Impresión 3D SLS en manufactura: Eaton reemplaza el 90 % de sus dispositivos mecanizados

En una línea de producción, las piezas auxiliares pueden ser tan importantes como el producto final.

Dispositivos de sujeción, bloques de posicionamiento, elementos de agarre, consumibles, refacciones y herramientas de fin de brazo permiten que máquinas, robots y operadores mantengan el flujo de trabajo. Cuando alguno de estos componentes se pierde, se desgasta o falla, la planta puede enfrentar semanas de espera y costos elevados de mecanizado.

En su planta de Olean, Nueva York, Eaton incorporó el ecosistema SLS de Formlabs para fabricar estos componentes directamente dentro de la operación.

Después de un año utilizando equipos Fuse Series, la planta había sustituido aproximadamente el 90 % de los dispositivos que antes mecanizaba en Delrin, redujo sus costos operativos y alcanzó el retorno de inversión de su sistema Fuse en seis meses, tres meses antes de lo previsto.

El reto: mantener un flujo de producción de 15,000 componentes diarios

La planta de Eaton en Olean produce diariamente alrededor de 15,000 varistores de óxido metálico, conocidos como MOV.

Estos componentes pasan por una secuencia de prensado, pintura, rectificado, soldadura, pruebas y ensamble antes de integrarse en apartarrayos utilizados para proteger infraestructura eléctrica.

Mantener este flujo de una sola pieza requiere coordinar aproximadamente 50 equipos, estaciones automatizadas, robots y mecanismos de transferencia.

La operación necesita constantemente:

• Jigs y fixtures.
• Herramientas de fin de brazo para robots.
• Consumibles de producción.
• Bloques de posicionamiento.
• Elementos de agarre.
• Cubiertas de protección.
• Refacciones.
• Adaptadores para diferentes tamaños de producto.

Tradicionalmente, muchas de estas piezas se mecanizaban en Delrin, nylon, aluminio o bronce. Aunque funcionaban, podían resultar costosas, pesadas, difíciles de modificar y lentas de reponer.

Manufactura aditiva como estrategia de Industria 4.0

Eaton cuenta con más de 200 instalaciones de manufactura distribuidas en decenas de países y con procesos muy distintos entre sí.

Para coordinar la adopción de nuevas tecnologías, la empresa estableció un Centro de Excelencia en Manufactura Aditiva, conocido como AMCoE.

Este centro evalúa tecnologías, materiales y procesos antes de recomendar su implementación en las plantas. Los principales criterios de evaluación son:

• Facilidad de uso.
• Confiabilidad.
• Repetibilidad.
• Adecuación al entorno industrial.
• Capacidad para resolver aplicaciones reales.
• Tiempo requerido para capacitar al personal.

La manufactura aditiva se utiliza como parte de la estrategia de Industria 4.0 de Eaton para solucionar problemas cotidianos, mejorar la seguridad, aumentar la productividad y reducir la dependencia de proveedores externos.

Los equipos Formlabs implementados por Eaton

Eaton utiliza diferentes equipos de Formlabs según la precisión, el tamaño, el material y la función requerida.

Fuse 1+ 30W

La Fuse 1+ 30W es el equipo principal para fabricar piezas funcionales mediante sinterizado selectivo por láser.

Eaton la utiliza para producir:

• Dispositivos de manufactura.
• Piezas de desgaste.
• Consumibles.
• Bloques de posicionamiento.
• Herramientas de fin de brazo.
• Elementos de transferencia.
• Refacciones bajo demanda.

La tecnología SLS permite fabricar componentes sin soportes independientes, aprovechar el volumen de construcción y utilizar materiales de ingeniería como Nylon 12 Powder.

Fuse Sift

Fuse Sift permite recuperar, mezclar y preparar el polvo utilizado en las construcciones SLS.

El sistema concentra las operaciones de extracción de piezas y gestión del material dentro de un flujo controlado.

Su tamaño compacto y facilidad de operación ayudaron a Eaton a integrar SLS en espacios de trabajo donde una instalación industrial de gran formato habría resultado más difícil de implementar.

Fuse Blast

Fuse Blast automatiza la limpieza y el acabado inicial de las piezas SLS.

En Eaton, su incorporación redujo en aproximadamente un 80 % el tiempo dedicado a la etapa de limpieza y tamizado, permitiendo que los ingenieros destinaran más tiempo a identificar nuevas aplicaciones dentro de la planta.

El sistema también puede limpiar geometrías con grabados, identificadores y detalles finos sin depender completamente de trabajo manual.

Form 4 y Form 4L

Para aplicaciones que requieren mayor detalle, calidad superficial, precisión o materiales especializados, Eaton utiliza impresión 3D SLA con Form 4 y Form 4L.

La Form 4 se emplea para piezas precisas con tiempos de fabricación cortos, mientras que la Form 4L permite producir componentes de mayor tamaño o varios elementos en una sola plataforma.

Eaton destaca la combinación de velocidad, precisión, confiabilidad y facilidad de uso de esta generación de equipos.

De equipos SLS complejos a un sistema integrado en planta

Antes de evaluar Fuse Series, el Centro de Excelencia de Eaton ya tenía experiencia con impresoras SLS industriales.

Sin embargo, estos sistemas eran grandes, costosos y requerían operadores especializados, soporte técnico frecuente y flujos complejos de manejo de polvo.

Eaton buscaba conservar las principales ventajas del proceso SLS:

• Impresión sin soportes.
• Geometrías complejas.
• Materiales de ingeniería.
• Buena precisión.
• Piezas funcionales.

Pero necesitaba un equipo que pudiera instalarse y operarse directamente en una planta sin dedicar una infraestructura excesiva.

La combinación de Fuse 1+ 30W, Fuse Sift y Fuse Blast proporcionó un flujo más compacto y accesible, adecuado para que las plantas fabricaran sus propios dispositivos y refacciones.

Nylon 12 para aplicaciones industriales

Gran parte de los componentes producidos por Eaton se fabrica con Nylon 12 Powder.

Este material ofrece una combinación de:

• Rigidez.
• Resistencia mecánica.
• Estabilidad dimensional.
• Resistencia al impacto.
• Compatibilidad con geometrías complejas.
• Comportamiento adecuado frente a ciertos químicos industriales.

Estas propiedades permitieron sustituir componentes que anteriormente se mecanizaban en Delrin o nylon.

Además, el diseño digital hizo posible incorporar funciones que eran difíciles o costosas de agregar por mecanizado, como números de parte, símbolos, marcas de identificación, ensambles a presión y geometrías aligeradas.

Anillos para herramientas de fin de brazo

Una de las aplicaciones desarrolladas por Eaton son los anillos instalados alrededor de las herramientas de fin de brazo que sostienen los MOV durante el proceso de pintura.

Los anillos deben estar disponibles en diferentes tamaños y cambiarse rápidamente según el componente procesado.

Anteriormente se mecanizaban en Delrin. Con Fuse 1+ 30W, Eaton comenzó a producirlos en Nylon 12 Powder.

La impresión 3D permitió:

• Reducir costos.
• Fabricar reemplazos con mayor rapidez.
• Incorporar números de parte.
• Añadir marcas de identificación.
• Mantener diferentes tamaños disponibles.
• Simplificar los cambios de configuración.

La aplicación muestra cómo una pieza aparentemente sencilla puede afectar directamente la flexibilidad y productividad de una estación automatizada.

Émbolos con cambio rápido y diseño consolidado

Durante el prensado de los MOV, un mecanismo extractor retira cada componente y lo coloca en una banda transportadora.

La altura del extractor se ajusta mediante émbolos específicos para los diferentes tamaños de producto.

La versión anterior estaba mecanizada, requería varias piezas y utilizaba etiquetas adheridas para identificar la configuración.

Eaton rediseñó el componente para fabricarlo mediante SLS como una sola pieza, con ensamble a presión y símbolos integrados directamente en la geometría.

El nuevo diseño puede instalarse girándolo sobre el eje, sin ajustar tornillería ni reemplazar etiquetas.

Cuando un émbolo se pierde o se desgasta, puede imprimirse durante la noche, en lugar de esperar aproximadamente una semana por una pieza mecanizada.

Consumibles impresos en lotes

Algunos componentes auxiliares se desgastan con frecuencia por la cantidad de producto procesado.

Un ejemplo son los raspadores utilizados para retirar acumulaciones de pintura en los anillos del proceso de recubrimiento.

En lugar de solicitar cada reemplazo a un taller de mecanizado, Eaton incorpora estos consumibles en construcciones SLS cuando detecta que el inventario está disminuyendo.

La capacidad de imprimir varias piezas simultáneamente permite mantener repuestos disponibles sin realizar pedidos externos ni detener la operación.

Este enfoque transforma a la Fuse 1+ 30W en una herramienta para administrar inventarios de consumibles de producción bajo demanda.

Bloques para rectificado con tolerancias controladas

Durante el proceso de rectificado, los MOV deben mantenerse correctamente posicionados para asegurar el paralelismo entre sus superficies.

Eaton utiliza bloques en V con almohadillas intercambiables para sujetar diferentes tamaños de componentes.

Las piezas anteriores combinaban elementos mecanizados y componentes de uretano sobremoldeado con insertos metálicos, lo que dificultaba su reposición.

Las nuevas almohadillas se producen mediante SLS y utilizan cubiertas de TPU para mejorar el agarre e identificar visualmente los tamaños.

La planta mantiene una tolerancia inferior a 0.08 mm de paralelismo en esta operación y reporta que las piezas SLS ofrecen la escuadra y estabilidad necesarias.

Cada almohadilla convencional costaba aproximadamente 45 dólares. La solución impresa tiene un costo cercano a cuatro dólares, lo que representa un ahorro anual aproximado de 6,000 dólares para esta aplicación.

Rediseño de dispositivos pesados

En las estaciones de transferencia, los MOV deben reposicionarse para pasar de una banda transportadora a otra con un nuevo espaciado.

Los dispositivos convencionales estaban fabricados con bloques sólidos de Delrin y bases de aluminio. Eran pesados, costosos y difíciles de obtener con rapidez.

En un primer momento, Eaton imprimió reemplazos directos. Posteriormente, el equipo aprovechó la libertad de diseño del proceso SLS para desarrollar una solución más ligera y modular.

La nueva versión utiliza:

• Una base común.
• Elementos superiores intercambiables.
• Menos material.
• Geometrías aligeradas.
• Cambios más rápidos entre configuraciones.

Esta evolución es importante: el mayor beneficio apareció cuando la empresa dejó de reproducir la pieza mecanizada y comenzó a diseñar específicamente para manufactura aditiva.

Herramientas de fin de brazo personalizadas

Los robots industriales suelen ser plataformas generales. La personalización ocurre en el punto donde el robot interactúa con el producto.

Eaton utiliza piezas SLS como dedos, cubiertas y elementos de contacto dentro de sus herramientas de fin de brazo.

Estas piezas:

• Se adaptan a diferentes tamaños de MOV.
• Protegen el producto contra rayaduras.
• Evitan depósitos metálicos.
• Se reemplazan fácilmente cuando se desgastan.
• Pueden fabricarse en lotes.
• Reducen el peso sobre el robot.

La manufactura aditiva permite crear esa interfaz específica entre el equipo automatizado y el componente producido.

Dispositivos de ensamble disponibles al día siguiente

Durante la etapa de ensamble, Eaton utiliza fixtures para mantener los componentes en posición mientras se forman los conjuntos finales.

Los dispositivos anteriores combinaban Delrin mecanizado y aluminio. Eran voluminosos, costosos y podían tardar semanas en ser reemplazados.

Con Fuse Series, los operadores pueden solicitar una nueva versión y recibirla impresa al día siguiente.

Además, varias de estas mejoras fueron propuestas directamente por los operadores, quienes identificaban problemas en su flujo de trabajo y consultaban al equipo de ingeniería sobre la posibilidad de imprimir una solución.

Este modelo distribuye la innovación y convierte problemas cotidianos en proyectos de mejora continua.

Una cubierta funcional fabricada con Form 4L

El ecosistema de Eaton no se limita a SLS.

Uno de sus equipos de diseño necesitaba una cubierta de gran tamaño para realizar pruebas funcionales en un ensamble expuesto a humedad y temperatura.

La pieza debía ofrecer:

• Resistencia al agua.
• Precisión dimensional.
• Durabilidad.
• Tamaño superior al disponible en los equipos FDM internos.

El Centro de Excelencia utilizó Form 4L y Tough 2000 Resin para fabricar una cubierta robusta y funcional con un tiempo de entrega reducido.

Subcontratar el componente habría requerido semanas o meses, mientras que la impresión interna permitió finalizar el diseño y producirlo directamente para las pruebas.

¿Cuándo utiliza Eaton SLA y cuándo SLS?

La selección de la tecnología depende de los requerimientos de cada componente.

Eaton utiliza Form 4 y Form 4L cuando requiere:

• Alta precisión.
• Excelente acabado superficial.
• Detalles finos.
• Piezas grandes.
• Materiales con propiedades específicas.
• Prototipos en color.
• Componentes para pruebas funcionales.
• Reemplazos de geometrías moldeadas.

Eaton utiliza Fuse 1+ 30W cuando requiere:

• Piezas funcionales de nylon.
• Geometrías sin soportes.
• Lotes de componentes.
• Dispositivos de manufactura.
• Herramientas de fin de brazo.
• Consumibles de producción.
• Piezas resistentes a impactos.
• Reemplazos frecuentes.
• Componentes para ambientes industriales.

Esta combinación permite que Eaton seleccione el proceso según la función, en lugar de intentar resolver todas las aplicaciones con una sola tecnología.

Retorno de inversión en seis meses

Eaton había estimado recuperar la inversión de su sistema Fuse en aproximadamente nueve meses.

Sin embargo, conforme ingenieros y operadores comenzaron a identificar nuevas aplicaciones, el uso de la tecnología aumentó rápidamente.

La empresa alcanzó el retorno de inversión en cerca de seis meses.

El ahorro no provino de una sola pieza, sino de la acumulación de numerosos proyectos:

• Sustitución de Delrin mecanizado.
• Reducción de costos unitarios.
• Menos esperas.
• Menor inventario.
• Menos paros.
• Producción de repuestos.
• Optimización de dispositivos.
• Eliminación de ensambles.
• Mayor velocidad de respuesta.

Este resultado muestra que el retorno de una impresora industrial debe analizarse sobre el conjunto de aplicaciones que puede atender, y no únicamente sobre un componente individual.

Sustitución del 90 % de los fixtures mecanizados

Después de un año utilizando Fuse Series, Eaton había sustituido alrededor del 90 % de los dispositivos que anteriormente fabricaba mediante mecanizado de Delrin.

Este cambio no implica que la impresión 3D reemplace todas las operaciones de mecanizado.

En algunos casos, Eaton conserva componentes metálicos o bases mecanizadas y utiliza SLS únicamente en las superficies, insertos o piezas intercambiables donde aporta mayor valor.

La estrategia combina procesos para aprovechar las ventajas de cada tecnología:

• Metal en zonas de alta carga.
• SLS en elementos personalizados y reemplazables.
• TPU en superficies de agarre.
• SLA en piezas precisas o de gran formato.
• FDM en identificadores o elementos simples.

La manufactura aditiva funciona como complemento dentro de un sistema híbrido de producción.

Mayor resiliencia en la planta

Uno de los beneficios más importantes para Eaton fue reducir la dependencia de talleres externos y fabricantes de equipo original.

Una refacción especial para una máquina puede tardar entre ocho y doce semanas en llegar. En una línea de alto volumen, ese periodo puede afectar gravemente la productividad.

La fabricación interna permite que la planta:

• Reaccione ante componentes dañados.
• Produzca soluciones provisionales.
• Mantenga repuestos digitales.
• Realice modificaciones rápidamente.
• Evite largos tiempos de reposición.
• Reduzca el impacto de interrupciones en la cadena de suministro.

Para Eaton, el valor de la manufactura aditiva no está únicamente en producir piezas más económicas, sino en hacer que la planta sea más autosuficiente.

Beneficios obtenidos por Eaton

La integración de Formlabs en Eaton generó resultados medibles:

• Sustitución del 90 % de los fixtures mecanizados en Delrin.
• Retorno de inversión del sistema Fuse en seis meses.
• Reducción de aproximadamente 80 % del tiempo de limpieza con Fuse Blast.
• Reemplazos disponibles en horas o al día siguiente.
• Disminución de costos en consumibles de producción.
• Ahorro anual de alrededor de 6,000 dólares en una aplicación de rectificado.
• Reducción de ensambles mediante piezas impresas de una sola sección.
• Menor peso en dispositivos robóticos.
• Mayor participación de operadores en proyectos de mejora.
• Menor dependencia de proveedores y talleres externos.

Más que imprimir reemplazos directos

La primera etapa de adopción consistió en sustituir piezas mecanizadas por versiones impresas con geometría similar.

Conforme el equipo adquirió experiencia, comenzó a rediseñar los componentes para aprovechar la manufactura aditiva.

Esto permitió integrar:

• Ensambles a presión.
• Identificadores permanentes.
• Geometrías aligeradas.
• Elementos intercambiables.
• Consolidación de piezas.
• Superficies adaptadas al producto.
• Diseños fáciles de reemplazar.
• Menor consumo de material.

La transición de una copia directa a un diseño optimizado es una de las etapas más importantes para obtener mayor valor de la impresión 3D industrial.

Conclusión

El caso de Eaton demuestra cómo la impresión 3D SLS puede integrarse directamente en una planta para fabricar dispositivos, herramientas de fin de brazo, consumibles y refacciones bajo demanda.

Con Fuse 1+ 30W, Fuse Sift y Fuse Blast, la planta de Olean desarrolló un flujo interno para producir componentes funcionales en Nylon 12 Powder.

Después de un año, Eaton había reemplazado aproximadamente el 90 % de sus fixtures mecanizados en Delrin y recuperado la inversión del sistema Fuse en seis meses.

La empresa también incorporó Form 4 y Form 4L para aplicaciones que requerían mayor precisión, calidad superficial, materiales especializados o piezas de gran tamaño.

Más que sustituir una sola tecnología, Formlabs permitió a Eaton desarrollar una operación híbrida, flexible y más resiliente frente a desgaste, cambios de producto y tiempos prolongados de suministro.

En Shift 3D ayudamos a empresas de manufactura a integrar equipos Formlabs para producir fixtures, jigs, herramientas de fin de brazo, refacciones y componentes funcionales directamente dentro de la planta.

Nuestro equipo puede ayudarte a evaluar qué aplicaciones son adecuadas para Fuse 1+ 30W, Fuse Sift, Fuse Blast, Form 4 o Form 4L, así como seleccionar el material y flujo de postprocesado correspondiente.

Correo: info@shift3d.mx