El molde en la industria moderna de fabricación

¿Podrá la fabricación aditiva -impresoras 3D- modificar el mercado de la fabricación de piezas de plástico mediante moldeo? ¿Cuál es el lugar de la maquinaria CNC, los moldes, la fabricación aditiva y demás técnicas de fabricación en el mercado actual del plástico?

Nota: los valores presentados en este documento son aproximados y orientativos.
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Introducción

En el mercado actual disponemos de una gran cantidad de procesos de fabricación diferentes. A grandes rasgos, tradicionalmente se ha diferenciado entre los procesos con arranque de viruta, tales como el fresado o el torneado, en los cuales a una pieza de material le vamos arrancando material hasta darle la forma deseada (como un escultor que coge una piedra y la va esculpiendo hasta obtener una estatua) y los procesos por conformado, en los cuales el material se deforma para darle una forma concreta (como sucede al inyectar material en un molde para obtener una pieza de plástico, por ejemplo, o al estampar un trozo de chapa en una matriz para obtener una cuchara de acero, o al estilar un hilo de cobre para obtener un alambre).

Últimamente está surgiendo un nuevo tipo de fabricación: la fabricación aditiva, o impresora 3D. Tal es la promesa de esta nueva tecnología que su desarrollo ha alcanzado ya la impresión 3D de metales.

Esta situación nos puede hacer llegar a la siguiente conclusión: ¿desplazará la fabricación aditiva a los otros métodos de fabricación? En este artículo vamos a analizar los costes de fabricación aditiva de una pieza de plástico frente a los costes de  fabricación de esa misma pieza a través de un molde de aluminio y un molde de plástico, para compararlos entre sí y ver cuáles serían las aplicaciones industriales de cada uno de ellos.

Datos de partida

Para poder hacer nuestros cálculos, inicialmente vamos a suponer que la pieza a fabricar es una carcasa de móvil fabricada en plástico ABS. Partimos de los siguientes datos (los datos pertenecientes a la impresora 3D se han obtenido parcialmente de Cuánto cuesta una impresora 3D  de la página descubrearduino.com):

EquipoCosteTiempo de producción de una carcasaUnidades producidas de una vezVida útilPosibilidad de cambios en el diseño
Impresora 3D básica300€35 minutos1
Impresora 3D aficionado1200€30 minutos1
Impresora 3D entusiasta3000€30 minutos1
Impresora 3D profesional5000€25 minutos1
Impresora 3D industrialEntre 20.000€ y 100.000€20 minutos1
Molde de aluminio50.000€30 segundos1010.000 inyeccionesNo*
Molde de acero150.000€30 segundos10100.000 inyeccionesNo*

*No en general, aunque podrían hacerse pequeñas modificaciones mediantes insertos y retrabajos

Asimismo, vamos a suponer que el coste medio del material empleado para producir la carcasa es de 0.50€ de ABS, así como la carcasa vamos a venderla por un valor de 0.75€ a nuestro cliente fabricante de móviles.

Comparativa de datos

Comparemos los datos anteriores para analizar qué resultados obtendríamos para cada una de las tecnologías anteriores. En el caso de las impresoras 3D, por motivos de calidad, nos centraremos en las impresoras industriales.

EquipoCoste del equipoBeneficio por piezaCantidad de piezas necesarias para amortizar el equipoCarcasas producidas en una 1 horaTiempo necesario para amortizar el equipo (producción 24h/día nonstop)
Impresora industrial50.000€0.75-0.50=0.25€50.000/0.25 = 200.000 carcasas60’/20’ = 3 carcasas200.000/3 = 67.000 horas =  7.5 años
Molde de aluminio50.000€0.75-0.50=0.25€50.000/0.25 = 200.000 carcasas10*60/0.5 = 1.200 carcasas200.000/1200 = 167 horas = 7 días*
Molde de acero150.000€0.75-0.50=0.25€150.000/0.25 = 600.000 carcasas10*60/0.5 = 1.200 carcasas600.000/1200 = 500 horas = 21 días

*Ojo porque estas 200.000 piezas son 20.000 inyecciones, y hemos dicho que con el molde de aluminio podríamos hacer hasta 10.000 inyecciones (en cada inyección sacamos 10 carcasas). Vamos a suponer que nuestro molde aguanta las 20.000 inyecciones para simplificar.

Comparativa

A efectos únicamente del ROI (Return of Inversion, es decir, lo que se tarda en recuperar la inversión), sin duda alguna el equipo más rentable de todos sería el molde de aluminio. Sin embargo, hay muchos más factores a tener en cuenta:

  • El número de piezas a producir
  • La necesidad (o no) de que las diferentes piezas no sean iguales
  • Las características finales de la pieza producida
  • La velocidad de fabricación

Veamos, en función de cuántas piezas de ABS queremos fabricar, qué tecnología sería más adecuada:

SituaciónTecnología más aptaExplicación
Desde el ROIMolde de aluminioSe amortiza en 7 días (siempre y cuando podamos vender las 200.000 carcasas)
Desde el número de piezas a producirMolde de aceroEs el que más va a durar sin romperse ni dar problemas de funcionamiento
Desde la necesidad de fabricar diferentes tipos de carcasasFabricación aditivaUn mismo molde sólo podrá imprimir un tipo de carcasa
Desde las características finales de la piezaMolde de aluminio o aceroEn principio, las piezas producidas en molde de aluminio serán más resistentes que las producidas en impresora 3D
Velocidad de fabricaciónMolde de acero o aluminioLo que en un molde se puede hacer en días, se tardaría años de hacer en una impresora 3D

¿Cuál es, por tanto, el campo de aplicación de la fabricación aditiva?

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La fabricación aditiva, a la luz de los resultados anteriores, tan sólo serviría para pequeñas tiradas de piezas (por ejemplo para prototipado). De hecho, esta es una de sus principales aplicaciones. Sin embargo, existen otras posibilidades para la fabricación aditiva:

  • La impresión de moldes en impresora 3D. Dado que los moldes se van a fabricar a muy pequeña escala, su fabricación aditiva sí es rentable desde la fabricación aditiva. Además, evita todos los problemas de fabricación de los moldes (mecanizados con herramientas muy duras y caras, electroerosión, etc…). Analicemos esto en mayor detalle. Actualmente se pueden fabricar moldes en una impresora 3D de ABS digital y en resinas. Si los fabricamos en ABS digital, el molde impreso podrá servir para fabricar hasta 100 piezas de plástico (PLA, TPE, HDPE, PP, LDPE, ABS). Si los fabricamos en resina, el molde podrá servir para hasta 25 piezas. De ese modo, la fabricación aditiva de moldes serviría para fabricar moldes para tiradas muy pequeñas. En este caso, sí saldría rentable.
  • La impresión en granjas de impresoras 3D. Existe un nuevo concepto, la granja de impresoras 3D, que consiste en una fábrica con cientos de impresoras 3D fabricando a la vez. De esa manera, el tiempo de fabricación en impresora 3D deja de ser un problema (si una impresora 3D tarda 20 minutos en fabricar una carcasa y tienes 1000 impresoras a la vez, en 20 minutos has fabricado 1000 carcasas). Sin embargo, esto no cambia la rentabilidad de la impresora 3D (1000 impresoras 3D son 1000 veces más caras que una impresora 3D), de modo que nuestro análisis anterior desaconsejaría las granjas de impresoras 3D para grandes tiradas (al comprador le interesaría, pero al dueño de las impresoras no tendría por qué salirle rentable).

¿Y qué hay de la fabricación por arranque de viruta?

La fabricación por arranque de viruta estaría en un lugar intermedio entre el molde y la impresora 3D. La maquinaria de arranque de viruta (centros de mecanizado, tornos, fresadoras) tienen un precio equiparable a los moldes y las impresoras 3D. Por otro lado, su tiempo de fabricación no es ni lejanamente comparable a los moldes, pero con un buen proceso de fabricación, en general, va a ser mejor que el de la impresora 3D. En resumen, podríamos colocar esta tecnología como una tecnología a caballo entre una y la otra, y que se emplearía para estas condiciones intermedias.

Conclusión

Las nuevas tecnologías de fabricación no son un sustituto de las anteriores, sino un complemento que responde a una nueva necesidad de mercado. La fabricación aditiva no viene a sustituir a los moldes, sino a responder a una nueva forma de producción, complementaria a la anterior. De la misma manera que los moldes y los centros de mecanizado llevan muchos años conviviendo en los mismos talleres, las impresoras 3D cada día pasarán a compartir espacio con esta maquinaria.

Sí que habrá que seguir de cerca la pista a las impresoras 3D de metal. Si algún día se pudiese imprimir de forma rentable un molde de metal tan resistente como un molde de acero para herramientas clásico, eso sí podría cambiar considerablemente el mundo de la fabricación de moldes de metal, aunque aún estamos lejos de llegar a ese momento.

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