Cómo una herramienta 3D de Toyota podría cambiar el futuro de la fabricación de coches
Toyota recurre a un nuevo material de aluminio y a un método de impresión en 3D para fabricar grandes y complejas herramientas de fundición a presión.
En la incesante carrera por fabricar coches más eficientes, cada componente cuenta. Toyota se centra ahora en un paso crucial de la fabricación, utilizando la impresión 3D avanzada para crear enormes herramientas de fundición a presión. El objetivo del proyecto es reducir drásticamente los tiempos y costes de producción, lo que podría cambiar un aspecto clave de la fabricación de vehículos.
Aunque el gran molde de fundición a presión desarrollado conjuntamente por el Instituto Fraunhofer de Tecnología Láser, MacLean-Fogg y Toyota aún no se ha utilizado en la fabricación de producción rutinaria, es una demostración prometedora de algo que el sector de la AM lleva mucho tiempo promocionando: el hecho de que la impresión 3D puede producir rápidamente moldes personalizados con canales de refrigeración conformados que aumentan la eficiencia y que no se pueden fabricar de ninguna otra forma.
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El proyecto demostró, según Fraunhofer, la escalabilidad y viabilidad de un inserto de gran tamaño construido de forma aditiva con el nuevo acero para herramientas L-40 y un sistema de fusión de lecho de polvo por láser de gran formato. Toyota ya está utilizando herramientas de molde más pequeñas en la producción en serie y ha descubierto que proporcionan una vida útil significativamente más larga que las herramientas fabricadas tradicionalmente.
Este molde de fundición a presión, diseñado para el cárter de la transmisión del Toyota Yaris Hybrid, incorpora canales de refrigeración conformados que siguen de cerca los complejos contornos de la cavidad del molde en lugar de discurrir en línea recta, como ocurre con los canales perforados tradicionales. En una herramienta de fundición a presión de carcasas de aluminio, proporcionan una extracción de calor más uniforme y eficaz en toda la superficie de la cavidad, lo que acorta los tiempos de ciclo al permitir una solidificación más rápida y uniforme. Esto reduce la probabilidad de puntos calientes, porosidad y distorsión, lo que mejora la calidad de la fundición y prolonga la vida útil de la matriz al minimizar la fatiga térmica.
Una vez fabricado el inserto de molde, se sometió a recocido de alivio de tensiones y sus superficies funcionales se fresaron de forma convencional. La gran precisión dimensional del cuerpo base aditivo sólo requirió un acabado final preciso sin aporte adicional de material.
El núcleo del desarrollo es un nuevo acero para herramientas llamado L-40, creado por MacLean-Fogg específicamente para la fabricación aditiva. Este material tiene una tendencia mucho menor a agrietarse tanto durante la impresión como durante el postprocesado y presenta unas propiedades mecánicas sólidas, como una gran dureza, resistencia a la tracción y al impacto.
El proyecto se basó en la gran impresora 3D LPBF con pórtico de Fraunhofer ILT, que ofrece un volumen de construcción de 1.000 × 800 × 350 mm y puede fabricar de forma reproducible componentes de más de 20.000 cm. Hasta ahora, esta escala de producción aditiva se había visto limitada por la tensión residual, la distorsión y el bajo rendimiento de los aceros para herramientas convencionales, como H11, H13 y M300.
Una innovación en la impresión 3D LPBF fue el módulo de sustrato calentado de Fraunhofer, que mantiene la plataforma de construcción a unos 200 °C durante la producción. Según Fraunhofer, esta innovación minimiza el estrés térmico y reduce aún más el riesgo de agrietamiento en construcciones tan grandes.
Los resultados indican claras ventajas para la vida útil de las herramientas y la eficiencia, afirma Fraunhofer.
«Para superar estas limitaciones, necesitamos una nueva generación de máquinas y materiales específicamente adaptados a los requisitos de las herramientas HPDC de gran formato», explica Niklas Prätzsch, jefe de grupo de tecnología de procesos LPBF en Fraunhofer ILT. «Precisamente esta combinación ha sido el objeto de los últimos cambios que hemos implementado».
El logro de Fraunhofer ILT demuestra que, con la combinación adecuada de material, tecnología de máquina y estrategias de diseño, ahora es posible producir de forma aditiva herramientas de fundición a presión de gran tamaño y muy cargadas. Esto abre nuevas oportunidades para la industria de la automoción, donde las herramientas escalables y duraderas con una gestión térmica mejorada pueden apoyar una producción más flexible de componentes de vehículos y acortar los plazos de entrega.
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