Conoce Google ATAP: resolviendo desafíos de producción con la impresión 3D

El laboratorio del grupo de Tecnología y Proyectos Avanzados (ATAP, por sus siglas en inglés) de Google está diseñado exclusivamente para funcionar como un servicio integral para producir proyectos de hardware. El laboratorio ofrece una visión de futuro tanto para los productos como para la producción, pero utiliza enfoques de resolución de problemas de los que puede aprender cualquier empresa hoy en día, desde una mentalidad iterativa en cada etapa del desarrollo hasta un conjunto de herramientas tecnológicas que permiten poner en marcha soluciones dinámicas y creativas.

En una ocasión, el enfoque del equipo resultó en un proceso de innovación que les permitió evitar una compleja cadena de suministro para la fase de validación previa a la producción de un dispositivo de tecnología ponible sobremoldeado. Gracias a la High Temp Resin de Formlabs, un material de impresión 3D con una alta estabilidad térmica, consiguieron acortar distancias entre el proceso de creación de prototipos y la producción, reduciendo así el tiempo de elaboración de un componente crucial en un 85 % y ahorrando más de 100 000 $.

Ve el video para aprender cómo Google ATAP utiliza la fabricación aditiva para acortar distancias entre la creación de prototipos y la producción, usando impresoras 3D de Formlabs y la High Temp Resin para resolver un desafío relacionado con las fases previas a la producción de una compleja tecnología ponible sobremoldeada.

"No solo estamos investigando los productos del futuro, sino también la producción. La fabricación aditiva es una parte importante de ese proceso y está muy vinculada a muchos de los proyectos en los que trabajamos", nos explicó Bryan Allen, técnico de diseño en Google ATAP especializado en impresión 3D y tecnologías de fabricación avanzada.

"Me encanta descubrir las novedades de la impresión 3D, como un nuevo material o un nuevo proceso, y después aplicarlo a una cartera de proyectos de tal manera que podamos crear algo de forma más eficiente, con mayor rapidez, de mejor calidad o con un mayor atractivo estético".

Análisis del caso de estudio: un desafío de preproducción

El equipo no sabía cómo avanzar. En la fase de preproducción, todas sus energías estaban puestas en el proceso de sobremoldeo para un dispositivo de tecnología ponible, pero necesitaban resultados más rápidos. El proceso era innovador, la cadena de suministro era compleja y tenían que superar esa fase para poder proceder al envío.

"Lo que teníamos eran sistemas electrónicos que habíamos sobremoldeado repetidas veces y habían producido un objeto flexible e impermeable que podíamos utilizar como tecnología ponible", nos contó David Beardsley, director del taller de modelos del laboratorio de Google ATAP.

El sobremolde es un proceso de fabricación habitual. Para fabricar una pieza sobremoldeada sin sistema electrónico, algunas fábricas gastan miles de primeros artículos a un coste de céntimos por cada pieza o conjunto. No obstante, el equipo de ATAP estaba sometiendo a un segundo sobremolde a un subconjunto electrónico que ya había sido sobremoldeado: se trataba de un conjunto de placa de circuito impreso (PCBA) con un sistema electrónico complejo que provenía de otra fábrica. Por lo tanto, los primeros artículos eran costosos y dependían del tiempo que tardase la primera fábrica en producir y enviar los PCBA.

El sobremolde es un proceso de moldeo por inyección que normalmente requiere una sincronización inicial de las herramientas en la fábrica para producir nuevas piezas, que se conocen como "primeros artículos". Es posible que los primeros artículos no tengan el relleno completo o tengan demasiado, o bien que presenten defectos cosméticos mientras se calibran los parámetros para el moldeo. Mientras solucionan los problemas, los ingenieros de fabricación se aseguran de verificar los cierres, las presiones y los parámetros de moldeo, de forma que todo esté bien ajustado.

El dispositivo de tecnología ponible empieza como una placa de circuito impreso (PCB, por sus siglas en inglés) lleno de componentes. La PCB se coloca dentro de un sistema de moldeo a baja presión que lo convierte en un bloque de plástico. Después, la PCB y un cable flexible forman el subconjunto electrónico que se somete a un nuevo proceso de sobremolde en poliuretano termoplástico (TPU) y en un híbrido de caucho de silicona. A continuación, se somete al PCBA a un último proceso de sobremolde.

El equipo se dio cuenta en la fase de preproducción de que el coste de los primeros artículos sería mucho más alto que para una pieza normal fabricada mediante moldeo por inyección. Lo que no esperaban fueron los retrasos en la cadena de suministro: tardaron tres semanas en recibir los subconjuntos electrónicos sobremoldeados que necesitaban para llevar a cabo los ensayos. Beardsley tenía que acortar esos plazos para aumentar la producción y enviar los productos.

"A veces hay que probar cientos o miles de veces para que todo funcione. El problema es que cuando se trata de sistemas electrónicos en activo con placas y sistemas electrónicos reales que después se envían a los mecanismos de sobremolde y se devuelven, tienes que lidiar con toda la cadena de suministro", nos explicó Beardsley.

"Se nos ocurrió la idea cuando me di cuenta de que estábamos malgastando tiempo y dinero intentando averiguar cómo hacer que la herramienta funcionase. ¿Cómo probamos que esto va a funcionar antes de meter el sistema electrónico en activo?"

Tenían que encontrar un proceso y un material que sustituyese al PCBA. El reemplazo tenía que tener las dimensiones precisas y representar la geometría exacta del subconjunto real, de forma que se pudiese caracterizar el relleno. Además, tenía que ser lo suficientemente sólido como para que la herramienta aislase la pieza sin romperla o deformarla, lo que provocaría un exceso de material.

"Sabíamos que necesitábamos emplear un material que soportase miles de kilos de presión y más de 250 ºC", añadió Beardsley. "Queríamos un material con un alto grado de resistencia a la temperatura y de rigidez".

Beardsley pidió ayuda a Allen y ambos diseñaron una estrategia.

"Sabíamos que necesitábamos emplear un material que soportase miles de kilos de presión y más de 250 ºC".

David Beardsley

La solución: imprimir piezas de sustitución en 3D con la High Temp Resin

Los parámetros eran estrictos. Allen decidió probar a imprimir en 3D los reemplazos, o piezas de sustitución, en High Temp Resin con la impresora 3D de estereolitografía (SLA) Form 2. Sabía que iba a forzar al máximo el material: inyectaría las piezas finales a 270 ºC con una presión de inyección de 27 000 psi, es decir, utilizando los parámetros más altos para la temperatura de flexión bajo carga (HDT) publicada para la High Temp Resin.


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"Necesitábamos esta resolución para conseguir los detalles de pequeño tamaño y los cierres que nos hacían falta. Pudimos emplear la Form 2 en este proyecto porque nos ofrecía esa combinación de alta resistencia a la temperatura y resolución", nos comentó Allen. "Aunque tenemos la opción de elegir entre muchas otras tecnologías de fabricación, poder fabricar estas piezas es importante para nuestro laboratorio".

"Aunque tenemos la opción de elegir entre muchas otras tecnologías de fabricación, poder fabricar estas piezas es importante para nuestro laboratorio".

Bryan Allen

El equipo se puso manos a la obra e imprimió algunas piezas de ensayo por la noche.

"No teníamos tiempo de rehacer el diseño asistido por ordenador (CAD). Lo abrí, lo exporté a un archivo STL y lo cargué en el software PreForm. Cuando conseguimos fabricar el primer lote para la validación, empezamos a producir en serie. Durante el primer ciclo produjimos 200 piezas y después fabricamos otras 100", comentó Allen.

PreForm es el software de preparación de impresiones gratuito de Formlabs, que puede emplearse para colocar las piezas por lotes en la base de impresión. Cuando consiguieron acelerar la producción, Allen imprimió 250 insertos en lotes de 10, cada uno de los cuales tardó alrededor de cuatro horas en imprimirse. Así, el equipo pudo fabricar cientos de piezas en un fin de semana.

Allen colocó los soportes en las piezas fabricadas con High Temp Resin de forma que las marcas de los soportes se vieran únicamente en las piezas que se cerraban y no en las superficies para el moldeo. Así se aseguraban de que las piezas no necesitasen un lijado o acabado adicional, más allá del ciclo habitual de lavado y poscurado, antes de ponerlas en uso.

Las piezas impresas en 3D funcionaron perfectamente como reemplazo de los subconjuntos electrónicos. El proceso redujo el plazo de producción de los insertos de los PCBA de tres semana a tres días y el coste de cada inserto se redujo de 100 $ a 0,80 $.

"Nos permitió acortar mucho más el proceso y nos ahorrarnos unos cuantos pasos iniciales. Con esta nueva estrategia, eliminamos tres o cuatro pasos iniciales. Nos ahorró bastante tiempo", añadió Beardsley.

David Beardsley explica cómo el equipo pudo "acotar el proceso", eliminando cuatro pasos de producción, de forma que se pudieron centrar en ajustar el último paso del sobremolde. Las piezas de sustitución impresas en 3D evitaron tener que pasar por la compleja cadena de suministro y redujeron el plazo de producción de los insertos de tres semanas a tres días.

"El hecho de poder aislar la herramienta en material impreso en 3D y sometido a un moldeo por inyección a alta presión sin que presente siquiera exceso de material es algo increíble. Si no hubiésemos tenido la Form 2, no habríamos podido conseguir este resultado".

David Beardsley

Dado que fabricar las piezas impresas resultaba increíblemente asequible, el equipo pudo ofrecer más de lo que esperaba la fábrica, de forma que pudieron repetir las pruebas de manera ininterrumpida hasta lograr los resultados deseados.

"El hecho de poder aislar la herramienta en material impreso en 3D y sometido a un moldeo por inyección a alta presión sin que presente siquiera exceso de material es algo increíble. Si no hubiésemos tenido la Form 2, no habríamos podido conseguir este resultado", dijo Beardsley.

"Estábamos seguros de que iba a funcionar cuando conseguimos pasar a un ciclo completo del producto", nos contó Allen.

Resumen rápido: ¿qué consiguió Google ATAP? Utilizando la impresora 3D SLA Form 2 de Formlabs y la High Temp Resin, el equipo pudo:

  • Imprimir en 3D insertos de sustitución con la High Temp Resin que resistieron al sobremolde con una inyección de TPU a más de 250 ºC y 27 000 psi.

  • Ahorrar alrededor de 100 000 $ en subconjuntos electrónicos malgastados e incluso más en mano de obra.

  • Evitar una compleja cadena de suministro para acortar el ciclo de validación durante la preproducción para los insertos de PCBA de 3 semanas a 3 días.

"Estábamos seguros de que iba a funcionar cuando conseguimos pasar a un ciclo completo del producto".

Bryan Allen

3 lecciones que hemos aprendido del uso de la impresión 3D de Google ATAP durante la producción

i bien el proceso de producción del dispositivo de tecnología ponible es un caso único, la manera en la que el equipo abordó el problema, empleó la tecnología para solucionarlo y aplicó la impresión 3D puede ser una lección valiosa para empresas de cualquier tamaño. Para inspirarte, lee estas tres lecciones que hemos aprendido tras nuestra charla con el tecnólogo de diseño Bryan Allen y el director del taller de modelos David Beardsley de Google ATAP.

Aborda cada fase del desarrollo, desde la creación de prototipos hasta el envío del producto, con una mentalidad iterativa.

"Una de las cosas que caracteriza la manera en la que trabajamos es que concebimos todo el proceso de producción como un proceso de creación de prototipos, en el que empleamos ciclos de creación de prototipos en cada fase de la producción, en vez de dividir cada fase en 'fase de creación de prototipos, fase de la cadena de suministro, frase del lanzamiento del producto'. Se trata de aplicar el diseño y la iteración a todo el proceso y no solo al principio", nos explicó Allen.

"Gracias al proceso de creación de prototipos que incluimos en cada paso del camino, podemos identificar los aspectos que no funcionan y abordarlos antes de que se agraven en fases posteriores", añadió Beardsley.

No consideres cada tecnología de forma aislada. Piensa que cada máquina es parte de tu caja de herramientas de resolución de problemas y que está ahí para ayudarte a encontrar la mejor solución para cada desafío.

"Ni siquiera intentamos reemplazar todo un proceso, sino que tratamos de examinar la situación y nos preguntamos si cierta máquina podría funcionar bien para nuestro propósito. Nos preguntamos, ¿qué hace que esta máquina sea mejor que cualquier otra y cómo podemos aplicarla? El hecho de que no nos limitemos a un solo proceso o a una sola máquina nos permite darnos cuenta de las ventajas de los diferentes materiales y procesos y aplicarlos como corresponda", comentó Allen.

"Para nosotros, la impresión 3D es una herramienta más a nuestra disposición, como las máquinas de CNC o el moldeo, así como los procesos de fabricación más tradicionales. Nos permite pensar cómo podemos aplicar estas nuevas tecnologías en la producción".

La impresora 3D Form 2 es parte de la caja de herramientas del laboratorio de Google ATAP que utilizan los ingenieros y los diseñadores para resolver problemas complejos y llevar a cabo ambiciosos proyectos de hardware.

Empieza por resolver un problema.

"Todavía hay muchos obstáculos en el diseño de piezas. Para los laboratorios que quieran empezar a utilizar la fabricación aditiva en sus procesos, recomiendo elegir un problema específico que tenga que ver con una sola pieza, en vez de tratar de imprimir la herramienta completa solo para intentar fabricar un inserto. Es mejor elegir una sola pieza y aprender de ella", explicó Allen.

Aprende cómo un ingeniero de producción de Ashley Furniture pasó de tener una idea a aplicar la impresión 3D para producir 700 impresiones 3D en la fábrica.

Aprende más sobre la Form 2, los materiales para ingeniería y sus aplicaciones

La impresora Form 2 y la High Temp Resin son parte de la caja de herramientas del laboratorio de Google ATAP que utilizan los ingenieros y los diseñadores para resolver problemas complejos y llevar a cabo ambiciosos proyectos de hardware.

"Las grandes empresas que cuentan con grandes talleres piensan que deben comprar una máquina muy cara. Nosotros las tenemos aquí y son increíbles. La verdad es que la Form 2 es la mejor en todos los aspectos", dijo Beardsley. "Me refiero a su precisión, velocidad y acabado y a la posibilidad de tener una pieza terminada recién salida de la máquina. Es realmente increíble".

Aprende más acerca de la Form 2 y el catálogo de resinas para ingeniería de Formlabs que puedes emplear para tus propios proyectos. También puedes solicitar una muestra gratuita impresa en 3D para comprobar la calidad de la High Temp Resin o de otros materiales de primera mano.

Aprende más técnicas para aplicar la impresión 3D en la creación de prototipos y en la producción en nuestro libro blanco sobre Fabricación de moldes mediante impresión 3D .

Técnicas: fabricación de moldes mediante impresión 3D