Impresión 3D y ensamblaje de mazos de cables

Los fabricantes de arneses pueden imprimir en 3D conectores de alta calidad a niveles de producción según demanda con la máquina H350. Foto cortesía de Stratasys Ltd.

Estos bloques blancos, hechos de plástico, son soportes que mantienen los conectores en su posición durante el montaje del arnés. Foto cortesía de HP Inc.

El fabricante de mazos de cables Cesar-Scott Inc. imprime en 3D soportes de conectores, interruptores, plantillas, accesorios y protectores de seguridad y repuestos para máquinas. Foto cortesía de Cesar-Scott Inc.

En esta foto, los conectores de arnés mecanizados por CNC se encuentran encima de sus conectores macho impresos en 3D, que se utilizan para pruebas de conductividad. Foto cortesía de Electrex Inc.

TE Connectivity diseñó e imprimió en 3D este soporte de montaje para sus conectores D369 a pedido de un fabricante aeroespacial. Foto cortesía de Stratasys Ltd.

Durante años, los fabricantes de arneses solo utilizaron la impresión 3D para plantillas y herramientas básicas, aplicaciones de creación de prototipos o los conectores necesarios para realizar pruebas de continuidad de arneses terminados. Ahora, sin embargo, los proveedores de impresoras 3D han introducido máquinas que permiten a las empresas imprimir de forma económica una amplia gama de conectores y accesorios.

"Poder personalizar los componentes del arnés que imprimimos en 3D es un gran beneficio, pero también hay otros, como corregir defectos y terminar los proyectos más rápido", reconoce Tim Buhler, director de servicios de ingeniería de Electrex Inc., que ha fabricado cables. arneses para vehículos todoterreno y camiones especiales de carretera desde finales de los años 1970. "La necesidad de mejorar la calidad de nuestro arnés fue la razón principal por la que comenzamos a imprimir piezas en 3D, incluidos accesorios de prueba, abrazaderas para asegurar cables a las placas y soportes que ayudan a los ensambladores a localizar, orientar e identificar conectores en el arnés".

La impresión 3D también ha permitido a Electrex ayudar a sus clientes. El año pasado, por ejemplo, la empresa imprimió un conector exclusivo que realiza pruebas funcionales y de continuidad de arneses para un cliente prioritario que fabrica tractores. Esto aumentó la calidad de los arneses.

Hasta hace poco, sólo los fabricantes de industrias establecidas como la automotriz y la aeroespacial utilizaban la impresión 3D en su beneficio. Ahora, los fabricantes de arneses están haciendo lo mismo y el momento no podría ser mejor, a la luz de los problemas de la cadena de suministro que afectan la fabricación.

Los beneficios tradicionales de la impresión 3D, como ahorrar dinero y tiempo y disfrutar de una mayor libertad de diseño y flexibilidad de materiales, atraen a los ensambladores tanto como a otros fabricantes. Pero la fabricación aditiva también está permitiendo que los ensambladores de arneses dependan menos de proveedores de componentes externos a diario.

Según Allen Kreemer, ingeniero de aplicaciones comerciales de Stratasys Ltd., los días en los que se utilizaba la impresión 3D únicamente para fabricar prototipos de conectores han quedado atrás. Dice que los fabricantes de arneses ahora pueden producir conectores de alta calidad a niveles de producción bajo demanda, gracias a la máquina Stratasys H350, que se presentó en julio de 2021.

"La tecnología avanzada utilizada por el H350 ha estado en desarrollo durante casi 15 años, comenzando con trabajos de investigación realizados en la Universidad de Loughborough a principios de siglo", explica Kreemer. “Pero recién en los últimos años estuvo listo para su uso en el sector de mazos de cables y otros mercados. Estos incluyen las industrias automotriz, de electrodomésticos, electrónica, equipo pesado y vehículos recreativos”.

La clave del H350 es su tecnología de fusión de absorción selectiva (SAF), señala Alec Logeman, ingeniero de aplicaciones comerciales de Stratasys. SAF utiliza un rodillo contrarrotativo para recubrir capas de polvo sobre una cama de impresión antes de aplicar líquido absorbente para crear imágenes de las capas de las piezas. Luego, las capas se funden y fusionan pasando una lámpara de infrarrojos por toda la extensión de la cama de impresión.

El fluido se aplica mediante cabezales de impresión piezoeléctricos de grado industrial a áreas prescritas para crear la sección transversal de cada pieza. El proceso siempre se realiza en la misma dirección en toda la cama de impresión para proporcionar una experiencia térmica uniforme y consistencia de las piezas, independientemente de su ubicación en la construcción.

"Los fabricantes pueden imprimir conectores personalizados de cualquier forma y con el número de pines que deseen", afirma Logeman. “El cuerpo del conector impreso reemplaza al que normalmente se moldea por inyección y las clavijas se insertan en un proceso separado.

"En la H350, su gran área de trabajo (315 por 208 por 293 milímetros) permite a una empresa imprimir en 3D hasta 200 conectores estándar tipo Molex de tres pines en sólo 13 horas", continúa Logeman. “Se pueden imprimir casi 400 conectores más pequeños en el mismo espacio. El volumen de producción variará según el usuario final, pero la impresora es rentable, independientemente de si la empresa imprime miles de conectores por semana o por año”.

Con el H350, Stratasys utiliza un material en polvo certificado por terceros, PA11, en lugar de una resina o filamento. PA11 es un plástico de base biológica elaborado a partir de materias primas renovables derivadas del aceite de ricino sostenible.

"Para obtener las mejores piezas de producción al cambiar a la impresión 3D, considere utilizar el diseño para prácticas de fabricación aditiva", recomienda Kreemer. "La implementación de estas estrategias al ajustar los diseños existentes puede dar como resultado que las piezas se fabriquen más rápido, más barato y mejor".

Los ensambladores utilizan varios tipos de accesorios para montar un mazo de cables en una placa durante el ensamblaje. Un tipo es un soporte o cubierta de plástico en el que se inserta cada conector.

Isabel Sanz, gerente de desarrollo comercial para la región AMS de HP Inc., dice que los modelos Jet Fusion 5200 y 5210 de HP son perfectos para soportes de conectores de impresión 3D. Ambas máquinas utilizan tecnología Multi-Jet Fusion (MJF) para producción de gran volumen.

MJF cuenta con una unidad de construcción extraíble con un cabezal de impresión que rocía un agente fusor en una sola pasada sobre una superficie de polvo (PA11 o PA12) en forma de una capa bidimensional (0,003 pulgadas de espesor). Luego, las lámparas infrarrojas calientan y funden el polvo, antes de depositar otra capa de polvo y repetir el proceso.

Cada impresora presenta un área de trabajo de 15 por 11 por 15 pulgadas y un sistema de inyección que deposita con precisión 30 millones de gotas de agente fusor por segundo y por pulgada. Según sea necesario, el cabezal de impresión puede aplicar un agente de detalle en áreas cercanas al área de fusión prevista para evitar el sangrado térmico y mejorar el rendimiento de la pieza. Este agente también produce características como bordes redondeados para evitar daños a los cables y conectores durante el ensamblaje del arnés.

“Cualquier modelo puede imprimir hasta 184 soportes en un ciclo de trabajo de impresión, lo que implica 11 horas de impresión, seguidas de 36 horas de enfriamiento”, explica Sanz. “Nuestras pruebas e investigaciones muestran que los soportes impresos en la serie 5200 reducen el tiempo de entrega de dos a seis semanas, hasta un día. Los soportes cuestan entre 6 y 7 dólares por pieza cuando se fabrican a razón de 250 a 300 por día. Esto representa un ahorro de hasta el 75 por ciento en comparación con los soportes mecanizados por CNC”.

Electrex opera una docena de impresoras 2D y 3D en sus instalaciones de Norteamérica (tres en Kansas, nueve en México) para producir una amplia gama de abrazaderas y soportes de conectores. Sus principales impresoras son los modelos Creality Ender 5 Plus fabricados por Comgrow que utilizan el proceso de modelado por deposición fundida (FDM). La impresora deposita material de filamento derretido (en este caso, ácido poliláctico o PLA, un poliéster termoplástico natural) sobre una plataforma de construcción capa por capa hasta que la pieza está completa.

"Utilizamos impresoras estándar disponibles en el mercado para la mayoría de nuestras piezas", señala Buhler. "Miden hasta 12 pulgadas cuadradas, y la mayoría de las piezas miden menos de seis pulgadas cuadradas y tan pequeñas como una pulgada cuadrada".

El fabricante de mazos de cables Cesar-Scott Inc. (CSI) también confía en impresoras 3D basadas en FDM para producir soportes de conectores. Sus impresoras industriales Atom (de TCC Print) fabrican piezas de PLA o acrilonitrilo butadieno estireno (ABS) dentro de un área de trabajo de 12 pulgadas cuadradas.

Fundada en 1988, CSI fabrica arneses de cables desde 1994 y arneses de interruptores desde 2012. Este tipo de arnés energiza el módulo de chispa electrónico en estufas de gas, barbacoas y parrillas de gas, y otros electrodomésticos.

"Hemos estado imprimiendo en 3D la mayoría de nuestros prototipos de interruptores, junto con soportes de conectores, plantillas, accesorios, protectores de seguridad de máquinas y repuestos, desde 2015", explica el propietario y cofundador C. Gustavo Farell. “El año pasado, construimos casi 500.000 arneses, cada uno de los cuales cuenta con cuatro o cinco interruptores y entre dos y diez cables.

“Para nosotros, el principal beneficio de utilizar la impresión 3D es que acelera la velocidad hasta el fallo”, continúa Farell. “Lo que quiero decir con esto es que cuanto más rápido podamos imprimir la pieza incorrecta, más eficiente y rentable podremos crear un molde para usar la pieza correcta en la producción. En promedio, se necesitan unos tres intentos para hacerlo bien”.

Farell dice que CSI imprime los soportes en varios colores para que coincidan con los de los conectores. Esto ayuda a garantizar que el ensamblador coloque el conector correcto en el soporte y los cables correctos en el conector. Los colores incluyen blanco, blanco transparente, negro, rojo, azul y verde. La mayoría de los soportes miden una o dos pulgadas cuadradas, pero pueden llegar a medir ocho pulgadas cuadradas.

Algunos interruptores que CSI utiliza en sus arneses son impresos por un tercero y devueltos. Según Farell, estos interruptores deben montarse en una PCB mediante el proceso de impresión de estereolitografía (SLA).

Este proceso y su equipo garantizan que los interruptores cumplan con los requisitos de temperatura y resolución más altos para las aprobaciones de las agencias. Es posible que los equipos de gama baja no siempre cumplan con estos requisitos. El trabajo lo realizan varias empresas, así como el Centro de Tecnología de Ingeniería 3D y Fabricación Aditiva de la Universidad de Texas en El Paso.

Tanto la impresora H350 como la Origin One de Stratasys pueden imprimir soportes de conectores en 3D. Este último modelo admite dimensiones de piezas de hasta 192 por 108 por 370 milímetros e imprime detalles de menos de 50 micrones de tamaño.

Los materiales certificados de terceros incluyen resinas industriales, así como materiales de alta temperatura, elastómeros duraderos, de uso general y de grado médico. El software de fotopolimerización programable P3 de Origin One organiza con precisión la luz, la temperatura, las fuerzas de tracción y la neumática para optimizar la calidad de las piezas.

Los accesorios que ayudan a la instalación del mazo de cables también se pueden imprimir en 3D. Estos incluyen abrazaderas, soportes, soportes de montaje y ayudas de enrutamiento.

Recientemente, el especialista en gestión de cables HellermannTyton (HT) contrató a Fast Radius Inc. para imprimir en 3D ayudas de enrutamiento personalizadas que los trabajadores de HT colocan en mazos de cables terminados para una fácil instalación en los vehículos. El gran tamaño y la complejidad de las ayudas obligaron a los ingenieros de HT a dividir el diseño en varias secciones más pequeñas, que luego se imprimen en máquinas HP Jet Fusion.

Ethan Fish, diseñador de productos de HT, dice que Fast Radius proporcionó más de 3000 secciones para la primera ejecución, en sólo seis semanas. Luego, los trabajadores de HT ensamblaron estas piezas en 1.235 piezas. Cada sección impresa mide casi 13 pulgadas de largo, y el ensamblaje final mide casi 46 pulgadas de largo.

La contratación de Fast Radius para el proyecto ayudó a HT a eliminar el costo inicial de las pruebas y las herramientas de moldeo por inyección para su cliente automotriz. HT también ahorró casi dos meses en el tiempo de ejecución del proyecto y casi $1 millón en costos totales del proyecto.

Algunos proveedores de componentes prefieren realizar su propia impresión 3D. TE Connectivity, por ejemplo, diseñó e imprimió recientemente en 3D un prototipo de soporte de montaje para sus conectores D369 a pedido de un fabricante aeroespacial. El soporte acopla de forma correcta y segura los conectores que están montados dentro de los gabinetes de los aviones.

Además de necesitar el soporte rápidamente, el fabricante exigía que estuviera hecho de material de calidad aeroespacial con una precisión de ±0,002 pulgadas. El titular también tuvo que pasar pruebas ambientales y de aeronavegabilidad estándar de la industria para evitar fallas durante diversas condiciones operativas.

Los ingenieros de TE Connectivity utilizaron Stratasys Origin One para el proyecto debido a la experiencia previa con él. Mientras tanto, los expertos de Stratasys trabajaron con Henkel Loctite para desarrollar un fotopolímero retardante de llama para la aplicación.

Jim es editor senior de ASSEMBLY y tiene más de 30 años de experiencia editorial. Antes de unirse a ASSEMBLY, Camillo fue editor de PM Engineer, Association for Facilities Engineering Journal y Milling Journal. Jim tiene un título en inglés de la Universidad DePaul.