Resumen:
Reduce los tiempos de ciclo, minimiza los errores y mejora el control de calidad con las herramientas de fabricación adecuadas. Esta guía explica los principales tipos de plantillas, dispositivos de sujeción, calibres y herramientas de montaje, dónde se utilizan en la planta de producción y cómo la fabricación aditiva permite obtener herramientas a medida de forma más rápida y económica que los métodos tradicionales.
Los medios auxiliares de fabricación son herramientas como plantillas, dispositivos de sujeción, calibres, moldes y herramientas de extremo de brazo robótico (EOAT) que se utilizan en los procesos de producción y montaje. No se trata de piezas destinadas al uso final ni al cliente, sino de herramientas específicas para cada proceso, diseñadas para mejorar la precisión, la repetibilidad, la seguridad y la eficiencia en la planta de producción. Tradicionalmente, los medios auxiliares de fabricación se mecanizaban en metal, pero los medios auxiliares modernos se imprimen cada vez más en 3D para que sean más ligeros, se adapten a geometrías complejas y reduzcan los costes y los plazos de entrega en tiradas cortas o cuando los requisitos cambian con frecuencia.
Los principales tipos de medios auxiliares de fabricación incluyen plantillas, dispositivos de sujeción, calibres, plantillas de trabajo, herramientas de extremo de brazo (EOAT), medios auxiliares de montaje y herramientas de conformado.
Cada tipo de ayuda para la fabricación tiene una función específica. Puede tratarse de guiar herramientas, sujetar piezas en su sitio, comprobar dimensiones, facilitar la automatización o ayudar a evitar errores de montaje. Mejoran la uniformidad, facilitan el control de calidad y contribuyen a que la producción se desarrolle sin contratiempos. Veamos algunos ejemplos comunes.
Las plantillas guían una herramienta de corte o taladrado, de modo que la operación se realice siempre en el mismo lugar y con el mismo ángulo.
Las plantillas de taladrado son un buen ejemplo. En el mecanizado tradicional, fabricar una plantilla de taladrado endurecida puede llevar semanas. Si el diseño de la pieza cambia, la reelaboración supone un coste adicional y un retraso. Con la fabricación aditiva, se pueden imprimir en cuestión de horas geometrías complejas, casquillos integrados y características ergonómicas, a veces incluso en una sola pieza. Cuando el diseño cambia, se imprime rápidamente una nueva plantilla.
Los dispositivos de sujeción mantienen la pieza en su sitio. Los dispositivos de sujeción de piezas estabilizan los componentes durante el mecanizado, la soldadura o el montaje.
Sin embargo, fabricarlos mediante métodos tradicionales suele implicar largos plazos de entrega por parte de los proveedores, herramientas de acero más pesadas que provocan tensión y fatiga en el operario, y costosos rediseños cuando es necesario realizar cambios.
Los dispositivos de sujeción impresos en 3D, por el contrario, pueden reducir el peso entre un 50 % y un 80 % en comparación con sus equivalentes metálicos mecanizados. Esto mejora la manipulación de materiales, la velocidad de cambio de pieza, la seguridad del operario y la ergonomía.
Para los equipos que no cuentan con expertos en CAD especializados, GrabCAD Fixturemate simplifica enormemente el diseño de los dispositivos de sujeción. Permite crear dispositivos de sujeción personalizados rápidamente, sin necesidad de conocimientos avanzados de diseño CAD.
Los calibres y los dispositivos de inspección miden la precisión dimensional y la repetibilidad. Puede tratarse del diámetro de un orificio, una rosca, la altura de una superficie o varias características a la vez.
Para tiradas cortas o el lanzamiento de nuevos productos, el mecanizado de calibres y dispositivos de inspección de aluminio puede resultar excesivo, dada la duración del programa. La impresión 3D permite una producción mucho más rápida de calibres a medida, especialmente para formas más complejas que resultarían difíciles de mecanizar.
Las plantillas son herramientas de posicionamiento sencillas que se utilizan para marcar, recortar, taladrar, fresar o alinear. Son habituales en la fabricación, los materiales compuestos, la chapa, la carpintería y los ensamblajes de gran formato, donde se necesita una pieza física de gran precisión.
Tradicionalmente, las plantillas se cortan a partir de aluminio, acero o tableros compuestos. Por lo tanto, en programas de bajo volumen o con piezas de gran tamaño, el mecanizado puede llevar mucho tiempo y suponer un gran gasto de materiales.
Con la fabricación aditiva, las plantillas se pueden producir rápidamente, incluso en tamaños grandes, y pueden adaptarse fácilmente a contornos complejos, marcas de alineación y geometrías específicas de cada pieza.
Las herramientas de extremo de brazo (EOAT) son los componentes montados en un robot que interactúan directamente con la pieza, como pinzas, herramientas de vacío, dedos mecánicos o dispositivos de recogida personalizados. En entornos automatizados, las EOAT influyen directamente en la duración del ciclo de producción, los límites de peso y el tiempo de actividad.
Tradicionalmente, el EOAT se mecaniza a partir de aluminio y se ensambla a partir de múltiples componentes. Es duradero, pero a menudo más pesado de lo necesario.
La fabricación aditiva permite diseñar la herramienta adaptándola a la pieza y al robot al mismo tiempo. Se puede reducir el peso para disminuir la carga del robot, integrar canales de vacío en el interior, combinar varios componentes en una sola pieza y dar forma a las superficies de contacto para que se adapten a geometrías complejas.
Los materiales avanzados también han hecho que los EOAT impresos en 3D sean adecuados para sectores más exigentes. Los materiales a prueba de descargas electrostáticas (ESD), aptos para uso alimentario, resistentes al calor y a los productos químicos permiten a los fabricantes utilizar herramientas de fabricación aditiva en ámbitos como la electrónica, el embalaje y la producción industrial.
Un EOAT más ligero supone una menor carga para el robot, lo que puede mejorar la aceleración y reducir el desgaste a lo largo del tiempo.
Las ayudas al montaje facilitan el trabajo de los operarios durante los procesos de montaje manuales o semiautomáticos.
Pueden sujetar las piezas en su posición durante la fijación, garantizar la orientación correcta para que los componentes no se instalen de forma incorrecta, guiar el cableado o los tubos, y facilitar secuencias de montaje de varios pasos.
En una planta de producción con mucha actividad, los pequeños errores pueden acumularse, por lo que las ayudas al montaje suelen diseñarse siguiendo los principios del poka-yoke («a prueba de errores» en japonés) para evitar físicamente los montajes incorrectos, en lugar de depender de la memoria del operario o de listas de comprobación.
Los soportes de montaje mecanizados suelen estar sobredimensionados para la carga que suelen soportar. La fabricación aditiva facilita el diseño de herramientas ligeras y ergonómicas adaptadas a la geometría exacta de la pieza, lo que ahorra tiempo, costes de materiales y fatiga al operario.
Un ejemplo es el mango de la herramienta de cierre del pilar A de Valiant, fabricado con la tecnología P3™ y el material Dura56 en la Origin® One. Al imprimir la herramienta en 3D, Valiant redujo los costes de producción en un 78 %, al tiempo que mejoró la ergonomía con un agarre más suave y cómodo para los operarios que utilizan la herramienta repetidamente en la cadena de montaje.
Las herramientas de conformado incluyen mordazas blandas, herramientas de doblado, accesorios de recorte, moldes de laminado, herramientas de termoformado y otros elementos auxiliares para dar forma a las piezas.
En la producción de gran volumen, las herramientas de acero templado siguen siendo una opción válida, ya que están diseñadas para millones de ciclos. Sin embargo, no todos los trabajos se realizan a esa escala, y en el caso de tiradas cortas, herramientas puente, transiciones de prototipo a producción o programas con geometría en evolución, el mecanizado de herramientas totalmente templadas puede suponer una pérdida de tiempo y un gasto excesivo.
La fabricación aditiva se utiliza cada vez más para:
La impresión 3D es una alternativa atractiva, gracias a su rapidez, a la capacidad de adaptar con precisión la geometría del utillaje a la pieza, a realizar iteraciones rápidamente y a evitar una inversión excesiva en utillaje metálico en las primeras fases. Por ejemplo, Subaru utilizó la impresión 3D para reducir el tiempo de desarrollo del utillaje en un 50 %.
Los medios auxiliares de fabricación se utilizan en los procesos de montaje, mecanizado, inspección, soldadura, embalaje, manipulación de materiales y automatización robótica. Estas herramientas garantizan la repetibilidad, reducen los desechos, controlan la duración de los ciclos y mantienen un funcionamiento fluido de la producción en la planta. Cuando se fabrican mediante fabricación aditiva, pueden entregarse más rápidamente y adaptarse con agilidad a medida que evolucionan las necesidades de producción.
En la línea de montaje, la repetibilidad es fundamental. Las plantillas y los dispositivos de sujeción de piezas colocan las piezas de forma uniforme, de modo que los operarios puedan fijar, unir o montar los componentes sin tener que recurrir a conjeturas. Cuando las piezas se sujetan correctamente, el tiempo de ciclo se estabiliza y la variación disminuye.
El reto del mecanizado tradicional es la velocidad. Si se lanza una nueva variante de producto o cambia la disposición de los orificios, puede ser necesario reelaborar o sustituir el dispositivo de sujeción. La fabricación aditiva permite actualizar rápidamente los accesorios de montaje y los dispositivos de sujeción, lo que reduce el tiempo de inactividad y mantiene la línea en funcionamiento.
Los dispositivos de control y los calibres verifican si las piezas cumplen los requisitos dimensionales. Cuando se retrasa la preparación de las herramientas de inspección, la validación se ralentiza y las primeras series de producción dependen en mayor medida de la medición manual.
Con la fabricación aditiva, se pueden producir dispositivos de inspección en días en lugar de semanas, incluso aquellos con geometrías complejas. Esto se traduce en una validación más rápida, una gran consistencia y una detección más temprana de los problemas dimensionales. En el caso de Valeo, redujeron el tiempo de inspección de 25 minutos a tan solo 20 segundos.
Los dispositivos de sujeción y los patrones rígidos mantienen las piezas en la posición correcta durante la soldadura o el pegado. Si las piezas se desplazan o se colocan incorrectamente, se producen distorsiones, desalineaciones y la necesidad de reelaborar las piezas.
Los soportes tradicionales, ya sean soldados o mecanizados, son duraderos, pero suelen ser pesados y su fabricación lleva mucho tiempo. Las herramientas de posicionamiento impresas en 3D se pueden fabricar mucho más rápido y están diseñadas para ser más ligeras y fáciles de manejar.
Para trabajos de fabricación de volumen bajo a medio, esto ayuda a reducir el tiempo de preparación y a controlar los costes de utillaje, sin renunciar a la precisión.
Incluso en talleres especializados en el mecanizado, los accesorios de fabricación desempeñan un papel fundamental. Las mordazas blandas, las plantillas de taladrado y los dispositivos de sujeción personalizados mantienen las piezas fijas durante el mecanizado CNC y las operaciones secundarias. Cuando se producen retrasos en la entrega de estas herramientas, las máquinas quedan inactivas o los operarios tienen que improvisar.
La fabricación aditiva permite producir mordazas blandas y guías de taladrado rápidamente, a menudo en días en lugar de semanas. Esto libera capacidad de las máquinas CNC para la producción de piezas en lugar de para herramientas internas, y ayuda a reducir los cuellos de botella.
Los accesorios de fabricación también se utilizan entre procesos, como bandejas a medida, encajes y soportes que protegen las piezas durante la manipulación de materiales, el transporte y el embalaje.
La fabricación aditiva facilita la producción de soportes ligeros y a medida que se ajustan a la geometría exacta de la pieza. Esto mejora la protección y reduce el desperdicio.
En las células automatizadas, las herramientas de extremo de brazo (EOAT) deben sujetar las piezas con seguridad y repetir el mismo movimiento miles de veces al día.
Tradicionalmente, los EOAT se mecanizan a partir de aluminio, lo que funciona bien pero puede resultar más pesado de lo necesario. La fabricación aditiva permite dar a la herramienta una forma que se adapta exactamente a la pieza y, a menudo, hacerla más ligera.
Una herramienta más ligera reduce la carga sobre el robot. En células más rápidas, esto puede ayudar a mejorar el movimiento y a reducir el desgaste del sistema con el paso del tiempo.
Las herramientas de fabricación modernas impresas en 3D aumentan la eficiencia de la producción, mejoran la precisión, reducen los errores humanos, aumentan la seguridad, reducen los costes de utillaje y permiten una adaptación más rápida a los cambios de diseño.
No estamos sugiriendo que sustituyas todas las herramientas mecanizadas de la planta de producción; el acero endurecido y el aluminio siguen siendo adecuados para aplicaciones de gran volumen, altas temperaturas o cargas extremas. Pero con la fabricación aditiva, en lugar de proteger la herramienta porque tardó seis semanas en llegar, puedes dedicar un par de horas a perfeccionarla para que funcione mejor y se adapte mejor. Infórmate sobre los retos más comunes en materia de herramientas y cómo la fabricación aditiva los resuelve.
Los medios auxiliares de fabricación influyen directamente en el tiempo de ciclo, el tiempo de preparación y la velocidad de cambio de serie. Cuando las herramientas llegan más rápido y son más fáciles de manejar, la producción se pone en marcha antes y se detiene con menos frecuencia.
La fabricación aditiva reduce los plazos de entrega de las herramientas de semanas a días en muchas aplicaciones. Esto significa que la introducción de nuevos productos se acelera, los cuellos de botella en la producción se resuelven antes y los equipos no tienen que esperar a que el taller mecánico les dé luz verde para seguir adelante.
Las plantillas, los dispositivos de sujeción y los dispositivos de control bien diseñados mejoran la repetibilidad al controlar cómo se coloca y se procesa una pieza. Cuando la herramienta define el proceso, la variación se reduce.
La fabricación aditiva facilita la integración de elementos de posicionamiento, guías de alineación y geometría específica de la pieza directamente en la herramienta. El resultado son construcciones más uniformes, menos sorpresas dimensionales y una reducción de los desechos.
En una planta de producción ajetreada, los pequeños errores se acumulan rápidamente. Las ayudas de montaje y los dispositivos de sujeción pueden diseñarse para impedir físicamente una orientación o secuencia incorrectas, en lugar de depender de la memoria o de listas de comprobación.
Al incorporar la prevención de errores en la propia herramienta, se reducen las repeticiones de trabajo, se evitan defectos en fases posteriores y se protege el rendimiento.
Las herramientas mecanizadas tradicionales suelen ser más pesadas de lo necesario. Con el tiempo, levantar y reposicionar accesorios pesados contribuye a la fatiga del operario y al riesgo de lesiones.
Las herramientas ligeras fabricadas mediante impresión 3D reducen el esfuerzo durante la manipulación de materiales y los cambios de pieza. Se pueden integrar características ergonómicas directamente en la herramienta, lo que mejora la comodidad y favorece unos flujos de trabajo más seguros para su equipo.
El utillaje tradicional suele implicar el mecanizado de metal macizo, la subcontratación y largas colas de proveedores. Todo ello se traduce en una elevada inversión inicial y largos plazos de entrega.
Cuando Valeo imprimió en 3D sus accesorios de inspección, redujo el tiempo de inspección en un 98,7 %, acortó los plazos de entrega de 12 semanas a 2 y ahorró 10 000 dólares por accesorio en comparación con los accesorios de aluminio mecanizados.
La fabricación aditiva reduce el desperdicio de material y facilita la producción de numerosos accesorios de fabricación íntegramente en la propia empresa. Las empresas suelen informar de reducciones en los costes de utillaje de hasta un 70 % y de una reducción de los plazos de entrega de semanas a días.
El mecanizado impone restricciones geométricas. Los canales internos, las formas orgánicas y los componentes integrados son difíciles, costosos o, sencillamente, imposibles de producir. Además, a menudo es necesario ensamblar varias piezas mecanizadas para formar una herramienta final.
La fabricación aditiva elimina muchas de esas restricciones. Las herramientas pueden optimizarse en cuanto a peso, rigidez y ergonomía, en lugar de diseñarse en función de las limitaciones de la fabricación sustractiva. En muchos casos, varios componentes pueden consolidarse en una única pieza impresa, lo que reduce el tiempo de montaje y los posibles puntos de fallo.
Cuando cambia la geometría de una pieza, el utillaje se puede actualizar rápidamente sin tener que desechar metal de gran valor. Programas como FixtureMate también ayudan a automatizar el diseño de utillajes a medida, lo que agiliza la creación de utillajes listos para la producción y adaptados a piezas y flujos de trabajo específicos.
Una de las principales objeciones a las herramientas fabricadas mediante impresión aditiva es la resistencia del material u otras propiedades especiales de los mismos. En realidad, no todas las aplicaciones de herramientas requieren aluminio o acero. Muchas ayudas a la fabricación se basan más en la rigidez que en la resistencia máxima, y los polímeros de grado técnico y los materiales reforzados con fibra de carbono proporcionan la rigidez, la resistencia al impacto y la estabilidad térmica necesarias para su uso real en la planta de producción. La clave está en elegir el material adecuado para cada aplicación, en lugar de recurrir por defecto al metal.
Los materiales especializados avanzados también han ampliado los ámbitos en los que se pueden utilizar las herramientas fabricadas mediante impresión 3D. Los materiales aptos para uso alimentario, biocompatibles, ignífugos, a prueba de descargas electrostáticas (ESD), resistentes a los productos químicos y a altas temperaturas permiten que las herramientas impresas en 3D se adapten a entornos de fabricación más regulados y exigentes, como los sectores médico, electrónico, aeroespacial y de producción alimentaria.
Las herramientas impresas en 3D pueden fabricarse utilizando una amplia gama de materiales, entre los que se incluyen termoplásticos estándar, polímeros de ingeniería, compuestos de alto rendimiento, materiales flexibles y resinas de producción. La elección del mejor material depende de la carga mecánica, la exposición a la temperatura, la resistencia química y la durabilidad requerida en la planta de producción.
La tecnología SAF™ también se utiliza para herramientas de nivel de producción. Delkor redujo los costes de producción de herramientas en un 60 % y logró un tiempo de fabricación de piezas un 50 % más rápido utilizando componentes de herramientas de embalaje producidos con SAF, al tiempo que mantuvo la durabilidad necesaria para los entornos de producción.
Los termoplásticos estándar suelen ser ideales para ayudas de fabricación de uso ligero.
Materiales como el ABS, el ASA o los nylons estándar se utilizan habitualmente para accesorios de montaje, plantillas de taladrado para cargas moderadas, plantillas y patrones rígidos, dispositivos básicos de comprobación y guías de recorte y fresado.
Para herramientas sometidas a una tensión mecánica limitada y a una baja exposición al calor, los termoplásticos estándar son más que suficientes, ofrecen tiempos de fabricación rápidos, un menor coste de material y son muy adecuados para tiradas cortas o programas en evolución.
Con la tecnología FDM se obtienen polímeros de grado de ingeniería, como los nailones reforzados Nylon 12CF y otros materiales que la convierten en una alternativa seria al mecanizado tradicional. Presentan una elevada relación rigidez-peso, gran resistencia al impacto, buen comportamiento frente a la fatiga, resistencia química y una excelente estabilidad dimensional.
Esto hace que estos materiales sean especialmente adecuados para dispositivos de sujeción de piezas, dispositivos de montaje estructural, mordazas blandas para CNC, plantillas de taladrado para producción o ayudas de fabricación de gran formato.
En numerosas aplicaciones de utillaje documentadas, las empresas informan de una reducción de costes de hasta el 70 % y de una reducción de los plazos de entrega de semanas a días al sustituir los dispositivos de aluminio mecanizados por alternativas producidas mediante FDM.
Para la mayoría de los utillajes estructurales que no se sitúan junto a un horno ni a un proceso de curado a alta temperatura, esta categoría abarca una amplia gama de casos de uso.
Cuando aumentan el calor, la exposición a sustancias químicas o las tensiones mecánicas, los termoplásticos de alto rendimiento demuestran todo su potencial. Materiales como la resina y los polímeros avanzados de alto rendimiento ofrecen altas temperaturas de deflexión térmica, sólidas propiedades mecánicas, excelente resistencia química y durabilidad a largo plazo.
Esto los hace ideales para la planta de producción, especialmente para:
Los materiales compuestos, y en particular los polímeros reforzados con fibra de carbono, se utilizan ampliamente en la fabricación aditiva de herramientas debido a su rigidez. Cada vez se eligen más para accesorios de sujeción de piezas de gran tamaño, herramientas de gran envergadura, EOAT y pinzas robóticas, gracias a su excelente rigidez, su reducida deflexión y el importante ahorro de peso respecto al metal.
Cuando la rigidez es más importante que la resistencia máxima, los compuestos suelen ser la mejor opción de material.
Los materiales flexibles se utilizan cuando el utillaje requiere una elasticidad controlada en lugar de un contacto rígido. Se aplican habitualmente en almohadillas de pinzas, interfaces protectoras y superficies de contacto con las piezas, donde los componentes acabados podrían rayarse o dañarse.
Al absorber las vibraciones y distribuir la presión de forma más uniforme, estos materiales ayudan a reducir los defectos estéticos y los desechos. Los materiales duraderos como ToughONE para PolyJet combinan un alto nivel de detalle con una mayor tenacidad, mientras que los materiales elastoméricos P3™, como el P3 Stretch™ 80, permiten crear ayudas de fabricación flexibles y aplicaciones de utillaje de tacto suave.
Valiant utilizó P3 Stretch 80 para producir componentes de utillaje flexibles que mejoraron la agilidad en la planta de producción, al tiempo que redujeron los plazos de entrega y los costes de utillaje en comparación con los métodos de fabricación tradicionales.
Las resinas de producción y los fotopolímeros se utilizan cuando el acabado superficial y la precisión dimensional son fundamentales. Son muy adecuados para dispositivos de inspección, calibres de control, guías de taladrado de detalles finos y herramientas que deben validar geometrías complejas.
Los materiales P3™ también se utilizan para utillajes que requieren superficies lisas, alta precisión y piezas resistentes o rígidas. Esto los hace adecuados para aplicaciones de fabricación y montaje de precisión en las que tanto el aspecto como el rendimiento son importantes.
Los sistemas de alta resolución, como las plataformas SLA industriales, pueden producir utillajes grandes y precisos con superficies lisas y tolerancias ajustadas. En aplicaciones de inspección de calidad, ese nivel de detalle y repetibilidad suele ser más importante que la máxima resistencia estructural.
