Los ciclos de desarrollo en la industria automotriz son cada vez más cortos. Los fabricantes necesitan validar diseños, probar mecanismos y producir componentes funcionales antes de comprometerse con moldes, herramentales y procesos de producción de alto costo.
Durante el desarrollo de la nueva Ford Explorer eléctrica para el mercado europeo, el Centro de Tecnología Rápida de Ford en Merkenich, Alemania, utilizó impresión 3D SLA y SLS para fabricar prototipos de diseño, ensambles mecánicos y herramentales para moldeo por inyección.
La combinación de diferentes tecnologías de manufactura aditiva permitió al equipo evaluar componentes exteriores e interiores, realizar nuevas iteraciones en cuestión de horas y reducir de varios meses a pocas semanas el desarrollo de determinadas piezas moldeadas.
Este caso demuestra cómo la impresión 3D automotriz puede integrarse como una herramienta de ingeniería para acelerar la validación y reducir riesgos antes de iniciar la producción en serie.
El reto: desarrollar vehículos en ciclos cada vez más cortos
El centro de desarrollo de Ford en Merkenich diseña vehículos de pasajeros para el mercado europeo y colabora en el desarrollo de vehículos comerciales.
Entre sus proyectos recientes se encuentra la Ford Explorer eléctrica, cuya producción en serie comenzó en la planta de Colonia.
El desarrollo de un vehículo completo exige validar una gran cantidad de componentes:
- Paneles exteriores.
- Elementos interiores.
- Carcasas.
- Mecanismos.
- Ensambles móviles.
- Piezas de aislamiento.
- Componentes de interfaz.
- Elementos sometidos a pruebas funcionales.
Modificar un molde o herramental de producción después de detectar un error puede ser costoso y provocar retrasos en planta.
Por esta razón, Ford utiliza prototipos físicos para verificar el diseño antes de liberar componentes para producción. La manufactura aditiva permite realizar estas validaciones con rapidez y responder ante solicitudes de corto plazo.
El Centro de Tecnología Rápida de Ford
Ford cuenta con un Centro de Tecnología Rápida junto a su planta de Colonia.
Esta instalación reúne diferentes procesos de fabricación para desarrollar prototipos automotrices a escala real, entre ellos:
- Moldeo por inyección.
- Conformado.
- Fresado y otros procesos sustractivos.
- Impresión 3D FDM.
- Impresión 3D SLA.
- Impresión 3D SLS.
- Manufactura aditiva metálica.
Ford comenzó a utilizar estereolitografía en Europa desde 1994. Con el tiempo, amplió su infraestructura para seleccionar la tecnología más adecuada según la geometría, el material y la etapa del proyecto.
Esta combinación permite fabricar desde modelos de apariencia hasta piezas mecánicas y componentes obtenidos con materiales representativos de producción.
La función del prototipado en el desarrollo automotriz
En las primeras etapas de un vehículo, los equipos pueden trabajar con modelos de arcilla para definir proporciones y lenguaje de diseño.
Sin embargo, conforme el producto avanza, es necesario validar dimensiones, superficies, mecanismos y ensambles con mayor precisión.
El prototipado automotriz permite detectar:
- Interferencias entre componentes.
- Errores de ensamble.
- Problemas de acceso.
- Movimientos incorrectos.
- Defectos de superficie.
- Diferencias entre el modelo digital y la pieza física.
- Riesgos antes de fabricar herramentales definitivos.
La impresión 3D reduce el tiempo entre la modificación de un archivo y la evaluación de una nueva pieza.
Esto permite que los ingenieros realicen más iteraciones y tomen decisiones con base en componentes físicos.
Impresión 3D SLA para validar diseño y calidad superficial
Ford utiliza impresión 3D SLA principalmente para fabricar prototipos que requieren buena calidad superficial, precisión y tiempos de entrega cortos.
El centro comenzó con una Form 2 y posteriormente incorporó varias impresoras de escritorio, una Form 3L de gran formato y unidades Form 4.
La tecnología SLA resultó adecuada para validar componentes exteriores e interiores de la nueva Explorer eléctrica, entre ellos:
- Cubiertas de espejo retrovisor.
- Paneles interiores.
- Elementos de carrocería.
- Cubiertas del puerto de carga.
- Componentes visuales y de ajuste.
La Form 3L permitió producir piezas grandes en una sola sección, evitando divisiones o ensambles adicionales.
Prototipos exteriores de gran formato
Los componentes exteriores de un vehículo requieren superficies continuas y una representación fiel de la geometría final.
Ford utilizó la Form 3L para fabricar prototipos de piezas de carrocería y cubiertas exteriores.
Por ejemplo, el equipo produjo una cubierta de espejo retrovisor para validar el diseño antes de avanzar hacia producción.
La impresión SLA permitió combinar:
- Formato de construcción amplio.
- Superficies detalladas.
- Geometrías cercanas a la pieza final.
- Fabricación rápida.
- Capacidad de iteración.
Estas características resultaron útiles para evaluar la integración visual y dimensional del componente dentro del vehículo.
Form 4 para acelerar las iteraciones
Ford también participó como usuario de prueba de la Form 4.
De acuerdo con el equipo de manufactura aditiva, la velocidad de impresión cambió el flujo de trabajo al permitir entregar más piezas y responder mejor ante solicitudes urgentes.
El centro puede completar una mayor cantidad de pedidos en menos de 24 horas, incluso cuando los requerimientos provienen de las instalaciones de Ford en Reino Unido y las piezas deben enviarse durante la noche.
La reducción del tiempo de impresión también modifica la forma en que los ingenieros trabajan.
Cuando saben que pueden recibir una nueva versión en pocas horas, existe una menor barrera para modificar el diseño, imprimirlo nuevamente y comparar alternativas.
Impresión 3D SLS para prototipos funcionales
Mientras SLA se utiliza principalmente para piezas de diseño y superficies detalladas, Ford emplea impresión 3D SLS para probar componentes mecánicos.
El Centro de Tecnología Rápida opera diferentes sistemas SLS. Para las piezas que caben en su volumen de construcción, el equipo utiliza la Fuse 1+ 30W.
La razón principal es la combinación de velocidad, facilidad de operación y materiales capaces de aproximarse al comportamiento de componentes plásticos de producción.
Ford utiliza Nylon 12 Powder para fabricar piezas con propiedades similares a las de determinados componentes obtenidos por moldeo por inyección.
Validación de mecanismos con Nylon 12
Uno de los conjuntos más importantes fabricados mediante SLS fue el mecanismo de la cubierta del puerto de carga.
No se trataba únicamente de una carcasa visual. El equipo necesitaba una pieza funcional para evaluar el movimiento y el comportamiento del ensamble.
El diseño era demasiado complejo para producirse mediante mecanizado. Tampoco tenía sentido fabricar un molde de inyección para unas cuantas muestras.
La naturaleza autoportante del proceso SLS permitió producir el conjunto sin estructuras de soporte añadidas.
Esto hizo posible fabricar geometrías internas, articulaciones y mecanismos complejos con menos restricciones que otros procesos de prototipado.
¿Por qué SLS era adecuado para el puerto de carga?
El prototipo debía cumplir varios objetivos:
- Representar la geometría final.
- Permitir el ensamble.
- Reproducir movimientos.
- Soportar pruebas físicas.
- Fabricarse en pocas unidades.
- Evitar un herramental dedicado.
SLS permitió imprimir el componente en Nylon 12 y evaluarlo físicamente.
La pieza podía utilizarse para estudiar el mecanismo antes de invertir en moldes y componentes definitivos.
Este tipo de aplicación muestra que la impresión 3D automotriz no se limita a maquetas de apariencia. También puede producir prototipos funcionales para validar mecanismos completos.
Postprocesado automatizado con Fuse Blast
La fabricación de piezas SLS incluye una etapa de limpieza para eliminar el polvo que rodea al componente.
Anteriormente, los operadores de Ford realizaban gran parte de este trabajo de forma manual.
La incorporación de Fuse Blast permitió automatizar la limpieza y el acabado de las piezas.
El operador introduce los componentes en el equipo e inicia el ciclo, mientras puede dedicar su tiempo a otras actividades.
Ford señala que esta automatización aceleró considerablemente el flujo de trabajo y redujo el tiempo empleado en limpieza manual.
Esto es importante porque la productividad de un sistema SLS no depende únicamente de la velocidad de impresión. También debe considerarse el enfriamiento, la recuperación de polvo, la limpieza y el acabado.
Flujos híbridos de manufactura
Una de las ventajas de contar con diferentes tecnologías dentro de la misma instalación es la posibilidad de combinarlas.
Ford no utiliza impresión 3D como sustituto universal de los procesos convencionales.
El equipo selecciona la tecnología en función de los requerimientos de cada pieza.
Para ciertas validaciones, es suficiente un prototipo SLA. En otras se requiere una pieza funcional en Nylon 12. Para pruebas donde el material y el proceso deben aproximarse a la producción, el equipo puede combinar impresión 3D con moldeo por inyección.
Este enfoque híbrido permite optimizar:
- Tiempo.
- Costo.
- Material.
- Calidad superficial.
- Propiedades mecánicas.
- Cantidad de piezas.
- Fidelidad respecto al proceso de producción.
Insertos impresos en 3D para moldeo por inyección
Ford también utilizó impresión 3D para fabricar insertos de moldes.
En lugar de mecanizar un molde metálico definitivo para cada iteración, el equipo imprimió cavidades y núcleos que podían colocarse dentro de su máquina interna de moldeo por inyección.
Para estos herramentales utilizó:
- Rigid 10K Resin en impresoras SLA.
- Nylon 12 Powder en sistemas SLS.
Esta estrategia permitió cambiar rápidamente los insertos y moldear nuevas versiones de las piezas con materiales de producción.
Componentes de goma para las manijas de las puertas
Durante el desarrollo de la Ford Explorer, el equipo necesitaba producir componentes de goma para el ensamble de las manijas.
Estas piezas cumplían funciones de amortiguamiento y aislamiento.
Cada diseño de manija requería dos componentes de goma. En un vehículo de cuatro puertas, esto representaba ocho piezas diferentes por cada iteración.
El proyecto incluía varios insertos y múltiples versiones de diseño.
Subcontratar los moldes de inyección habría requerido aproximadamente dos o tres meses.
Al fabricar internamente los insertos mediante impresión 3D, Ford redujo el proceso a un periodo de aproximadamente dos o tres semanas.
De meses a semanas con herramentales rápidos
La reducción del tiempo de desarrollo fue uno de los principales beneficios de los insertos impresos en 3D.
El flujo convencional habría requerido:
- Finalizar el diseño.
- Solicitar cotizaciones.
- Seleccionar proveedor.
- Fabricar el molde.
- Transportarlo.
- Realizar pruebas.
- Corregir posibles errores.
- Fabricar una nueva versión.
Con herramentales rápidos, Ford podía modificar el diseño digital, imprimir un nuevo inserto y utilizarlo en su propia máquina de inyección.
Esto permitió:
- Iterar con mayor velocidad.
- Fabricar piezas en el material real.
- Mantener el proceso dentro de la empresa.
- Reducir la dependencia de proveedores.
- Cumplir con el calendario del proyecto.
SLA y SLS no compiten: cumplen funciones diferentes
El caso de Ford muestra la importancia de seleccionar la tecnología según la aplicación.
SLA para diseño, detalle y superficies
Ford utilizó SLA en componentes que requerían:
- Buena calidad superficial.
- Precisión.
- Detalles finos.
- Validación visual.
- Prototipos exteriores e interiores.
- Insertos rígidos para moldeo.
SLS para función y mecanismos
SLS se utilizó cuando las piezas necesitaban:
- Mayor desempeño mecánico.
- Geometrías complejas.
- Ensambles funcionales.
- Material similar a plásticos de producción.
- Ausencia de soportes.
- Pruebas físicas.
La combinación de ambas tecnologías permitió cubrir diferentes etapas del desarrollo de la Explorer.
Beneficios de la impresión 3D automotriz en Ford
La implementación de SLA, SLS y herramentales rápidos generó beneficios en varias áreas:
- Prototipos de diseño en pocas horas.
- Más iteraciones antes de producción.
- Respuesta a solicitudes en menos de 24 horas.
- Validación de piezas exteriores e interiores.
- Pruebas de mecanismos complejos.
- Producción de componentes similares a piezas inyectadas.
- Automatización del postprocesado SLS.
- Fabricación interna de insertos de molde.
- Reducción de dos o tres meses a dos o tres semanas en determinadas aplicaciones.
- Menor riesgo de modificar herramientas definitivas.
- Mayor flexibilidad durante el desarrollo.
Reducir riesgos antes de producción
El costo de un prototipo no debe analizarse de forma aislada.
Su valor se encuentra en los problemas que puede detectar antes de que un diseño llegue a producción.
Una interferencia identificada en una pieza impresa puede corregirse en el archivo CAD. El mismo error detectado después de fabricar un molde metálico puede generar:
- Retrabajo.
- Nuevos costos de herramental.
- Paros.
- Demoras de lanzamiento.
- Problemas de calidad.
- Cambios en proveedores.
La impresión 3D permite trasladar la detección de errores a una etapa en la que las modificaciones son más rápidas y menos costosas.
¿Cuándo utilizar SLA en desarrollo automotriz?
SLA puede ser especialmente útil para:
- Carcasas.
- Paneles interiores.
- Componentes exteriores.
- Controles.
- Botones.
- Elementos transparentes.
- Piezas para validación dimensional.
- Modelos para presentación.
- Insertos de molde.
- Componentes con superficie detallada.
La selección de la resina debe realizarse según las propiedades necesarias, el tamaño de la pieza y el tipo de prueba.
¿Cuándo utilizar SLS en desarrollo automotriz?
SLS puede resultar adecuado para:
- Clips y sujetadores.
- Ductos.
- Carcasas funcionales.
- Mecanismos.
- Bisagras.
- Ensambles móviles.
- Soportes.
- Cubiertas.
- Piezas para pruebas de ajuste.
- Componentes sometidos a carga.
Nylon 12 ofrece una combinación útil de rigidez, estabilidad dimensional y resistencia para prototipos funcionales.
Además, el polvo sin fusionar sostiene las piezas durante la impresión, lo que permite fabricar geometrías complejas sin añadir soportes independientes.
La manufactura aditiva como infraestructura de desarrollo
El caso de Ford no se basa en una única pieza impresa.
La manufactura aditiva forma parte de una infraestructura de ingeniería que conecta diseño, fabricación y validación.
El Centro de Tecnología Rápida puede recibir una solicitud, seleccionar la tecnología, producir la pieza, postprocesarla y entregarla al equipo de desarrollo en un plazo corto.
Esta capacidad interna reduce el tiempo de coordinación y permite que la empresa mantenga un ciclo continuo de mejora.
La ventaja competitiva no proviene únicamente de tener impresoras 3D, sino de integrarlas dentro de un flujo definido de desarrollo de producto.
Conclusión
Ford utilizó impresión 3D SLA y SLS para acelerar el desarrollo de la nueva Explorer eléctrica y validar componentes antes de la producción en serie.
Con SLA, el equipo fabricó prototipos de alta calidad superficial para piezas interiores y exteriores. Con SLS y Nylon 12, produjo mecanismos y ensambles funcionales que no podían fabricarse de forma práctica mediante mecanizado o moldeo convencional en bajos volúmenes.
Además, los insertos de moldes impresos en 3D permitieron producir componentes de goma mediante moldeo por inyección y reducir determinados ciclos de desarrollo de dos o tres meses a un máximo de dos o tres semanas.
El caso demuestra que la impresión 3D automotriz puede reducir riesgos, aumentar el número de iteraciones y ayudar a que los equipos de ingeniería respondan a ciclos de desarrollo cada vez más exigentes.
En Shift 3D ayudamos a empresas del sector automotriz a integrar tecnologías Formlabs SLA y SLS para prototipado rápido, validación funcional, herramentales y producción de bajo volumen.
Nuestro equipo puede ayudarte a seleccionar la tecnología, el material y el flujo de postprocesado adecuados para cada aplicación.