Cuentos de herramientas

Durante los últimos 30 años, la industria de la impresión 3D ha generado innovación tras innovación. Estereolitografía (SLA), modelado por deposición fundida (FDM), sinterización selectiva por láser (SLS) y sinterización directa por láser de metales (DMLS). Estas son solo algunas de las tecnologías que han cambiado la forma en que diseñamos, producimos y adquirimos piezas, lo que les valió a sus inventores un lugar especial en los anales de la historia de la fabricación aditiva (AM).

Aquí viene otro. Afortunadamente, no existe un acrónimo pegadizo que aprender y recordar. A primera vista, esta novedosa tecnología de AM puede no parecer muy diferente de algunos de los otros métodos de impresión 3D que han surgido durante la última década, pero este recién llegado de AM tiene varias ventajas distintivas sobre su competidor más cercano.

Steve Connor y Ted Sorom, ganador del premio AM Startup Technology, cofundadores de Mantle Inc.

Se llama TrueShape y promete hacer con la fabricación de herramientas lo que el fundador de 3D Systems Inc., Chuck Hull, hizo con la creación de prototipos en 1984, cuando solicitó una patente para su “Aparato para la producción de objetos tridimensionales mediante estereolitografía”, y luego presentó el La primera impresora 3D comercial, la SLA-1, unos años más tarde.

Ted Sorom y Steve Connor han emprendido un camino similar. Los dos cofundaron Mantle Inc., con sede en San Francisco, en 2015, pasaron los siguientes cinco años desarrollando una solución híbrida de mecanizado e impresión 3D y desde entonces han implementado piezas impresas o sistemas completos en docenas de empresas de herramientas y firmas asociadas; entre ellos Nicolet Plásticos; Fabricación de profundidad; el proveedor de equipos de corte por plasma Hypertherm; y varios proveedores líderes de dispositivos médicos.

Se dice que estos y muchos otros fabricantes redujeron semanas y, a veces, meses de sus ciclos de desarrollo, produjeron millones de piezas con insertos y cavidades de molde impresos con TrueShape y redujeron sus costos operativos en un 50% o más, todo sin sacrificar la calidad de las piezas ni requerir cambios de diseño significativos. "El status quo de la fabricación de moldes de inyección de plástico no ha cambiado desde los años 70, cuando el electroerosión (mecanizado por descarga eléctrica) estuvo disponible comercialmente por primera vez", dice Sorom, quien se desempeña como director ejecutivo de Mantle. "Nuestra tecnología presenta una oportunidad para alterar significativamente el curso de una industria monolítica que afecta prácticamente todos los aspectos de nuestra vida diaria".

Monolítico podría ser un eufemismo. Sólo el mercado mundial de herramientas para moldeo por inyección de plástico asciende a 45 mil millones de dólares, de los cuales 8 mil millones de dólares se encuentran en Estados Unidos. Si a esto le sumamos los innumerables otros componentes hechos de acero endurecido para herramientas que se producen cada año, es fácil entender por qué las afirmaciones de Mantle de que pronto “cambiará la faz de la fabricación” no deben tomarse a la ligera.

Es por estas razones que la Sociedad de Ingenieros de Manufactura (SME) honró recientemente a Mantle con su premio anual AM Start-Up Technology Award, que reconoce a los emprendedores que han desarrollado una tecnología única o una aplicación de tecnología existente, que resuelve un problema existente, y que puede debe demostrarse o es factiblemente sólido y tiene el potencial de atender a un mercado grande o de nicho.

Mantle cumplió con creces cada uno de estos criterios y, como parte del procedimiento de solicitud, presentó una presentación minuciosa y bien escrita ante la junta directiva de PYME. "Como muchos en la industria han notado, hoy en día existe una gran cantidad de tecnologías yo también", explica Ethan Rejto, director de marketing de Mantle, quien ayudó a crear la documentación premiada. "Estamos ofreciendo una solución para un área de mercado específica que otros no pueden tocar".

Connor es el director científico de Mantle. Dice que el proceso TrueShape comienza con una pasta metálica llena de polvo de acero para herramientas equivalente a H13 o P20. Este material patentado se extruye "estilo FDM" sobre una placa de construcción y se seca rápidamente con una fuente de luz infrarroja después de cada capa, eliminando el portador líquido de la pasta y dejando un compacto metálico que contiene una pequeña cantidad de aglutinante.

Aquí es donde entra en juego la pieza híbrida de la ecuación TrueShape. Debido a que la impresora P-200 de Mantle está construida sobre una verdadera plataforma de centro de mecanizado, las herramientas de corte se pueden utilizar durante cualquier etapa del proceso de construcción. Al hacerlo, se elimina el efecto de escalón común a todas las impresoras 3D, al tiempo que se aumenta considerablemente la precisión de las piezas y se obtienen acabados superficiales "suaves como la mantequilla". Dado que el metal compacto todavía es blando en esta etapa, las velocidades de avance son “aproximadamente 10 veces más rápidas” que cuando se mecanizan aceros para herramientas tradicionales, prácticamente sin desgaste de la herramienta.

Una vez completada la construcción, la pieza verde se coloca en el horno F-200 de Mantle para la sinterización, durante la cual el inserto del molde u otro componente de la herramienta alcanza un nivel de dureza Rockwell de 40 grados y luego puede endurecerse hasta los 50 grados. "En muchos casos, las piezas están listas para la producción una vez que salen del horno", dice Connor.

Para aquellos que no lo son, todo lo que necesitan es un poco de pulido ligero, esmerilado de superficies o electroerosión por penetración. "Tenemos un cliente que fabricó un pestillo para un soporte para computadora portátil para uso en vehículos de emergencia", dice Sorom. “Pudieron eliminar una cantidad excesiva de tiempo de procesamiento y entregar semanas antes de lo previsto, con costos proporcionalmente más bajos. En este y muchos otros casos, TrueShape elimina dos tercios del procesamiento que normalmente sería necesario para entregar un componente de herramienta. Además, podemos crear canales de enfriamiento conformes de manera tan sencilla y rentable que muchos fabricantes de moldes deben reconsiderar sus estrategias de diseño”.

Los practicantes de AM familiarizados con Binder Jet podrían estar escuchando campanas de alarma mental en este momento. “¿Qué pasa con la contracción?” están pensando, la pesadilla de muchos de estos procesos de fabricación aditiva de “impresión y sinterización”. Sorom escucha estos argumentos con frecuencia. Señaló que la tecnología de moldeo por inyección de metal (MIM), de décadas de antigüedad, genera tasas de contracción del 25%, con un chorro de aglutinante ligeramente inferior a eso. Las piezas producidas por Mantle, señaló, se encogen mucho menos que cualquiera de las dos.

"Sacar una buena parte del horno es un secreto sucio para estas diversas tecnologías de sinterización", dice Sorom. “Es posible que obtenga una impresión realmente excelente, pero los resultados finales serán inferiores a los deseados a menos que pueda predecir con precisión y minimizar la contracción. Tomamos una serie de medidas para evitar esto. Para empezar, nos aseguramos de que la densidad de las piezas sea lo más alta posible durante la construcción. También elegimos nuestros polvos y material aglutinante con mucho cuidado, utilizamos un proceso de sinterización único de varias etapas y nuestro software hace un gran trabajo en la gestión de áreas potencialmente problemáticas. Debido a todo esto, nuestras piezas se encogen un máximo del 9%, menos de la mitad que cualquier otra empresa de la industria. Como resultado, podemos lograr una precisión de más o menos 25 micrones (+/- 0,001”) en la primera pulgada, y aproximadamente otras 25 micrones por cada pulgada a partir de entonces”.

La contracción es importante, pero también lo es la usabilidad. Los maquinistas que lean esto podrían preguntarse acerca de los desafíos de generar trayectorias de herramientas en medio de un proceso de impresión 3D. No hay que preocuparse, señala Sorom. Además de automatizar gran parte de la preparación de la construcción, el software genera todas las trayectorias de herramientas de mecanizado y la selección de herramientas, por lo que no se requiere programación CAM.

"Un fabricante de herramientas interesado en nuestra solución visitó nuestras instalaciones", recuerda. “Él y su equipo habían escuchado historias sobre la gran cantidad de parámetros y configuraciones asociados con muchas impresoras 3D, y cuando se agrega el mecanizado a la mezcla, pensaron que sería increíblemente difícil. Entonces, los guiamos a través de la programación y el funcionamiento y les demostramos que prácticamente cualquiera puede ejecutar esta máquina. No pasó mucho tiempo después de que se fueron de aquí cuando hicieron un pedido”.

Resultados como estos no sorprenden a Sorom. Trabajó como ingeniero mecánico en todo, desde diseño de productos de consumo hasta sistemas de iluminación para cineastas y equipos de televisión. Lanzó su primera empresa emergente, un servicio de pagos internacionales, mientras asistía a la escuela de negocios en la Universidad de California, Berkeley. Cuando conoció a Connor, que había obtenido su doctorado en nanomateriales en Stanford unos años antes, Sorom decidió que su próxima empresa proporcionaría productos que "dolerían si se les cayera uno en el pie".

Misión cumplida.

Como describe su reciente premio, Mantle y su tecnología todavía se consideran una empresa emergente. Hay mucho tiempo para pensar en el futuro, pero una cosa es segura: el proceso TrueShape ofrece posibilidades de fabricación mucho más allá de los moldes y otras formas de herramientas duras, incluidos componentes de uso final para las industrias médica, aeroespacial y de defensa. Pero al menos por ahora, Sorom, Connor y el resto del equipo de Mantle tienen las manos ocupadas. "Hemos pasado los últimos siete años desarrollando un sistema que produce de manera más eficiente las herramientas que producen las piezas que nos rodean", dice Sorom. "Fomentar esa tecnología nos mantendrá ocupados durante algún tiempo".