutos de trabajo.

Aplicaciones

Los ejemplos de aplicaciones para la vida real del proceso de suavizado cubren una gama muy amplia, que va desde muestras de marketing pintadas a la fabricación de productos acabados. Desde el lanzamiento de la estación de suavizado se ha ampliado el uso de sistemas Fortus para una gama de aplicaciones. Con el proceso de suavizado, las empresas están ampliando el uso que hacen de FDM en aplicaciones que requieren funcionalidad y superficies suaves. Las aplicaciones incluyen: 1. Acabado de piezas maestras con pintura o galvanoplastia 2. Estampado de maestros 3. Sellado de piezas para aplicaciones líquidas 4. Termoformado de moldes y 5. Moldeado por inversión.

Pintura:

Uno de los líderes en fabricantes de automóviles estima que toma tres días y $700,00 USD preparar el prototipo final de rejilla para el proceso de pintura. Durante el transcurso de los tres días, los trabajadores aplican la masilla, lijan todas las superficies, rocían la pintura base, vuelven a lijar todas las superficies y le dan un acabado con una capa principal de pintura base. Por el contrario, la misma rejilla se suaviza y queda lista para la pintura en menos de dos horas. El tiempo de trabajo total del proceso de suavizado es de solo 3&4 de hora, y los costos en suministros son menos de $10,00 USD. Aunque el ahorro en tiempo y gastos de un 90 % es algo impresionante, la empresa cree que el mayor beneficio se ve en la reducción del tiempo de fabricación.

Para disminuir el tiempo del pulido manual para una rejilla, la empresa automotriz crearía la pieza FDM en la misma orientación en la que se monta en un automóvil. También crearía la pieza en partes de menor grosor. El suavizado elimina estas dos medidas que ocupan demasiado tiempo. Al crear la rejilla de espaldas y en partes más delgadas, la empresa redujo los tiempos de fabricación a más de la mitad. Esto también hizo disminuir el costo de la pieza, aceleró la entrega y aumentó la capacidad de la producción. Al tener más capacidad y tiempos de espera más cortos dio como resultado menos subcontratación, lo que también redujo los gastos del prototipo y conservó la información confidencial del diseño dentro de la organización.

Un fabricante líder de juguetes para niños y ropa de bebé estima que pinta casi la mitad de todas las piezas de fabricación aditiva que hace en el periodo de un año. Para preparar estas piezas para el proceso de pintura se lijan, rellenan, se rocían con una capa de pintura base y luego se vuelven a lijar. Este enfoque amplía los tiempos de espera, consume mano de obra y agrega costos importantes a la operación de prototipado.

En una evaluación, la empresa comparó el enfoque de acabado a mano con el proceso de suavizado en la preparación de un asiento de bebé para el proceso de pintura. Se descubrió que puede reducir el tiempo de espera y el costo en más del 80 %. Aunque el proceso de suavizado se completó en menos de dos horas y por menos de $40,00 USD, el lijado y la pintura requirieron de seis horas de trabajo y un costo superior a los $250,00 USD.

Termoformado:

Un fabricante de envasado de alimentos usó las herramientas FDM para el proceso de termoformado cuando llevaba a cabo validaciones de diseño. La ventaja de una herramienta FDM es que se puede fabricar porosa, esto permite que se conduzca un vacío a lo largo de toda la pieza. Gracias a esto, la empresa puede usar las herramientas FDM en cuanto se completa la creación. Sin embargo, no usó estas herramientas para las muestras de marketing, ya que la superficie porosa era demasiado áspera.

La experimentación ha demostrado que el proceso de suavizado permite que el molde FDM sea de doble uso. El molde FDM se suaviza después de la verificación de diseño. El acabado brillante que se obtiene es ideal para las muestras termoformadas de marketing. Con el proceso de suavizado la empresa puede termoformar modelos de diseño y muestras de marketing el mismo día.

La única limitación del proceso de suavizado es que sella la superficie de la pieza, anulando una ventaja del molde FDM de termoformado. Sin embargo, la empresa descubrió que simplemente puede perforar la piel de la pieza FDM en lugares estratégicos. Como el proceso de suavizado entra solo 0,25 mm (0,010 pulg.), los técnicos pueden usar cualquier herramienta de punta afilada para perforar la superficie del molde.

Galvanoplastia:

Los galvanizadores han descubierto que el proceso de suavizado realiza dos funcionales fundamentales en una sola operación. El resultado es una entrega más rápida, menores gastos y una calidad superior.

Antes del proceso de galvanoplastia, las piezas se deben suavizar y sellar. Se pueden ver superficies ásperas en la pieza enchapada y la porosidad permite que las soluciones de galvanoplastia se disuelvan en el interior. Los procesos tradicionales y manuales para suavizar y sellar las piezas añaden tiempos de espera y gastos de mano de obra directa. También introduce variaciones en la calidad y precisión de la pieza.

Lijar las piezas de forma manual hasta que alcancen un nivel de suavidad adecuado para superficies de metal pulidas es un proceso que ocupa mucho tiempo. También involucra cierta destreza que podría causar variaciones en la calidad de la pieza. Del mismo modo, sellar piezas con pintura base puede resultar en incoherencias en la aplicación de las capas de pintura base y conductoras. La alternativa es sumergir las piezas en solvente, aunque esto podría dañar los pequeños detalles. La inmersión también requiere de un largo ciclo de secado de uno o dos días.

En cambio, el proceso de suavizado protege las características pequeñas y los detalles delicados de las piezas galvanizadas, a la vez que conserva la consistencia dimensional. Esto además de disminuir la mano de obra directa y el tiempo de procesamiento. En la mayoría de los casos, las piezas están listas para la galvanoplastia en menos de dos horas.

Moldeado:

El moldeado en arena y el moldeado por inversión implementaron FDM para acelerar los procesos de producción de patrones y de fabricación de herramientas. El único obstáculo para acortar los tiempos de espera de los moldeados de alta calidad siempre ha sido el acabado de la superficie. Debido a que la calidad del moldeado depende de la calidad del patrón o de la herramienta, es necesario invertir tiempo y trabajo en cada pieza FDM para darle un acabado manual a las superficies.

En el caso del moldeado por inversión, el acabado manual es un proceso repetitivo, ya que se consume un patrón FDM por cada moldeado de metal. Además del impacto en tiempo y costo, trabajar los patrones de forma manual hace que sea difícil mantener una consistencia dimensional de pieza a pieza. El proceso de suavizado aborda estos tres problemas al mismo tiempo. En un lote, la estación de suavizado puede procesar varios patrones FDM en menos de una hora y con solo algunos minutos de mano de obra directa. Adicionalmente, la acción suavizante es la misma para todas las piezas, por lo que hay una consistencia en la calidad de la superficie y en la precisión dimensional de las piezas.

Las fundiciones de moldeado en arena usan patrones FDM para producir cajas de noyos, capas y match plates que envasan arena para hacer la herramienta de moldeado. Las fundiciones también pueden hacer estos elementos directo desde un sistema Fortus, lo que elimina la necesidad de patrones. Ya sea un patrón FDM o una herramienta FDM, el proceso de suavizado disminuye la mano de obra directa y el tiempo de espera en la producción de moldeados en arena.

Las ventajas del proceso de suavizado aumentan cuando se producen moldeados en arena complejos, como cajas de engranajes o rótulas de dirección. Una fundición observó que las piezas complejas podrían necesitar docenas de machos de arena, cada uno hecho a partir de diferentes cajas de noyos, para reproducir los pasajes y cavidades internos. Darle un acabado manual a una docena de cajas de noyos añade muchos días e incontables horas de trabajo. Al sustituir el proceso de suavizado, se puede completar el mismo trabajo en una fracción del tiempo y con muy poca mano de obra directa. Lo más importante para la fundición es un aumento en la capacidad de producción más una reducción del tiempo de espera.

Conclusión

Las empresas están logrando reducciones importantes en los tiempos de espera y en los gastos al usar la estación de suavizado para acabar y sellar piezas FDM. Independiente de la complejidad y del número de características, la estación de suavizado consigue un acabado listo para pintar en unas pocas horas y necesita menos de una hora de trabajo y $10,00 USD en suministros.

La estación de suavizado ha logrado automatizar fundamentalmente el proceso de acabado de la fabricación aditiva FDM. Elimina el tiempo, trabajo y gastos del lijado, llenado y la aplicación de pintura base para lograr un acabado de superficie suave para las piezas de producción, herramientas de prototipo y muestras pintadas. Al hacer esto, la estación de suavizado eliminó cualquier compensación entre la calidad estética y la funcionalidad del producto.

Asiento de bebé


Proceso

Tiempo de espera

Costo del trabajo

Costo de los suministros

Pulido manual

1,5 días

USD $240

USD $15

Suavizado

2 horas

USD $30

USD $10

AHORROS

83%

84%

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