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Introducción al conformado de chapa: Desde la creación de prototipos hasta la producción

La fabricación con metal es vital para todos los sectores de la economía. Debido a su resistencia, rigidez y durabilidad a largo plazo, los componentes de metal se usan para aplicaciones muy diversas, como la fabricación de electrodomésticos, de piezas de construcción y de paneles de la carrocería de vehículos. Algunas de las técnicas tradicionales de fabricación con metal son el conformado, la fundición, el moldeo, la soldadura y el mecanizado. 

El conformado de chapa incluye varios procesos en los que se aplica fuerza a una lámina metálica (chapa) para producir una deformación plástica del material hasta la forma deseada, modificando su geometría sin eliminar nada de él. Las chapas se pueden doblar o estirar para obtener diversas formas complejas, lo que permite crear estructuras complejas con una gran resistencia y una cantidad mínima de material. 

El conformado de chapa es el proceso de conformado más rentable que existe actualmente para fabricar grandes cantidades de piezas. Es un proceso que se puede automatizar en gran medida en las fábricas, pero que también puede llevarse a cabo de forma manual en talleres metálicos para elaborar pequeñas series de piezas. Es un procedimiento versátil, fiable y de alta calidad para crear piezas de metal precisas limitando la cantidad de material que se desperdicia. En nuestro día a día, estamos rodeados de piezas creadas mediante el conformado de chapa, desde latas metálicas a carcasas protectoras para herramientas. 

En este artículo, aprenderás las nociones básicas de la chapa, los diversos procesos de conformado de chapa y cómo reducir el coste del conformado de chapa con utillaje rápido y troqueles impresos en 3D. Ve nuestro seminario o descarga nuestro libro blanco si deseas información detallada sobre los ecosistemas de SLA y el método paso a paso. 

Nociones básicas sobre la chapa

"Chapa" es una palabra que denomina a piezas planas y delgadas de metal que se forman mediante procesos industriales. Pueden ser desde láminas metálicas extremadamente delgadas, de hasta 6 mm de grosor. Las piezas con un grosor mayor de 6 mm se consideran acero en planchas o "acero de construcción". El grosor de la chapa normalmente se especifica en milímetros en todo el mundo, pero EE. UU. utiliza un sistema no lineal conocido como "gauge" (calibre). Cuanto mayor sea el número del calibre, más delgada será la chapa. 

Una lámina metálica virgen para conformar un protector para la cuchilla de una sierra eléctrica.

La chapa se utiliza mucho en la fabricación de coches, aeronaves, trenes, carcasas de máquinas y herramientas, utensilios de oficina, muebles, electrodomésticos, ordenadores, componentes de maquinaria, latas de bebidas y elementos de construcción (tuberías, canalones, etc.). 

El metal en planchas se suele usar en aplicaciones en las que la durabilidad es más importante que el peso, como por ejemplo, piezas grandes de la estructura de barcos, recipientes a presión y turbinas.

Muchos metales pueden procesarse para convertirlos en chapa, como el aluminio, el acero, el latón, la hojalata, el cobre, el níquel, el titanio y (con fines decorativos) el oro, la plata y el platino.

El resultado de la elaboración de chapa suele almacenarse en rollos que pueden cortarse y doblarse para darles una gran variedad de formas.

¿Cómo funciona el conformado de chapa?

El conformado de chapa incluye tratamientos como el doblado, repujado al torno o el estirado, llevados a cabo por troqueles o herramientas de perforación. Por lo general, el conformado se realiza en una prensa y las piezas se forman entre dos troqueles.

El proceso del conformado de chapa es sencillo:

  1. Se corta una lámina de metal a partir de un rollo para obtener láminas vírgenes. 

  2. La lámina virgen se coloca en la máquina de conformado, entre dos herramientas. 

  3. La máquina somete el metal a fuerzas elevadas y el troquel superior (también conocido como punzón) empuja el metal en torno a la herramienta inferior correspondiente y lo dobla hasta que alcanza la forma deseada.

Process workflow for sheet metal forming.

Proceso de trabajo para el conformado de chapa.

Una de las desventajas del conformado de chapa es que es un proceso con estrictos requisitos de equipo. El procedimiento requiere maquinaria y herramientas especializadas de que dependen de sus piezas. Como se muestra arriba, la herramienta (también conocida como forma o troquel) es la pieza de la máquina de conformado que actúa para doblar la chapa. 

Normalmente, los fabricantes producen sus herramientas de conformado a partir de metal, realizando un mecanizado CNC in situ o externalizando el proceso con proveedores de servicios. Este utillaje previo es caro y genera plazos de producción largos. 

Los sectores que usan componentes metálicos están impulsados por la innovación y necesitan piezas más complejas que agilicen los procesos de fabricación. Por eso, replantearnos las técnicas de utillaje puede ser un buen punto de partida para avanzar.

Herramientas impresas en 3D para la creación de prototipos y el conformado de chapa de bajo volumen

Aunque las piezas de gran tamaño como los paneles de la carrocería de un coche están asociadas a una gran cantidad de utillaje, la mayoría de los talleres de metal también producen todo tipo de pequeñas unidades que requieren menores fuerzas de doblado. Reemplazar estas herramientas metálicas con piezas de plástico imprimidas in situ para la creación de prototipos y la producción de bajo volumen puede acortar los tiempos de desarrollo y reducir los costes de producción. 

Imprimir en 3D in situ permite a los ingenieros crear prototipos de piezas metálicas y realizar iteraciones de diseños de herramientas en cuestión de horas,  obteniendo geometrías complejas al mismo tiempo que reducen la dependencia de proveedores externos. Las impresoras de escritorio profesionales son asequibles, fáciles de implementar y pueden expandirse rápidamente a medida que crezca la demanda.

Different iterations of upper and lower dies manufactured with 3D printing for forming a replacement blade guard.

Los fabricantes ya están usando resinas polimerizables de estereolitografía (SLA) para sustituir guías, fijaciones y recambios metálicos en las fábricas. En procesos como el moldeo por inyección o el termoformado, usar moldes de ensayo de plástico es una forma eficaz de validar los diseños y resolver desafíos de diseño orientado a la fabricación antes de realizar una inversión en moldes metálicos caros. Pasar del metal al plástico supone un ahorro considerable en costes de material.

Ve el vídeo para descubrir cómo Shane Wighton, del equipo de ingeniería de Formlabs, conformó una pieza de chapa usando herramientas impresas en 3D para la validación del concepto. 

La tecnología de impresión 3D por SLA ofrece algunas propiedades interesantes para el conformado de chapa. Las impresoras SLA, que se caracterizan por una alta precisión y un acabado de la superficie liso, son capaces de fabricar herramientas con detalles muy precisos, lo que contribuye a que sean repetibles. Gracias a un amplio catálogo de materiales con diversas propiedades mecánicas, elegir una resina adaptado al caso de uso específico puede optimizar el resultado del conformado. Las resinas para SLA son isotrópicas y se mantienen bastante estables bajo un esfuerzo en comparación con otros materiales de impresión 3D. El utillaje de plástico también puede eliminar un paso de pulido, ya que los troqueles de plástico no dejan marcas en la chapa como las de los troqueles de metal. 

El mecanismo es similar al proceso de trabajo del conformado de chapa. La diferencia está en el diseño y la impresión de la herramienta de dos piezas hecha de troqueles superiores e inferiores. La lámina virgen se coloca entre ambos troqueles de plástico y se comprime usando una prensa hidráulica u otro equipo de conformado. 

Proceso de trabajo para el conformado de chapa con troqueles impresos en 3D.


Libro blanco

Cómo hacer utillaje rápido para el conformado de chapa con troqueles impresos en 3D

Esta investigación comprueba y demuestra la viabilidad de usar troqueles impresos en 3D mediante SLA para conformar piezas de chapa.


Comparación de costes y plazos de producción del utillaje rápido para el conformado de chapa

Imprimir en 3D in situ una herramienta para el conformado de chapa puede otorgar flexibilidad a los diseñadores y los ingenieros, reduciendo el plazo de producción de varias semanas a un día. 

Para grandes volúmenes de producción, crear un prototipo de la herramienta en plástico permite verificar el diseño antes de invertir en un herramienta metálica cara. Para una producción en series cortas, los troqueles impresos ahorran cientos de euros respecto a externalizar la pieza. 

Aquí tienes una comparación de costes y plazos de producción para los troqueles que requiere el protector de cuchilla metálico de nuestro libro blanco:

ProcesoEquipoPlazo de producciónCoste de material de una pieza finalCoste de material de 50 piezas finales
Herramienta impresa en 3D in situForm 3, prensa, equipo de corte de metal10-24 hours (tiempo de impresión y posacabado de la herramienta)40 $ (30 $ del troquel + 10 $ de chapa)60 $ (30 $ del troquel + 30 $ de chapa)
Herramienta 3D externalizadaPrensa, equipo de corte de metal6 días laborables160 $ (150 $ del troquel + 10 $ de chapa)180 $ (150 $ del troquel + 30 $ de chapa)
Herramienta de metal externalizadaPrensa, equipo de corte de metal25 días laborables460 $ (450 $ del troquel + 10 $ de chapa)480 $ (450 $ del troquel + 30 $ de chapa)
Pieza de metal externalizadaNinguno – completamente externalizado15 días laborables230 $$700

Cómo replantear el proceso de trabajo para el conformado de chapa

Replantear la fabricación de herramientas es una forma eficaz de reducir los costes de la fabricación con metal. Más allá de la agilidad que proporcionan los prototipos de herramientas caras, los troqueles de plástico impresos en 3D pueden ser sustitutos eficientes y asequibles de las herramientas de metal caras. En el caso del conformado de chapa, las herramientas impresas en 3D ofrecen múltiples oportunidades para aplicaciones que abarcan desde soportes doblados a piezas con relieves, celosías y rejillas, así como juegos de troqueles para una plegadora. 

En nuestro libro blanco gratuito, mostramos cómo fabricamos con éxito un protector de cuchilla metálico con la ayuda de troqueles de plástico impresos en 3D. Podríamos producir decenas de estas piezas con un único juego de troqueles, trayendo a nuestra empresa la producción en series cortas. Descarga ya el libro blanco si quieres conocer los detalles del estudio de caso y el método paso a paso. Ve el seminario web para descubrir consideraciones de diseño y ejemplos de aplicaciones específicos.