A medida que evolucionan las nuevas tecnologías de producción, surgen nuevos desafíos técnicos en la fabricación de la mejor pieza posible. A menudo, un fabricante contratado tiene que ajustar significativamente el nuevo proceso la primera vez que intenta la producción para comprender elementos como la contracción, el acabado de la superficie y la repetibilidad. La fabricación aditiva (AM) no es una excepción y, sin embargo, las herramientas para rastrear estos elementos para esta metodología de producción se han quedado atrás. Eso ahora está cambiando.

DESAFÍO

Haciendo patrones

La AM se ha utilizado en aplicaciones aeroespaciales y automotrices para producir patrones de fundición de sacrificio durante décadas. Con los avances recientes en la impresión 3D, los patrones de grado industrial se pueden imprimir en cera o polímero a un costo significativamente menor, lo que funciona a la perfección en el proceso de fundición por inversión. 3D Systems está experimentando una adopción más distribuida de la creación de patrones aditivos sin herramientas y continuará creciendo a medida que la tecnología se vuelva más accesible, rápida y precisa.

Para cualquier proceso aditivo que involucre energía térmica en la deposición o posprocesamiento del material, existe cierta cantidad de deformación y sedimentación de la pieza que podría ocurrir. Las piezas que tienen una masa significativa o un área de sección transversal significativa retendrán el calor durante más tiempo que las piezas más pequeñas o delgadas.

Sobre la base de este conocimiento, 3D Systems probó dos métodos de impresión con el objetivo de tener el menor costo posible de productos impresos y el más alto nivel de estabilidad dimensional: un método de impresión de cera completamente sólido, así como un relleno de cera delgado y escaso. método. Ambos se prepararon con el software cliente de compilación 3D Sprint y se imprimieron en la impresora 3D ProJet MJP 2500 IC que produce patrones de fundición de cera. A partir de experiencias anteriores, descubrimos que una carcasa de 2 mm con una proporción de relleno escasa del 50% produce piezas estables y de alta calidad al imprimir piezas relativamente grandes.

Después del posprocesamiento y el tiempo de enfriamiento, utilizamos el mismo escáner Artec 3D Space Spider para escanear los dos patrones con relativa facilidad. La forma única de las piezas, el color verde de la cera y el ligero efecto opaco y blanqueador del proceso posterior permitieron a nuestro técnico de escaneo capturar los modelos sin problemas utilizando el seguimiento de Geometría + Textura.

Usando Geomagic Control X, importamos el archivo de construcción 3D Sprint directamente e inspeccionamos cada parte en su orientación de impresión exacta para la rutina de inspección. Sabiendo que estaríamos escaneando la parte en cuestión de manera iterativa para mejorar el proceso, pudimos configurar un proyecto de inspección detallado y duplicarlo varias veces mientras manteníamos todo el historial de desarrollo del proceso en un solo archivo Geomagic Control X. Después de completar los escaneos, simplemente colocamos cada nuevo archivo STL en el proyecto Geomagic Control X y el proceso de evaluación se hizo cargo automáticamente, lo que resultó en informes repetibles de alta calidad.

Descubrimos que, en general, todas las áreas con compensaciones de mecanizado estaban dentro de la tolerancia de fundición, pero las áreas de forma más libre presentaban tendencias fuera de una banda de tolerancia ajustada. Creemos que esto correlacionó adecuadamente nuestras suposiciones de que las áreas de sección transversal grandes retienen el calor y potencialmente cambian de forma cuando se enfrían.

Nuestro análisis exhaustivo para esta etapa nos ayudó a sacar algunas conclusiones de que la impresión 3D con el patrón de cera no solo era más rentable, sino también más compatible dimensionalmente después del procesamiento posterior.

• El uso de material se redujo en aproximadamente un 35%.
• El costo del material se redujo en aproximadamente un 27%.
• El cumplimiento general de las tolerancias se incrementó en aproximadamente un 10% (utilizando la comparación 3D).
• La parte sólida no superó el umbral de tolerancia.
• La pieza de relleno superó el umbral de tolerancia.
• Se mejoró la estabilidad dimensional a largo plazo a temperatura ambiente con respecto a la parte sólida.

Fundición

La fundición por inversión es una metodología de fabricación confiable que se remonta a 5000 años y se ha establecido en la fabricación industrial global desde los albores de la revolución industrial hace unos cientos de años.

El proceso de fundición es ahora bastante maduro, repetible, bien conocido y cubierto por software de simulación para ayudar a reducir la posibilidad de defectos internos en las piezas. Con un socio de fundición experimentado y un esfuerzo mínimo del cliente, es posible entregar patrones fabricados de forma aditiva y producir piezas que estén libres de defectos internos y que, en general, superen las expectativas de tolerancia de procesos habituales para la fundición.

Los clientes que participan activamente en la prueba del resultado y la iteración del proceso pueden esperar lograr una salida de calidad significativamente mayor al ajustar la geometría de su pieza debido a la estabilidad del proceso de fundición en sí.

Control de calidad

3D Systems inspeccionó más a fondo las piezas fundidas devueltas para verificar si el factor de escala uniforme se ajustaba a las tolerancias esperadas. Siguiendo la especificación de fundición generalizada, proporcionó una pieza que definitivamente estaba dentro de la precisión alcanzable declarada por el socio para una pieza de aproximadamente el mismo tamaño. Sin embargo, una inspección más cercana con la herramienta de comparación de sección transversal en Geomagic Control X indicó algunas áreas obvias donde una mejor aplicación del factor de escala de precisión podría mejorar la precisión general de la pieza terminada de manera significativa.

Esta comparación de la silueta de la sección transversal con una banda de tolerancia ajustada muestra claramente los bordes exteriores con color azul y los bordes interiores con colores naranja y rojo. El perfil exterior confirma una condición de tamaño insuficiente en la que el límite de la pieza real está dentro del límite de referencia. El perfil interior muestra que la característica del cilindro central es dimensionalmente más pequeña de lo previsto, pero aparece fuera de la característica de referencia. Esto indica que la sombra de la silueta total de la pieza tiene una diferencia de escala que se puede corregir aumentando el factor de escala, imprimiendo y fundiendo nuevamente.

Las investigaciones anteriores sobre la mejora del proceso de fundición han proporcionado información sobre los ajustes relativos de los valores estándar recomendados que podemos aplicar. Imprimimos un segundo patrón de cera con un factor de escala no uniforme de 2.2%, 2.3% y 2.7% en X, Y y Z respectivamente y lo suministramos a la fundición.

Con una inspección final del patrón de compensación de precisión, pudimos sacar algunas conclusiones sobre el proceso de patrón a pieza:

• El patrón de escala de precisión proporcionó resultados que superaron las expectativas de la fundición.
• La conformidad dimensional general de la pieza con escala corregida aumentó en aproximadamente un 14%.
• Al menos una operación de mecanizado importante podría evitarse con el aumento de la precisión.
• Se redujo el costo total de producción de piezas.
• Necesitamos un análisis futuro para ver si se puede aplicar una mayor precisión para reducir las operaciones de la máquina en general.

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