La impresión 3D en metal suele asociarse con prototipos, piezas únicas o componentes de geometría compleja. Sin embargo, cuando se integra correctamente al flujo de manufactura, también puede utilizarse para producir componentes industriales en serie.
INDEX-Werke, uno de los principales fabricantes internacionales de tornos CNC, implementó manufactura aditiva en metal para rediseñar y fabricar dos componentes funcionales de sus alimentadores de barras.
La empresa sustituyó conjuntos fabricados mediante soldadura, mecanizado y ensamble por componentes producidos en una sola pieza mediante tecnología LPBF.
El resultado fue una reducción del 62 % en los costos de fabricación, 80 % menos esfuerzo de ensamble, 66 % menos espacio de almacenamiento y una disminución del 10 % en rechazos.
El reto: fabricar económicamente un sistema para alimentar barras
Las máquinas multihusillo de INDEX incorporan un alimentador encargado de transportar barras metálicas hacia el área de mecanizado.
Para mantener el suministro continuo del material, cada barra utiliza un conjunto deslizante formado por dos componentes:
- Un carro deslizante.
- Una pieza de sujeción.
Ambos componentes trabajan juntos para desplazar el material mediante una banda y entregarlo al sistema de husillos.
La fabricación convencional de este conjunto generaba costos elevados de materiales, mecanizado, soldadura, ensamble, almacenamiento y abastecimiento.
INDEX identificó cuatro áreas principales de mejora:
- Reducir el esfuerzo de ensamble.
- Disminuir los rechazos.
- Simplificar la fabricación.
- Reducir el espacio necesario para almacenar refacciones.
La empresa necesitaba conservar la precisión, estabilidad y resistencia de los componentes, pero con una cadena de producción más corta y flexible.
Dos componentes críticos dentro del alimentador de barras
El sistema estaba compuesto por dos aplicaciones distintas que debían funcionar como un solo conjunto.
Aunque su geometría y función eran diferentes, ambas presentaban oportunidades para aplicar impresión 3D en metal y consolidar piezas.
Carro deslizante: una pieza afectada por el proceso de soldadura
El carro deslizante transmite la fuerza del movimiento axial hacia la barra mediante un émbolo accionado por resorte.
Por esta razón, el componente debía proporcionar:
- Estabilidad mecánica.
- Precisión para instalar el émbolo.
- Compatibilidad con la pieza de sujeción.
- Resistencia para operar de manera repetitiva.
En su versión convencional, el carro estaba formado por una placa base y una pieza torneada, unidas posteriormente mediante soldadura.
Esta configuración hacía que la fabricación fuera compleja y costosa. Además, la unión soldada podía presentar problemas de calidad capaces de generar fallas y pérdida de tiempo durante la producción.
INDEX requería aproximadamente 520 unidades al año. Cada carro producido de manera convencional tenía un costo de 127 euros, lo que representaba un gasto anual de 66,040 euros.
Pieza de sujeción: múltiples componentes y proveedores
La segunda aplicación era la pieza de sujeción, instalada sobre una banda trapezoidal para transportar el material hacia el área de mecanizado.
El componente debía ajustarse con precisión dentro de un riel en C y desplazarse repetidamente con bajo desgaste.
También requería roscas para fijar la banda y montar el carro deslizante.
La versión convencional estaba formada por:
- Dos placas de acero inoxidable.
- Un cuerpo principal de aluminio.
- Pernos.
- Tornillos.
- Roscas mecanizadas.
Las placas debían colocarse y fijarse con precisión en ambos lados del cuerpo de aluminio para mantener la alineación con el riel.
Esta construcción generaba una cadena de suministro de varias etapas, dependencia de diferentes proveedores y un esfuerzo de ensamble elevado.
Después de recibir los materiales, se requerían cuatro operaciones de ensamble para completar la pieza. Sumando las actividades anteriores, la cadena total comprendía cinco pasos.
La empresa también enfrentaba un plazo de reposición de 42 días.
Al igual que con el carro deslizante, INDEX necesitaba 520 piezas al año. Cada unidad producida convencionalmente costaba 205 euros, equivalente a un gasto anual de 106,600 euros.
La solución: producción interna con impresión 3D en metal
INDEX decidió rediseñar ambos componentes para fabricarlos mediante tecnología LPBF en un sistema MPRINT de One Click Metal.
Una vez creado y preparado el modelo CAD, el departamento de diseño podía comenzar directamente la producción interna, sin recorrer toda la cadena convencional de preparación, abastecimiento y fabricación.
Este cambio permitió conectar de forma más directa:
- Diseño.
- Preparación de archivos.
- Impresión.
- Postprocesado.
- Instalación.
La manufactura aditiva en metal no se utilizó para copiar exactamente las piezas anteriores. Los componentes se rediseñaron específicamente para aprovechar las capacidades del proceso.
Consolidación de componentes en una sola pieza
Uno de los cambios más importantes fue la consolidación de componentes.
El carro deslizante dejó de requerir una pieza torneada soldada a una placa base. La geometría completa pudo fabricarse como un solo componente.
La pieza de sujeción también pasó de estar formada por placas, cuerpo, pernos y tornillos a producirse como una sola pieza metálica.
La impresión 3D en metal permitió integrar directamente las geometrías necesarias para el desplazamiento, la fijación y el montaje.
Esto eliminó operaciones de ensamble y redujo el número de elementos que debían comprarse, almacenarse y controlarse.
De cinco pasos de ensamble a uno
La pieza de sujeción convencional requería una serie de operaciones para fijar las placas de acero inoxidable al cuerpo de aluminio y fabricar las roscas.
Mediante el rediseño para manufactura aditiva, las roscas pudieron preformarse durante la impresión y repasarse posteriormente con una operación mínima.
Debido a que la pieza se fabricó como un solo componente, el ensamble se redujo de cinco pasos a uno.
En términos generales, INDEX consiguió disminuir el esfuerzo de ensamble en un 80 %.
Esta reducción no solo representó menos tiempo de trabajo. También disminuyó las posibilidades de errores de montaje y desalineación entre componentes.
Tecnología LPBF y material utilizado
Los dos componentes se produjeron mediante fusión láser de lecho de polvo o LPBF.
El sistema utilizó un láser de fibra de 200 W y capas de 40 micras.
Para ambas aplicaciones se seleccionó acero 1.2709, una aleación con alta capacidad para soportar cargas mecánicas y térmicas después del tratamiento correspondiente.
Esta selección permitió que el conjunto funcionara de forma estable dentro del alimentador de barras y soportara los ciclos repetitivos de operación.
Datos de producción del carro deslizante
La plataforma de fabricación permitió producir 42 carros deslizantes en una sola construcción.
Los principales datos del proceso fueron:
- Material: acero 1.2709.
- Tecnología: LPBF con láser de fibra de 200 W.
- Espesor de capa: 40 micras.
- Número de capas: 2,328.
- Cantidad por construcción: 42 piezas.
- Tiempo de impresión: 50.5 horas.
- Consumo de material por pieza: 9.07 cm³.
- Costo de fabricación por pieza: 29 euros.
Frente a los 127 euros de la fabricación convencional, el nuevo costo representó una reducción significativa por unidad.
Datos de producción de la pieza de sujeción
En el caso de la pieza de sujeción, se fabricaron cuatro unidades por plataforma.
Los datos técnicos fueron:
- Material: acero 1.2709.
- Tecnología: LPBF con láser de fibra de 200 W.
- Espesor de capa: 40 micras.
- Número de capas: 860.
- Cantidad por construcción: 4 piezas.
- Tiempo de impresión: 22.5 horas.
- Consumo de material por pieza: 34.25 cm³.
- Costo de fabricación por pieza: 97 euros.
El costo convencional era de 205 euros por unidad. La manufactura aditiva permitió reducirlo sin depender de diferentes proveedores ni de un proceso de ensamble de varias etapas.
El diseño para manufactura aditiva fue clave
La reducción de costos no se consiguió únicamente por cambiar de tecnología.
INDEX optimizó la geometría para reducir material, soportes y tiempo de impresión.
Una primera versión del carro deslizante, derivada directamente del diseño convencional, habría requerido:
- 74.5 horas de impresión.
- 457 cm³ de material para 42 unidades.
Después de aplicar criterios de diseño para manufactura aditiva, el tiempo disminuyó a 50.5 horas y el consumo total de material a 381 cm³.
Esto equivale a una reducción aproximada del 32 % en el tiempo de fabricación de ese lote y del 17 % en el volumen de material utilizado.
La geometría final incorpora estructuras abiertas y refuerzos localizados que mantienen la función mecánica mientras eliminan material de zonas donde no era necesario. La comparación visual de la página 9 del caso muestra claramente el cambio entre la placa sólida soldada y la versión optimizada para impresión 3D en metal.
Menos soportes y menos postprocesado
La orientación de las piezas dentro de la plataforma también fue optimizada.
El objetivo no era únicamente acomodar la mayor cantidad de componentes, sino reducir las estructuras de soporte y facilitar las operaciones posteriores.
Una menor cantidad de soportes puede generar beneficios como:
- Menor consumo de polvo.
- Menos tiempo de separación.
- Reducción del acabado manual.
- Mejor acceso a superficies funcionales.
- Menor riesgo de dañar el componente durante el retiro.
La productividad real en manufactura aditiva depende tanto del tiempo de impresión como del trabajo necesario después de terminar la construcción.
De 42 días a 10 días
La fabricación convencional de 40 conjuntos requería aproximadamente 42 días.
Con impresión 3D en metal, incluyendo fabricación y retrabajo, INDEX redujo este plazo a 10 días.
Esto representa una reducción aproximada del 76 % en el tiempo total de entrega.
La empresa también obtuvo mayor capacidad para reaccionar ante cambios de diseño, pedidos adicionales o versiones personalizadas.
Una vez preparado el archivo, las nuevas piezas podían producirse en cuestión de días, sin volver a coordinar una cadena de proveedores y procesos independientes.
Reducción del 62 % en costos de producción
El resultado global documentado fue una reducción del 62 % en los costos.
Este ahorro fue consecuencia de varios factores combinados:
- Menor costo por componente.
- Eliminación de soldadura.
- Consolidación de piezas.
- Menor esfuerzo de ensamble.
- Reducción de proveedores.
- Disminución del consumo de material.
- Menor tiempo de fabricación.
- Menos rechazos.
- Reducción del inventario físico.
El caso demuestra que el valor económico de la impresión 3D en metal debe analizarse considerando toda la cadena de proceso y no únicamente el costo del polvo o las horas de máquina.
Menor espacio de almacenamiento
La fabricación convencional obligaba a INDEX a conservar diferentes piezas, placas, cuerpos, tornillos y componentes de reemplazo.
Al consolidar los conjuntos y producirlos internamente, la empresa redujo en un 66 % el espacio necesario para almacenamiento.
Este beneficio está relacionado con el concepto de inventario digital.
En lugar de mantener grandes cantidades de refacciones terminadas, los archivos pueden conservarse digitalmente y fabricarse cuando exista una necesidad real.
Este enfoque puede reducir:
- Capital inmovilizado.
- Riesgo de obsolescencia.
- Espacio de almacén.
- Cantidades mínimas de compra.
- Dependencia de proveedores.
Reducción de rechazos
La soldadura era una de las principales fuentes de problemas de calidad en el carro deslizante.
Al eliminar esta unión y fabricar la geometría en una sola pieza, INDEX redujo las variables asociadas con la posición, deformación y calidad del cordón.
El caso reporta una disminución del 10 % en rechazos.
Aunque la manufactura aditiva también requiere control de proceso, elimina determinadas operaciones cuya variabilidad puede afectar el resultado final.
Beneficios principales obtenidos por INDEX
La implementación de impresión 3D en metal para producción en serie generó los siguientes resultados:
- 62 % de reducción en costos.
- 80 % menos esfuerzo de ensamble.
- 66 % menos espacio de almacenamiento.
- 10 % de reducción en rechazos.
- Reducción del plazo de fabricación de 42 a 10 días.
- Consolidación de componentes.
- Eliminación de operaciones de soldadura.
- Menor dependencia de proveedores.
- Mayor flexibilidad ante cambios de diseño.
- Producción interna bajo demanda.
¿Cuándo puede utilizarse impresión 3D en metal para producción en serie?
Este caso no significa que LPBF sea automáticamente el proceso más económico para cualquier componente producido en volumen.
La manufactura aditiva en metal puede resultar especialmente competitiva cuando se combinan varios factores:
- Volúmenes bajos o medios.
- Componentes de alto valor.
- Ensambles formados por varias piezas.
- Operaciones de soldadura complejas.
- Alta dependencia de proveedores.
- Plazos largos de reposición.
- Cambios frecuentes de diseño.
- Costos elevados de almacenamiento.
- Geometrías que pueden aligerarse.
- Necesidad de producir refacciones bajo demanda.
Cuando una pieza simple se fabrica en cientos de miles de unidades, otros procesos pueden ofrecer un costo menor.
Pero cuando el costo total está determinado por ensamble, logística, inventario, rechazos y tiempos de entrega, la manufactura aditiva puede transformar la economía de la aplicación.
Más que sustituir un proceso
El caso de INDEX demuestra que la implementación exitosa de impresión 3D en metal no consiste en reproducir exactamente una pieza convencional.
La oportunidad apareció al revisar la función del conjunto y rediseñarlo alrededor del proceso aditivo.
El carro deslizante se optimizó para reducir masa y eliminar soldadura. La pieza de sujeción se consolidó para eliminar componentes y disminuir las operaciones de ensamble.
El resultado no fue únicamente una pieza fabricada de otra manera, sino una cadena de producción más corta.
Conclusión
La producción en serie con impresión 3D en metal permitió a INDEX rediseñar dos componentes funcionales de sus alimentadores de barras y reducir significativamente el costo total del proceso.
Mediante tecnología LPBF y acero 1.2709, la empresa consolidó piezas, eliminó soldadura, redujo el ensamble de cinco pasos a uno y disminuyó el tiempo de producción de 42 a 10 días.
Los resultados incluyeron una reducción del 62 % en costos, 80 % menos esfuerzo de ensamble, 66 % menos almacenamiento y 10 % menos rechazos.
Este caso muestra que la manufactura aditiva en metal puede ser una tecnología de producción industrial cuando el diseño, el volumen y la cadena de suministro se analizan de forma integral.
En Shift 3D ayudamos a empresas de manufactura a identificar componentes con potencial para fabricarse mediante impresión 3D en metal con sistemas One Click Metal.
Evaluamos la geometría, el volumen anual, el material, los costos actuales, las operaciones de ensamble y el postprocesado para determinar si la manufactura aditiva puede generar una ventaja técnica y económica real.