Desarrollo y prueba de una herramienta impresa hueca rellena de resina para conformado de chapa a través de la fabricación aditiva

Abstract

[ES] La fabricación de aditivos (AM) es un pilar importante de la Industria 4.0 y de las fábricas inteligentes. La AM juega un papel importante en la personalización, las libertades de diseño y la reducción de los costes de fabricación. Por estas razones, es adecuada para la creación de prototipos, herramientas y piezas individuales en pequeñas cantidades. En la industria de las herramientas, el conformado de chapa es un proceso de fabricación importante para la industria del automóvil. En este sector existe una tendencia a la personalización de los productos y a la reducción de los ciclos de vida de los productos, por lo que se necesitan herramientas más flexibles y variadas. La impresión en 3D permite producir herramientas de conformación más rápidamente y a un menor costo por pieza, especialmente para geometrías complejas.

Este trabajo se ocupa del desarrollo de una herramienta impresa hueca hecha con un proceso de fabricación aditivo adecuado, que posteriormente se rellena con un material de fundición. De esta manera se obtiene una herramienta aún más barata debido a la sustitución de un material específico para la impresión por un material de relleno común. Los procesos de impresión de piezas llevan varias horas, por lo que el tiempo total de procesamiento se reduce ya que la inyección de resina es mucho más rápida que la impresión completa. Todo esto sin dañar la calidad de la herramienta. De hecho, se esperan mejoras en las propiedades mecánicas de la herramienta. Por esta razón, se aumenta el rendimiento de la herramienta impresa para el conformado de chapa.

En primer lugar, se lleva a cabo un estudio de mercado de los procesos de AM. Simultáneamente, se analizan las propiedades mecánicas y térmicas de los materiales disponibles para los procesos de impresión para seleccionar los materiales adecuados para esta aplicación. En segundo lugar, se hace un estudio de las resinas existentes que soportan mejor los esfuerzos de compresión. Una vez finalizada la fase de estudio, se realizan en el laboratorio las pruebas mecánicas de adhesión y compresión de acuerdo con las normas de la norma ASTM, variando el espesor impreso y superficie de la herramienta entre resina y material impreso. Posteriormente se realizarán matrices comparativas de coste y tiempo invertido en una herramienta hueca rellena de resina, herramienta totalmente impresa y herramienta mecanizada convencionalmente. Por último, se crea una herramienta de uso real típico en la industria del automóvil en conformado de chapa con diferentes características y se mide ópticamente para detectar la deformación de la superficie después de que se cure la resina.

[EN] Additive Manufacturing (AM) is an important pillar of Industry 4.0 and smart factories. AM plays a significant role in customisation, design freedoms and reducing manufacturing costs. For these reasons, it is suitable for prototyping, tooling and individual parts in small quantities. In tooling industry, sheet metal forming is an important manufacturing process for the automotive industry. In this sector, there is a trend of customized products and shorter product life-cycles, and because of that more variant-flexible tools are needed. 3D printing makes possible to produce forming tools faster and at a lower cost-per-part especially for complex geometries.

This work deals with the development of a hollow printed tool made with an appropriate Additive Manufacturing process, which is subsequently filled with a casting material. In this way, an even cheaper tool is obtained due to the substitution of a specific material for printing by a common filling material. Parts printing processes take several hours, therefore total processing time is reduced as injecting resin is much faster than full printing. All this without damaging the quality of the tool. In fact, improvements in the mechanical properties of the tool are expected. For this reason, it is increased the printed tool performance for sheet metal forming.

First, a market study of the AM processes is carried out. Simultaniously, the mechanical and thermal properties of the materials available for the printing processes are analysed to select suitable materials for this application. Secondly, a survey of the existing resins that better support the compressive efforts are examined. Once the study phase is finished, the mechanical tests of adhesion and compression are performed in the laboratory in accordance with the standards of the ASTM norm, varying the thickness printed and the mechanical interlocking. Afterwards, comparative matrices of cost and time invested in a hollow tool filled with resin, fully printed tool and conventionally machined tool will be accomplish. Lastly, a real sheet metal forming tool with different features is created and optically measure to detect surface deformation after the resin is cured.