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USO (Y ESCALADO) DE LA IMPRESIÓN 3D FDM PARA LA PRODUCCIÓN.

IDEA 1.61.

La maquinilla de afeitar de Maxwell June, diseñada para combinar la facilidad de uso de una maquinilla de afeitar desechable con las ventajas medioambientales y económicas de un sistema de afeitado en húmedo, se fabrica mediante impresión 3D FDM. ¿Cómo tomó la empresa esta decisión y cómo piensa ampliarla?.

La carrera de Rob Glenn en diseño e ingeniería de productos le ha dado experiencia en el uso de diferentes tipos de impresión 3D para la creación de prototipos. Trasladó esta experiencia a su nuevo negocio, Maxwell June, que utiliza la impresión 3D para la producción.

 

Robert Glenn tiene una amplia experiencia en la fabricación aditiva: gracias a su formación en diseño e ingeniería de productos, ha utilizado varios tipos de impresión 3D para producir prototipos y modelos durante casi 30 años. Ahora dirige una empresa de diseño e ingeniería de productos en Chicago llamada Rute Design, donde sigue utilizando la impresión 3D en estas funciones. La empresa tiene siete impresoras 3D: una pequeña Formlabs SLA, una Makerbot Replicator, una Ultimaker 2+ y 2+ Connect, y cuatro Ender 3 V2. Los trabajos que no pueden realizarse en la empresa se envían a las oficinas de servicio locales. Sin embargo, Rob (prefiere utilizar su nombre de pila) también tiene otro negocio, Maxwell June, que utiliza algunas de sus impresoras FDM para la producción.

El producto de afeitado que fabrica su empresa es su primera experiencia con FDM para este fin. Los procesos de producción que ha desarrollado con esta capacidad no sólo funcionan con los niveles de producción actuales, dice, sino que son escalables “hasta un volumen que podría sorprenderte”.

 

 

Maxwell June fabrica una maquinilla de afeitar (en el centro) y un sistema de prensado diseñados para ofrecer a los usuarios la facilidad de uso de una maquinilla de afeitar desechable (arriba), con el coste y las ventajas medioambientales de un sistema de afeitado en húmedo (abajo).

El corte de pelo más cercano.

A la hora de afeitarse, existen tres opciones principales: las maquinillas de afeitar desechables, las maquinillas de afeitar de cartucho o los llamados sistemas de “afeitado en húmedo”, que suelen consistir en una maquinilla de afeitar de seguridad reutilizable y una cuchilla de doble filo (DE). Las maquinillas de afeitar desechables son maquinillas de plástico de una sola pieza con cabezales no extraíbles, y las maquinillas de afeitar de cartucho tienen un mango reutilizable con un cabezal desechable que puede cambiarse. Estas maquinillas de afeitar están diseñadas para ser fáciles de usar: tienen características como bordes cerrados, múltiples hojas y cabezales pivotantes que facilitan el afeitado y dificultan el corte. Sin embargo, son caras y, en su mayoría, están hechas de plástico, que acaba en un vertedero. Los sistemas de afeitado en húmedo tienen un mango reutilizable, pero en lugar de cambiar todo el cabezal de la maquinilla de afeitar como en un sistema de cartuchos, sólo se sustituye la cuchilla metálica. Un sistema de afeitado en húmedo es más barato con el tiempo (la propia maquinilla puede ser más cara al principio, pero las cuchillas de recambio de doble filo, o DE, cuestan mucho menos que los cartuchos de hojas de afeitar), es más respetuoso con el medio ambiente y puede proporcionar un afeitado de alta calidad. Pero estas maquinillas requieren una técnica específica que puede ser difícil de aprender.

Rob dice que odiaba gastar tanto en cartuchos de afeitadora desechables y odiaba tirarlos, pero se esforzaba por descubrir la técnica de los sistemas de afeitado en húmedo. Quería desarrollar un producto que estuviera entre las dos opciones: algo que ofreciera la alta calidad de afeitado y las ventajas medioambientales y económicas de un sistema de afeitado en húmedo con la facilidad de uso de una maquinilla desechable.

Inicialmente se propuso fabricar una maquinilla de afeitar de código abierto impresa en 3D, pero pronto descubrió que la tecnología FDM no podía alcanzar la precisión y el nivel de detalle necesarios para producir una maquinilla de afeitar que sostuviera la hoja con la suficiente precisión para evitar que el usuario se cortara durante el afeitado. Fue entonces cuando adquirió la máquina SLA, que le permitió imprimir con éxito un prototipo de maquinilla de afeitar que ofrecía un buen afeitado. Pero cambiar la cuchilla de esta maquinilla era difícil. Esto le inspiró a pivotar hacia una maquinilla de afeitar hecha de forma convencional (mediante mecanizado) con un diseño similar al sistema de afeitado en húmedo, pero con una herramienta impresa en 3D (hecha de PLA) que ayuda a los usuarios a cargar nuevas cuchillas.

Al principio se propuso hacer una maquinilla de afeitar impresa en 3D y de código abierto, pero pronto descubrió que el FDM no podía lograr la precisión y el nivel de detalle necesarios para producir una maquinilla que sostuviera la hoja con la suficiente precisión para evitar que el usuario se cortara durante el afeitado. Fue entonces cuando adquirió la máquina SLA, que le permitió imprimir con éxito un prototipo de maquinilla de afeitar que ofrecía un buen afeitado. Pero cambiar la cuchilla de esta maquinilla era difícil. Esto le inspiró a pivotar hacia una maquinilla de afeitar hecha de forma convencional (mediante mecanizado) con un diseño similar al sistema de afeitado en húmedo, pero con una herramienta impresa en 3D (hecha de PLA) que ayuda a los usuarios a cargar nuevas cuchillas.

 

La prensa impresa en 3D rompe automáticamente una hoja de afeitar de doble filo y la introduce en la maquinilla. Esto permite al sistema ofrecer a los usuarios un afeitado con varias hojas con la facilidad de una maquinilla de afeitar de cartucho por 10 o 20 céntimos por hoja.

 

Rob sabía que su diseño tendría que funcionar con una cuchilla DE, que es esencialmente un producto básico con una geometría estándar que existe desde hace más de 100 años. Estas cuchillas tienen dos caras, y los sistemas típicos de afeitado en húmedo son de una sola hoja, que utiliza un borde a la vez. Cuando el filo se desgasta, los usuarios pueden darle la vuelta y obtener el doble de uso de una sola cuchilla. Rob, inspirado por las prensas de recorte y otros equipos de conformación de chapa, tuvo la idea de doblar o romper una cuchilla DE para crear un sistema de afeitado en húmedo de doble hoja. Dice que algunos productos permiten a los usuarios hacerlo manualmente, pero la prensa Maxwell June está diseñada para romper la cuchilla y cargarla en la afeitadora automáticamente.

 

Rob Glenn demuestra cómo utilizar la prensa de afeitar Maxwell June.

FDM para ganar.

Producir esta pieza mediante FDM puede parecer contradictorio, señala. No es una pieza personalizada y podría producirse mediante moldeo por inyección o mecanizado. Pero Rob sabía que no quería seguir el camino del moldeo por inyección por varias razones. En primer lugar, quería fabricar el producto en Estados Unidos. Tener moldes hechos en Asia no era una opción, pero los moldes de inyección hechos en Estados Unidos eran demasiado caros.

Una de las ventajas de imprimir las prensas en 3D en lugar de utilizar el moldeo por inyección es que ayuda a Rob a controlar el inventario. Imprime las prensas en la oficina de su empresa de diseño e ingeniería de productos, donde mantiene un pequeño stock de existencias.

El volumen fue otro factor en la decisión de utilizar la impresión 3D. Como empresa emergente, Maxwell June no necesita los volúmenes que proporciona el moldeo por inyección. En este momento, la impresión 3D permite a Rob controlar los volúmenes y el inventario mejor que el moldeo por inyección. Como imprime en 3D todas las prensas en su oficina de diseño, no tiene espacio para almacenar grandes cantidades de inventario. El ritmo y la escalabilidad de la impresión 3D le dan flexibilidad a la hora de almacenar las piezas. “Podemos hacerlo justo a tiempo o adelantarnos”, dice.

También quería tener flexibilidad para hacer cambios en el producto. De hecho, afirma que la empresa ha introducido cuatro o cinco cambios en el producto desde su lanzamiento (la mayoría de los cuales son tan pequeños que los clientes no los notarían). Uno de estos cambios fue el resultado de un cliente que dañó la prensa por usar demasiada fuerza. Rob pudo desplazar algunas características para que la prensa fuera más robusta. “Así se solucionó un problema que no habíamos visto”, dice. “Y la única forma de haberlo visto fue cuando un cliente [lo experimentó]”.

La impresión 3D también tiene ventajas adicionales sobre el moldeo por inyección en lo que respecta al rendimiento de la pieza y los costes de producción. “La fiabilidad de la rotura tiene mucho que ver con que todo esté alineado”, explica Rob. “Todas estas superficies son de calado cero, y eso se puede conseguir en FDM”. Aunque las superficies de calado cero también pueden lograrse en el moldeo por inyección, puede ser difícil y costoso.

El FDM también reduce los costes en comparación con el mecanizado. La empresa podría mecanizar la prensa de afeitar (de hecho, está probando prensas metálicas mecanizadas), pero la complejidad de la pieza implica que sería más cara.

Rob dice que uno de los retos del diseño de la prensa fue averiguar la dinámica de la rotura de la hoja. Pudo imprimir en 3D herramientas (izquierda) que le ayudaron a aislar la posición y el movimiento que debía producirse dentro de la prensa (derecha).

Prototipos y diseño.

Antes de que Rob pudiera pasar a la producción, tuvo que diseñar la prensa, y la impresión 3D resultó muy valiosa también en esta fase. Dice que pasó por muchas iteraciones de diseño. “Cuando se rompe la cuchilla, no se puede ver lo que ocurre dentro, y la dinámica de ese movimiento no es fácil de simular”, explica. “Habría tardado tanto en construir la simulación como en iterarla”. La impresión en 3D no sólo le permitió probar diferentes iteraciones de la prensa, sino que también pudo crear “herramientas” que le ayudaran a resolver el diseño. Describió un dispositivo impreso en la máquina de Formlabs que le ayudó a aislar la posición y el movimiento que debía producirse dentro de la prensa.

Una vez que tuvo resuelta la geometría de la prensa, Rob optimizó el diseño para FDM. Una de las mayores consideraciones en el diseño fue el tiempo. Lo más importante es que la prensa se diseñó para que no hubiera trabajo de pos-procesamiento. Dice que para que la impresión 3D sea viable, tiene que pasar el menor tiempo posible en la interfaz con la máquina y las piezas. Por lo tanto, el diseño no podía tener salientes ni otras características que requirieran estructuras de soporte. “Si tuviera que sacar una pieza de la máquina y lijarla y limpiarla de alguna manera, estaríamos fritos”, dice. “Sería cuatro veces más caro si lo hiciéramos”. Con el diseño actual, dice que pasa alrededor de un minuto y medio tratando las piezas entre impresiones.

Además de no tener que realizar ningún tipo de procesamiento posterior, Rob diseñó pensando en el tiempo de impresión. Quería poder configurar la máquina antes de salir de la oficina por el día, hacerla funcionar durante la noche y dejarla enfriar antes de voltear la máquina a la mañana siguiente. Eligió formas que pudieran imprimirse con relleno, que ajustó para asegurarse de que la pieza fuera hermética, pero dentro del tiempo de impresión requerido.

Como la pieza se fabrica con FDM y no pasa por ninguna operación de pos-procesamiento, también tuvo que asegurarse de que el diseño tuviera en cuenta las líneas de las capas que quedan en la superficie. Estas líneas crean fricción cuando el usuario presiona la prensa, por lo que Rob tuvo que diseñar una holgura suficiente entre las piezas. “Si se va un poco más apretado que esto, se resiste lo suficiente como para que, al empujar hacia abajo, no se consiga una rotura fiable de la hoja”, explica.

Antes de escalar con la Ultimaker, Rob quería saber si una impresora más barata sería capaz de hacer las piezas. Actualmente está probando tres Ender 3 V2 para ver si funcionan como solución a largo plazo.

Producción.

Ender 3 V2 imprimiendo maquinillas de afeitar
Antes de escalar con la Ultimaker, Rob quería saber si una impresora más barata sería capaz de hacer las piezas. Actualmente está probando tres Ender 3 V2 para ver si funcionan como solución a largo plazo.

El siguiente reto fue averiguar cómo producir las prensas de forma repetible y consistente. Rob comenzó utilizando las Ultimakers. Una vez que consiguió la 2+ Connect, dice que le llevó unas pocas semanas fijar un proceso que funcionara. En comparación con los seis meses que tardó en establecer los procesos de mecanizado del cabezal de la maquinilla de afeitar (la pieza más compleja que fabrica la empresa), no es mucho tiempo. Dice que su experiencia previa en impresión 3D, sobre todo con la 2+, le ayudó a entenderlo rápidamente. 

Pero antes de comprometerse a escalar con la Ultimaker, quería saber si una impresora más barata podría funcionar. “Como pequeña empresa, si somos capaces de producir con una impresora doméstica o de consumo, a ese precio, se nos abren muchas puertas en términos de producción”, explica. También permitiría a la empresa reducir el coste de su producto entre 10 y 15 dólares. Así que añadió las Ender 3 V2 a su flota, tres de las cuales está utilizando para probar las máquinas de impresión de cuchillas.

Conseguir que las Enders impriman las piezas de forma fiable le llevó más tiempo que a las Ultimakers (cuatro o cinco veces más según las estimaciones de Rob), pero una vez más, su experiencia previa le resultó muy útil. “Al haber realizado este proceso dos o tres veces, ya sabía dónde iban a estar los problemas”, añade. Tener cuidado durante el montaje de la impresora ayudó, al igual que la calibración. Dice que, a pesar de que los Enders imprimieron con éxito las impresiones de referencia iniciales nada más sacarlas de la caja, no fueron capaces de imprimir con las especificaciones hasta que Rob hizo una calibración manual completa. Dice que este proceso llevó algún tiempo, pero que después de un mes aún no ha tenido que recalibrarlas.

Aunque los resultados han sido satisfactorios hasta ahora, no son definitivos. Rob quiere saber si las máquinas necesitarán eventualmente modificaciones (por ejemplo, una carcasa) o mantenimiento, y si es así, cuánto. Dice que las Ultimakers han estado imprimiendo durante casi seis meses seguidos sin mantenimiento. Las Ender podrían necesitar más que esto. Sin embargo, según los cálculos de Rob, la cantidad de mantenimiento que necesitarían las Ender para hacerlas inviables es alta. “La diferencia de precio es lo suficientemente grande como para que los Enders puedan necesitar bastante más y seguir ganando”, afirma. Esto permite a la empresa añadir máquinas adicionales para tener una capacidad redundante mientras se realiza el mantenimiento necesario.

Cada una de las máquinas puede imprimir cuatro prensas al día. La prensa consta de tres componentes, y las camas de impresión de las máquinas pueden albergar tres unidades (nueve componentes en total) a la vez. Cada máquina imprime tres unidades durante la noche y una durante el día. Los tiempos de impresión de las Enders son ligeramente más largos que los de las Ultimakers, pero siguen estando dentro de la ventana de tiempo que lo hace viable para el día de Rob.

Esperando a un héroe.

Rob señala que no es habitual ver un producto de consumo final producido mediante FDM. “No se me ocurren muchos productos en los que el producto utilizable pueda ser aceptable así, sin terminar, con líneas de capa, quizá con algún destello que se desprende”, dice. “Son piezas bonitas, pero todavía no son perfectas”. Sin embargo, cree que los clientes están dispuestos a aceptar la prensa tal cual, porque es un producto secundario a la maquinilla de afeitar. “Nuestra táctica es empezar con la maquinilla de afeitar, porque es el instrumento de afeitado”, explica. La prensa es sólo una herramienta que permite la novedad de conseguir un afeitado de varias hojas con la facilidad de una maquinilla de afeitar de cartucho por 10 o 20 céntimos por hoja. “Creo que eso elimina muchas de las expectativas de lo que tiene que ser la prensa, porque no es el héroe”, añade.

Rob dice que la mayoría de los usuarios aceptan la prensa impresa en 3D como lo que es. “La mayoría de la gente se ha enamorado tanto del afeitado, que dice, oh, sí, eso es lo que se necesita para conseguirlo”. Sin embargo, dice que hay un pequeño subconjunto de personas que tienen dificultades para aceptar un producto FDM. Las personas que tienen sus propias impresoras de sobremesa suelen preguntarse por qué no pueden imprimir ellos mismos la pieza. Rob ha considerado la posibilidad de vender archivos STL (después de todo, esto empezó como una idea para una maquinilla de afeitar de código abierto), pero cree que eso no funcionaría en este caso. La máquina tiene que estar calibrada con exactitud para poder imprimir prensas que estén dentro de las especificaciones. Si la prensa no es lo suficientemente precisa, no funcionará con la maquinilla de afeitar. “Estas cosas (la maquinilla de afeitar y la prensa) son parte integrante de la otra”, explica.

En la actualidad, Maxwell June cuenta con cuatro impresoras (tres Enders y una Ultimaker) dedicadas a la producción de máquinas de afeitar. Con cada impresora funcionando durante 25 días cada mes, la empresa puede producir 400 máquinas de afeitar al mes.

Aumento de la escala.

En la actualidad, con cuatro impresoras dedicadas a la impresión de maquinillas de afeitar durante 25 días al mes, el ritmo de producción es de 400 al mes. “No estamos en la producción en masa, diría yo, pero estamos en un punto que está bastante cerca de ser escalable”, dice Rob. La forma en que la empresa se amplíe depende de cómo trabajen los Ender. Si el mantenimiento no se convierte en un problema, “podría escalar hasta que nos quedemos sin energía o espacio”.

En cuanto a cuándo se plantearía la empresa pasar de la impresión 3D a otro proceso, como el moldeo por inyección, Rob no tiene un punto fijo en mente. “Nos preguntamos cuál es la escala en la que dejaríamos de imprimir en 3D”, dice. “No estoy seguro de cuál es”.

 

 

 

 

 

 

Artículo original disponible en: AMADDITIVE.

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