La tecnología de prototipado rápido ( tecnología RP ) combina materiales, láser, ingeniería mecánica, CNC y tecnologías CAD.
Permite la fabricación precisa, automática y rápida de moldes o piezas directamente desde modelos CAD, evitando la necesidad de mecanizado costoso, diseño de herramientas y creación de moldes.
Esta tecnología acorta significativamente los ciclos de desarrollo de productos, mejorando la flexibilidad de fabricación y la eficiencia de la producción.
En la industria de maquinaria, los fabricantes suelen utilizar métodos de mecanizado para producir prensas, moldes, cajas de machos y plantillas.
Los montadores expertos a menudo recortan piezas, especialmente fundiciones complejas de paredes delgadas, como bloques de cilindros de automóviles, álabes de motores de aviones, culatas de cilindros y hélices marinas.
La integración de tecnologías de prototipado rápido y fundición ofrece un gran potencial para producir rápidamente lotes pequeños y moldes o piezas de una sola pieza.
Este artículo explora el uso combinado de tecnologías de creación rápida de prototipos y fundición para la fabricación integrada.
Tecnologías típicas de creación rápida de prototipos
En la actualidad, 3DP, SL, SLS, FDM, LOM y otras tecnologías son procesos de prototipado rápido con aplicaciones relativamente maduras en el mundo.
Podemos dividir estos procesos en dos categorías: el proceso de formación de chorro digital basado en microgotas y el proceso de prototipado rápido basado en láser.
El proceso de formación de chorro digital mediante microgotas implica la creación de gotas de adhesivo o material a través de la tecnología de microgotas.
Por el contrario, el proceso de creación rápida de prototipos basado en láser emplea tecnología láser para unir, separar, solidificar y fundir materiales formables.
1. Procesos típicos de prototipado rápido con láser
（1）Proceso DLF: El proceso DLF forma metal sinterizando selectivamente polvo con un láser de alta energía.
(2) Proceso SL: El proceso SL utiliza luz ultravioleta o láser para curar la resina y apilarla para darle forma.
（3）Proceso SGC: El proceso SGC cura la resina con un láser ultravioleta, utilizando tecnología de máscara para darle forma.
(4)Proceso LENS: El proceso LENS sinteriza el polvo metálico capa por capa utilizando un láser de alta energía para la sinterización.
（5）Proceso LOM: El proceso LOM corta y sinteriza láminas de metal o capas de papel para formar una forma.
(6) Proceso SLS: El proceso SLS utiliza un láser de CO2 para sinterizar varios polvos capa por capa para darles forma.
2. Procesos típicos de formación de chorros digitales de microgotas
(1) Proceso 3DP: El proceso 3DP rocía aglutinante para unir el polvo, formando una forma capa por capa.
（2）Proceso EFF: El proceso EFF ajusta las proporciones del material y utiliza tecnología de microgotas para formar piezas en gradiente.
(3) Proceso SDM: El proceso SDM combina gotas de metal fundido con corte para formar moldes de metal directamente.
(4) Proceso PCM: El proceso PCM rocía aglutinante sobre arena para unir la arena del molde y crear una forma.
(5) Proceso 3DW: El proceso 3DW utiliza principios de superficie para apilar alambres de metal.
(6)Proceso MJS: El proceso MJS extruye material fundido para formar una pila de alambre con gotas continuas.
(7)Proceso BPM: El proceso BPM rocía material fundido desde una boquilla para formar una pila con libertad de cinco ejes.
（8）Proceso UDS: El proceso UDS utiliza control electromagnético para formar una pila de materiales fundidos.
(9)Proceso FDM: El proceso FDM calienta los materiales en una boquilla y rocía gotas para formar una pila de alambres.
(10)Proceso CC: El proceso CC combina la fundición y la acumulación de contornos para formar una pila.
Integración de procesos de fundición y RP
La integración de la tecnología de prototipado rápido (RP) y el proceso de fundición permite la producción rápida de piezas y moldes.
Esta integración combina tecnología de fundición, tecnología CAD, tecnología RP, tecnología CAE, tecnología CAM y otras.
Permite que los modelos CAD se conviertan en modelos físicos rápidamente, reduciendo eficazmente los costos de producción y los ciclos de fabricación.
Un factor importante que influye en la precisión dimensional de los moldes y piezas producidas por este proceso es la tasa de contracción del metal durante la fundición.
Para lograr una mayor precisión en el molde o pieza de metal formado, es crucial determinar con precisión la tasa de contracción del metal.
En este artículo se realiza un análisis numérico del proceso de solidificación de la fundición y se optimizan los parámetros del proceso de fundición para garantizar que la precisión dimensional de las piezas o moldes cumpla con los requisitos técnicos.
Investigación actual y desafíos
En China, la mayor parte del trabajo de simulación numérica sobre el proceso de solidificación de fundición se centra principalmente en analizar el campo de tensión de fundición, el campo de temperatura de fundición y predecir defectos como agrietamiento en caliente, contracción y cavidades por contracción durante el proceso de solidificación.
Sin embargo, los investigadores han limitado sus estudios a la simulación numérica de la precisión dimensional de las piezas fundidas durante la solidificación.
Durante la solidificación de la pieza fundida, el campo de tensiones de la pieza fundida y el campo de temperaturas de la pieza fundida interactúan. El análisis del proceso de solidificación de la pieza fundida es un ejemplo típico de acoplamiento térmico.
Estudios anteriores a menudo han simplificado el acoplamiento térmico al descuidar los cambios de temperatura causados por el trabajo de deformación por tensión, acortando el tiempo de cálculo para el análisis del acoplamiento.
Si bien esta simplificación no afecta el análisis de la tensión de fundición, los campos de temperatura o la predicción de defectos, puede afectar la precisión de las dimensiones del molde.
Optimización de la precisión dimensional
Al integrar la tecnología de simulación de elementos finitos con datos CAD, podemos simular el proceso de solidificación del molde o la pieza para predecir cambios dimensionales durante la solidificación.
Este método nos permite optimizar el modelo CAD, compensando errores dimensionales que pueden ocurrir durante procesos como la fundición de precisión y el prototipado RP.
Además, la tecnología facilita la compensación de errores y la retroalimentación durante el proceso de modelado CAD 3D.
Este enfoque también puede integrar tecnología de materiales, tecnología láser, simulación de elementos finitos, RP y tecnologías CAD para fabricar rápidamente moldes y piezas de metal.
Modificación de modelos CAD en tiempo real
Dado que la formación de prototipos está controlada por computadora, la tecnología informática gestiona tanto los procesos de diseño como de producción, lo que permite la fabricación rápida de piezas de prototipos de alta calidad.
A diferencia de los procesos de fabricación tradicionales, la integración de la tecnología de prototipado rápido y fundición permite realizar ajustes en tiempo real al modelo CAD.
Esto ayuda a abordar problemas como la contracción dimensional, el control de la precisión y la deformación geométrica, lo que garantiza que las piezas y los moldes producidos sean de la más alta calidad.
Fabricación directa de piezas metálicas/moldes a partir de modelos CAD
El CAD puede impulsar directamente la fabricación de moldes de metal sin la necesidad de cajas de núcleo o patrones tradicionales.
Los talleres de fundición de diversas empresas de fabricación suelen utilizar materiales de moldeo en cáscara. El modelo de la pieza se puede convertir directamente en un molde dentro del entorno CAD.
Es posible que los componentes que no son piezas requieran unión o sinterización durante el proceso de formación, mientras que las piezas permanecen en forma de polvo durante todo el proceso.
Después de la formación, retiramos el polvo y luego fabricamos directamente el molde de arena y el núcleo.
Este método elimina la necesidad de utilizar grandes cantidades de moldes de espuma plástica o de cera, como los que se utilizan en la fundición de precisión tradicional. Ahorra tiempo y costes de forma significativa, especialmente en la producción de piezas complejas en lotes pequeños. Los principales procesos actuales incluyen:
Fundición directa en cáscara (DSPC)
Sinterización en moldes de arena SLS
Proceso de formación de moldes sin madera PCM
Estos métodos permiten la fabricación integrada de machos de arena y moldes, sin necesidad de ensamblaje entre machos de arena y moldes, lo que resulta especialmente beneficioso para producir piezas complejas en lotes pequeños.
Fabricación de piezas y moldes de metal controlados indirectamente por modelos CAD
1. Flujo de proceso para fabricación indirecta
El proceso de fabricación indirecta comienza con el diseño de un modelo CAD en 3D del molde o la pieza de metal, incluido el diseño de las contrahuellas y las compuertas. Esto ayuda a simular el proceso de solidificación y contracción del metal.
Utilizamos el software MARC para simular el proceso de solidificación, optimizar los parámetros del proceso y determinar la contracción del metal. Este enfoque garantiza que podamos realizar un seguimiento de la precisión dimensional en tiempo real durante la solidificación.
Después de optimizar el modelo CAD, lo utilizamos para impulsar la producción del patrón de fundición necesario y el prototipo rápido.
2. Integración de RP y fundición para fabricación a bajo costo
Al combinar la tecnología de fundición y la tecnología de creación rápida de prototipos, se hace posible la fabricación a bajo costo y rápida de lotes pequeños de piezas de metal.
Podemos utilizar procesos como BMP, FDM, SGC y SLS para fabricar prototipos de moldes de cera, que luego se pueden aplicar a la fundición de precisión. Por ejemplo:
Podemos utilizar prototipos FDM para producir rápidamente moldes o piezas de metal.
En la fundición de inversión tradicional, sustituimos los moldes de cera por prototipos FDM.
Aplicamos una lechada refractaria al molde FDM y, una vez que se solidifica, retiramos el prototipo FDM, dejando solo la carcasa de fundición para el proceso.
Este enfoque es especialmente útil para producir piezas metálicas de tamaño pequeño a mediano y de complejidad moderada.
Combinación de RP y fundición para piezas metálicas de alta resistencia
También podemos integrar la tecnología RP con otros procesos de fundición, como la fundición en moldes de cerámica, la fundición en moldes de yeso y la fundición en moldes de arena.
Esta combinación da como resultado piezas metálicas con alta resistencia mecánica, alta dureza, baja deformación y baja tensión interna. Los prototipos resultantes presentan una alta durabilidad, lo que los hace adecuados para diversas aplicaciones industriales.
Conclusión
En resumen, la formación y fabricación integradas de tecnología de fundición y prototipado rápido pueden maximizar las ventajas de la tecnología de fundición y la tecnología de prototipado rápido, pueden eliminar previamente los defectos, tienen un bajo costo y una velocidad de fabricación rápida, y pueden fabricar rápidamente piezas complejas, lo que es digno de promoción y aplicación.
PREGUNTAS MÁS FRECUENTES:
El prototipado rápido (PR) es una tecnología que fabrica rápidamente modelos físicos o piezas a partir de diseños CAD digitales. Utiliza métodos de fabricación aditiva (FA), como la impresión 3D, para construir productos capa por capa, reduciendo el tiempo y los costes de producción, a la vez que aumenta la flexibilidad.
La tecnología RP acelera el proceso de desarrollo de productos al permitir la creación rápida de prototipos directamente desde modelos CAD. Esto reduce el tiempo necesario para el diseño de herramientas, la creación de moldes y el mecanizado, lo que permite iteraciones más rápidas y pruebas de productos más rápidas.
Las tecnologías comunes de creación rápida de prototipos incluyen la impresión 3D (3DP), la estereolitografía (SL), la sinterización selectiva por láser (SLS), el modelado por deposición fundida (FDM), la fabricación de objetos laminados (LOM) y otros métodos avanzados que utilizan láseres o microgotas para crear modelos 3D precisos.
La ingeniería inversa implica extraer datos de diseño de productos existentes para replicarlos o mejorarlos. En el prototipado rápido, esto ayuda a generar modelos digitales de piezas, lo que permite la reproducción, mejora y adaptación eficientes de diseños existentes para producción o reparación.
La integración de la tecnología RP con la fundición permite la producción rápida de moldes y piezas mediante la conversión directa de modelos CAD en formas físicas. Esto reduce los costes de producción, acelera los ciclos de fabricación y facilita la creación de piezas complejas en lotes pequeños.
La combinación de tecnologías de RP y fundición optimiza el proceso de fabricación al agilizar la creación de moldes, mejorar la precisión dimensional, reducir costos y permitir la producción rápida de piezas complejas. Esta combinación es especialmente eficaz para la producción de lotes pequeños y las pruebas de prototipos.
La integración ayuda a optimizar el proceso de fundición mediante análisis numérico para predecir la contracción del metal y ajustar el modelo CAD en consecuencia. Esto mejora las dimensiones finales de la pieza o molde, garantizando que cumpla con los requisitos técnicos y reduciendo los defectos durante la fundición.
Los principales procesos de RP utilizados en la integración de piezas fundidas incluyen la colada directa en cáscara (DSPC), la sinterización en molde de arena SLS, el moldeo sin madera PCM y el FDM para prototipos de moldes de cera. Estos métodos permiten la producción rápida de moldes y piezas con alta precisión y bajo coste.
La integración de RP y fundición permite la producción de lotes pequeños de piezas metálicas a menor coste, eliminando la creación tradicional de moldes. Métodos como los prototipos FDM, utilizados en la fundición a la cera perdida, reducen la necesidad de costosos cambios de herramientas y moldes, acelerando la producción de piezas de complejidad media a compleja.
La combinación de tecnologías de RP y fundición da como resultado piezas metálicas con alta resistencia mecánica, durabilidad, baja tensión interna y mínima deformación. Estas piezas son aptas para diversas aplicaciones industriales, como la aeroespacial, la automotriz y la manufacturera, donde el rendimiento y la durabilidad son cruciales.
Solomon Yang es un profesional de la industria manufacturera con amplia experiencia en la fabricación de componentes electrónicos, mecánicos e industriales. Tras haber ocupado diversos cargos en empresas manufactureras estadounidenses y taiwanesas, ha desarrollado un profundo conocimiento de los procesos de fabricación, la gestión de la producción, el control de calidad y las operaciones de la cadena de suministro global.
Con amplia experiencia en desarrollo de negocios, operaciones de ventas, comercio internacional, gestión de relaciones con clientes y soporte de proyectos de ingeniería, Solomon combina el conocimiento técnico con la estrategia comercial para ofrecer soluciones de fabricación innovadoras y rentables. Le apasionan las tecnologías de fabricación avanzadas, la mejora de procesos y el desarrollo profesional continuo, y está firmemente comprometido con la creación de valor para clientes y socios en todo el mundo.
