Proyecto RAC3D
En el marco del proyecto RAC3D se ha desarrollado un esquema de certificación de piezas impresas en 3D para ser utilizadas como recambio en el sector del automóvil, que permite verificar la calidad de estas y ofrecer, por lo tanto, una garantía al consumidor. La impresión 3D permite una mayor versatilidad a la hora de generar los repuestos y disponer de ellos en los puntos de reparación de manera más rápida. Además, al imprimir las piezas necesarias se reducirá el consumo de material y el desperdicio, ya que la impresión permite imprimir partes más pequeñas y no será necesario sustituir conjuntos completos. La principal innovación en esta línea reside en la fabricación de piezas de repuesto con materiales y tecnologías de impresión 3D con una validación certificada que permita su ensamblaje en vehículo.
Ventajas y limitaciones de la impresión 3D en la reparación de vehículos
El proyecto se inició con el análisis de diferentes tecnologías de impresión, según el material empleado y el proceso de impresión, agrupadas en siete tipos: de fotopolimerización, de extrusión, de inyección de material, de inyección de resina, de fusión en cama de polvo, de deposición de energía directa y de laminación de hojas.
Como principales ventajas se identificaron la libertad de diseño para piezas complejas, la reducción de los tiempos en el rediseño y prototipos, la fabricación “in situ” y “a medida”, la posibilidad de fabricar productos multimaterial, el menor coste de producción de un objeto individual, la reducción de material necesario y residuo: producción más ecológica y sostenible, la reducción de las emisiones derivadas del transporte, que se reducen debido a la proximidad de fabricación, la reducción de stocks, la reducción de costes logísticos, la reducción del peso (aligeramiento de piezas), la posibilidad de fabricar piezas de complejidad geométrica o geometría con vaciados internos, el menor encarecimiento de la personalización o la mayor rapidez para hacer frente a cambios, especialmente pequeños cambios en el producto final.
Entre las limitaciones principales se identificaron la menor velocidad de producción (piezas/hora), la limitación en cuanto al tamaño de las piezas, la posible piratería de los diseños 3D (protección legal), el precio de los equipos de impresión, la falta de personal cualificado, en cuanto a tecnologías y manejo de los programas de diseño, la disponibilidad del archivo 3D CAD, la disponibilidad y coste del material, los problemas de acabado superficial, la resistencia química de las piezas fabricadas, la resistencia mecánica necesaria, la dificultad del control de calidad del producto y repetitividad del proceso.
El proyecto RAC3D nace de la colaboración entre la ASOCIACIÓN CLUSTER DE AUTOMOCIÓN DE ARAGÓN, el Centro Tecnológico FUNDACIÓN AITIIP y CENTRO ZARAGOZA. El objetivo general del proyecto es la utilización de las tecnologías 3D para la fabricación y adaptación de piezas de repuesto para el sector transporte y agrícola, así como su posterior certificación y validación a través de un esquema desarrollado con este propósito. Fue cofinanciado por el Ministerio de Industria, Comercio y Turismo dentro del programa de apoyo a las Agrupaciones Empresariales Innovadoras.
Con el objetivo de conocer la percepción sobre la reparación de automóviles utilizando tecnología de impresión 3D, se llevó a cabo una encuesta entre los grupos de interés identificados: fabricantes de piezas de recambio, distribuidores/recambistas, talleres y entidades aseguradoras, cuyos resultados fueron publicados en el número anterior de esta revista.
Selección de las piezas objeto de estudio
Con el objetivo de definir cuáles son los grupos que mejor se ajustarían a la impresión 3D, se elaboró un cuestionario en el que el equipo de trabajo de Centro Zaragoza valoró la idoneidad estética, funcional y material de cada uno de los grupos considerados como susceptibles de fabricación mediante utilización de tecnología de impresión 3D, que se agregaron a los resultados obtenidos en la encuesta entre los grupos de interés.
Se elaboró un plan de ensayos para la verificación de la calidad de acuerdo con los criterios previamente determinados, para cada tipología de pieza. Una vez planteados se llevaron a cabo los pertinentes ensayos sobre las piezas/probetas/molde obtenidos por impresión 3D.
Posteriormente se llevó a cabo un estudio del impacto de la tecnología de impresión 3D en las diferentes piezas seleccionadas, considerándose el soporte de sensor de paragolpes, pieza sin responsabilidad estructural, una de las piezas que mejor se ajustaría a la tecnología utilizada. Además, con el objetivo de alcanzar un mayor grado de conocimiento, se decidió analizar piezas con una cierta responsabilidad ante un impacto, optándose por evaluar durante el proyecto si un soporte de paragolpes podría ser susceptible de impresión mediante tecnología de impresión 3D, concluyéndose que el análisis de una pieza de estas características resultaría de gran interés para conocer la viabilidad de la utilización de la impresión 3D en la fabricación de estos elementos del vehículo.
Una de las piezas seleccionadas para llevar a cabo el análisis fue el soporte de sensor de paragolpes fabricado mediante tecnología de impresión 3D.
Diseño de la pieza y definición de la tecnología y material
Sobre las piezas definidas se utilizaron archivos digitales CAD. Para la definición del CAD del soporte del sensor, se realizaron modelos por impresión 3D con tecnología tecnología Polyjet, en la que el material utilizado es una resina fotopolimerizante, con bajas prestaciones mecánicas pero mayor calidad. En este caso, además, la resina utilizada era traslúcida.
Para el estudio del soporte de paragolpes se utilizaron dos materiales diferentes: poliamida con un 40% de fibra de carbono (PA40CF), material con muy alta resistencia, pero con elevada rigidez, que mecánicamente se preveía que no tuviera ningún problema de resistencia, pero cuyo montaje podría ser más complicado, especialmente en la parte de la pestaña de anclaje, así como un acrilonitrilo estireno acrilato (ASA), un material con una prestaciones mecánicas medias y mayor flexibilidad, que facilitará el montaje pero sobre el que será necesario comprobar si cumple en cuanto a la resistencia exigida para esta pieza.
Ensayos para caracterización del proceso y parámetros de calidad
Se realizaron estudios y ensayos de parametrización para alcanzar los resultados óptimos en cada tipo de pieza. Se llevó a cabo la impresión de las piezas con las tecnologías seleccionadas, según los parámetros identificados previamente y se realizó una construcción con varias piezas de cada componente, así como probetas, para las distintas pruebas y ensayos de validación a realizar.
Sistema de ensayos para la validación de la calidad para la pieza
Definición y desarrollo de un sistema de ensayos para la validación de la calidad para la pieza/s modelo obtenidas por impresión 3D, de caracterización para la pieza termoplástica inyectada y de durabilidad y vida útil del molde híbrido.
Se elaboró un plan de ensayos para la verificación de la calidad de acuerdo con los criterios previamente determinados, para cada tipología de pieza. Una vez planteados se llevaron a cabo los pertinentes ensayos sobre las piezas/probetas/molde obtenidos por impresión 3D.
Se definieron los aspectos y cualidades que deben verificarse en una de las piezas impresas en 3D objeto de este estudio, así como los procedimientos de trabajo para realizar esta verificación, desarrollándose un plan de ensayos para la verificación de la calidad de la pieza impresa en 3D, de acuerdo con una serie de criterios según la tipología de la pieza, tanto para el soporte del paragolpes como para el soporte de sensor de paragolpes. Se decidió centrar las verificaciones en los ensayos sobre la pieza impresa en 3D, sin considerar la evaluación del proceso productivo y del control de calidad del centro de impresión en 3D.
En lo relativo al soporte de paragolpes, se estableció una serie de criterios técnicos teniendo en cuenta que se trata de una pieza de material plástico. Se analizó el material mediante el análisis de la calidad del plástico (evaluando resistencia al calor, resistencia al impacto a baja temperatura, resistencia al impacto a temperatura ambiente y resistencia a los combustibles) y espesor y masa de la pieza; pieza (apariencia en relación a la identificación, geometría y forma o acabado de la pieza, adaptabilidad en relación al tiempo de sustitución, proceso de trabajo y posicionado de la pieza); y se llevó a cabo un crash test de resistencia al impacto, ya que se consideró necesario llevar a cabo un ensayo de impacto a baja velocidad para comprobar que la pieza impresa en 3D soporta la energía transmitida por el paragolpes en este tipo de golpes. Para la comprobación del comportamiento del soporte paragolpes impreso en 3D respecto del original del constructor se sometió al vehículo primero a un impacto oblicuo en el extremo del paragolpes en el que se coloca el soporte y, a continuación, a otro impacto frontal en el paragolpes. En lo relativo al soporte de sensor de paragolpes, el análisis de su funcionalidad permitió determinar que los ensayos a realizar sobre esta pieza para verificar su calidad eran similares a los presentados anteriormente, para la pieza soporte de paragolpes, excluyendo el crash test previamente mencionado.
Estudio y análisis de los resultados obtenidos
partir de las no conformidades detectadas en el estudio se determina que la tecnología de impresión 3D podría utilizarse para la impresión de este tipo de piezas aplicando una serie de medidas correctoras como la modificación del material empleado para su impresión, sustituyendo el ASA por otro material más resistente química y mecánicamente o la inclusión de las grapas metálicas para su montaje.
Al igual que sucedía con el soporte de paragolpes, a partir de las no conformidades detectadas en el estudio se determina que las medidas correctoras a realizar para alcanzar la certificación son la modificación del material empleado para su impresión, sustituyendo el ASA por otro material más resistente química y mecánicamente, la mejora del acabado superficial, al menos de la parte que quedará vista tras su montaje, bien mediante proceso de lijado o mediante ataque químico, y la inclusión de lámina adhesiva para su colocación en el paragolpes trasero.
Por lo tanto, el estudio llevado a cabo permite determinar que, llevando a cabo los ajustes necesarios, principalmente en lo relativo al material, la tecnología de impresión 3D podría constituir una alternativa en la fabricación de piezas de recambio, si bien sería necesario llevar a cabo las pertinentes comprobaciones que permitieran garantizar que el recambio cuenta con una calidad contrastada.
Estudio del impacto económico y ambiental
En el marco del proyecto RAC3D, se llevó a cabo un análisis con el objetivo de evaluar el impacto económico y ambiental de la fabricación haciendo uso de la tecnología de impresión 3D, siendo esta tecnología de fabricación de piezas comparada con los procesos tradicionales.
Se evaluaron 3 escenarios: reparación con sustitución por pieza de compra, reparación con sustitución por pieza impresa en 3D y un escenario híbrido donde se realizaba la impresión parcial con el objetivo de reparar la pieza de compra. En cada uno de los escenarios se analizaron los costes, el impacto ambiental (huella de carbono generada) y los residuos generados, incluyendo la petición y compra de la pieza, el transporte de esta y la recepción, la preparación de la máquina y la impresión de la pieza. Para el último escenario, se han considerado los costes y operaciones adicionales para llevar a cabo la reconstrucción de la pieza original con elementos de impresión 3D.
Se observó que la impresión 3D alcanzaba valores favorables en cuanto a costes de reparación para volúmenes de impresión importantes que permitieran repercutir los costes de amortización y mantenimiento. La opción de pieza de compra resultaba la más favorable a nivel de impacto ambiental, siendo la fabricación por inyección la más eficiente si el volumen de piezas inyectadas es suficiente. Por último, se encontró que la sustitución parcial es la que menos residuos generaba, debido a que se reaprovecha parcialmente el material original y solo se produce el material necesario.
Difusión de los resultados del proyecto
Para llevar a cabo la difusión de los resultados, se generó una página web: http://rac3d.com/, que sigue activa a la finalización del proyecto.