Guía de fabricación de bajo volumen

La teoría, las herramientas y las buenas prácticas actuales de la fabricación se centran en cómo fabricar miles o millones de piezas o productos idénticos a un coste por unidad bajo. La producción personalizada y de bajo volumen requiere una serie de métodos completamente diferentes y los fabricantes se enfrentan a desafíos únicos cuando intentan adaptar los sistemas de producción en masa para ello. 

Sin embargo, gracias al rápido desarrollo de los métodos de fabricación y los materiales, ahora hay varias tecnologías que pueden hacer posible la fabricación de estas piezas y productos de uso final personalizados y en remesas de bajo volumen, de forma rápida y rentable. 

Esta guía presenta un resumen de las distintas situaciones de fabricación de bajo volumen y de las tecnologías y soluciones para producir bajos volúmenes de piezas de uso final.

El término "fabricación de bajo volumen" suele designar series de producción que generan entre diez y decenas de miles de piezas.

Actualmente, la mayoría de los métodos de fabricación tradicionales, como el moldeo o el conformado, están basados en el concepto de la producción en masa: fabricar grandes cantidades de productos idénticos. Aunque estas técnicas son muy rentables para la producción de alto volumen (más de 10 000 piezas), requieren un proceso de estandarización, maquinaria costosa y utillaje que raramente permiten realizar modificaciones en los productos. 

El utillaje para los procesos de producción en masa como el moldeo por inyección pueden costar más de 10 000 $ y suman meses o semanas a las cronologías de producción. Con la producción en masa, los fabricantes pueden compensar estos elevados gastos iniciales con pedidos de alto volumen, ya que el coste por pieza disminuye cuando los costes se distribuyen entre miles de piezas. Los procesos de fabricación en masa están orientados a producir piezas idénticas en grandes cantidades, lo que limita la capacidad de fabricar piezas especializadas o con un alto grado de personalización.

En cambio, la fabricación de objetos basados en especificaciones únicas, también conocida como fabricación personalizada o fabricación de alta mezcla y alto volumen (HMLV, por sus siglas en inglés), se ha realizado tradicionalmente de forma manual en talleres pequeños. Debido a la gran proporción de trabajo manual y la menor productividad que conlleva, el coste por pieza es más elevado para los productos personalizados. Por los mismos motivos, crear grandes cantidades de productos hechos a medida individualmente, que es lo que se conoce como personalización en masa, raramente ha resultado económicamente viable.

En las últimas décadas, ha habido un rápido desarrollo de los métodos de fabricación adecuados para la producción de bajo volumen. Tecnologías como la fabricación aditiva (impresión 3D), el mecanizado CNC y el utillaje rápido ofrecen ventajas únicas para la producción de bajo volumen, la fabricación personalizada (fabricación de alta mezcla y bajo volumen) y la personalización en masa.

Estas ventajas de la fabricación de bajo volumen incluyen:

• Costes menores: Elimina los costes de utillaje excesivos que requieren un número mínimo de pedidos para compensarlos, reduce las barreras para acceder al mercado e incentivar la innovación.
• Velocidad: Comprime las cronologías de desarrollo y reduce los tiempos de entrega para la producción de meses a un par de días o semanas, para llegar al mercado antes que tu competencia.
• Flexibilidad: Resuelve los desafíos de fabricación, responde a las opiniones de los clientes, realiza iteraciones de los productos e introduce cambios en el diseño, todo ello rápidamente y sin costes excesivos.
• Personalización: Ofrece personalización a los clientes y crea productos con una libertad de diseño sin precedentes, incluidas piezas complejas con formas orgánicas, celosías o patrones intrincados sin costes adicionales. 

Control: Optimiza las cadenas de suministro y acorta los tiempos de entrega con una producción local bajo demanda. Mantén al mínimo los inventarios de piezas y subcomponentes para satisfacer las necesidades cambiantes del negocio.

La demanda de innovación, mejoras en la calidad y costes más reducidos es una presión constante que sienten los fabricantes mientras intentan mantener su competitividad y maximizar los beneficios. Examinemos las diversas situaciones posibles de producción de bajo volumen, que abarcan desde servir como paso intermedio entre el prototipado y la producción en masa hasta reducir los cuellos de botella en las cadenas de suministro.

La impresión 3D ha estado muy extendida en los ámbitos del prototipado y del desarrollo de productos desde hace décadas. Ahora, el uso de esta tecnología se está generalizando en la fabricación. En el proceso de desarrollo de productos, los fabricantes ya están aprovechando la flexibilidad de la impresión 3D para producir herramientas internas, como guías, fijaciones y otros accesorios para la fabricación, o incluso utillaje rápido, como moldes para el moldeo por inyección o el termoformado.

Los avances recientes en la maquinaria, los materiales y el software crean oportunidades para producir impresiones 3D funcionales de alta precisión que son capaces de hacer las veces de piezas de uso final (las que se venden a los clientes finales para su uso). Estas piezas dan a las empresas la capacidad de lanzar productos innovadores al mercado y hacer que la fabricación a pequeña y mediana escala sea accesible. 

El uso más común de las impresoras 3D es producir piezas de plástico. También existen impresoras 3D de metal, pero su coste es considerablemente mayor. Hay muchos tipos diferentes de impresoras 3D y los procesos más comunes para producir piezas de plástico son: el sinterizado selectivo por láser (SLS), la estereolitografía (SLA) y el modelado por deposición fundida (FDM).

Ya que las impresoras 3D no requieren utillaje y el tiempo de preparación de un nuevo diseño es mínimo, el coste de producir una pieza de uso final personalizada es despreciable, en comparación con los procesos de fabricación tradicionales. 

Por lo general, los procesos de fabricación aditiva tienen un tiempo de ciclo mayor y requieren más trabajo manual que los procesos de fabricación que se suelen utilizar para la producción en masa, pero representan un aumento de productividad considerable respecto a los procesos tradicionales de producción y fabricación de bajo volumen. A medida que mejoran las tecnologías de impresión 3D, el coste por pieza seguirá bajando, lo que hará accesible una mayor variedad de aplicaciones de volumen bajo a medio.

La mayoría de los procesos de fabricación tradicionales requieren maquinaria industrial cara y operarios expertos, lo que obliga a muchas empresas a externalizar su producción a instalaciones especializadas. En cambio, la impresión 3D permite realizar una producción in situ. Los sistemas compactos de impresión 3D de escritorio o de trabajo para crear piezas de plástico son asequibles y requieren muy poco espacio. Que no se necesite una formación especial para usarlos permite a los ingenieros, diseñadores y fabricantes profesionales acelerar sus ciclos de iteración y producción de meses a solo unos días.

1. Diseño: Diseña tu modelo en CAD o crea un modelo basado en un escaneo 3D de un modelo existente, una resonancia magnética o un escaneo intraoral. 
2. Configuración de la impresión: Se usa software de preparación de impresiones para orientar y organizar modelos en el volumen de impresión de una impresora, añadir estructuras de soporte (de ser necesarias) y visualizar por capas el modelo con soportes.
3. Impresión: Elige la tecnología y el material adecuados e imprime en 3D la pieza en una impresora 3D.
4. Posacabado: Cuando la impresión se ha completado, las piezas se retiran de la impresora, se limpian o lavan, se poscuran (depende de la tecnología) y se eliminan las estructuras de soporte (de haberlas). A las piezas se les puede aplicar pintura, un revestimiento o un posacabado adicional con otras técnicas de acabado.

Las herramientas de control numérico computerizado (CNC) son procesos de fabricación sustractiva. Estos procesos comienzan con bloques, barras o varillas sólidos de plástico, de metal o de otros materiales a los que se les da forma retirando material de ellos mediante procesos de corte, perforación, taladrado y amolado.

Entre las herramientas CNC se encuentra el mecanizado CNC, que quita material de la pieza de dos formas: con una herramienta giratoria y la pieza fija (fresado), o haciendo girar la pieza con una herramienta fija (torneado). Las cortadoras láser usan un láser para grabar o cortar a través de una amplia gama de materiales con mucha precisión. Las cortadoras por chorro de agua usan agua mezclada con materiales abrasivos y presión alta para cortar a través de casi cualquier material. Las fresadoras y los tornos CNC pueden tener varios ejes, lo que les permite gestionar diseños más complejos. Las cortadoras láser y por chorro de agua son más adecuadas para las piezas planas.

Las herramientas CNC puedan dar forma a piezas a partir de plásticos, metales blandos, metales duros (máquinas industriales), madera, acrílico, piedra, vidrio y materiales compuestos. Son ideales para producir piezas de uso final personalizadas o de bajo volumen, piezas estructurales y utillaje para un amplio abanico de sectores.

Las herramientas CNC son más complicadas de configurar y manejar que las herramientas de fabricación aditiva, mientras que algunos materiales y diseños pueden requerir un utillaje, manipulación, posicionamiento y procesamiento especiales. Esto hace que resulten costosas para piezas únicas en comparación con los procesos aditivos, y más adecuadas para remesas de producción pequeñas.

El mecanizado es ideal para aplicaciones de fabricación de bajo volumen que requieren tolerancias escasas y geometrías difíciles de moldear, como poleas, engranajes y cojinetes. El mecanizado CNC tiene costes de preparación de bajos a moderados y puede producir componentes de alta calidad, con plazos de entrega cortos y a partir de una amplia gama de materiales.

Los procesos de mecanizado tienen más restricciones de geometría de la pieza que la impresión 3D. Con el mecanizado, el coste por pieza aumenta con la complejidad de la pieza. Los socavados y las características que aparecen en múltiples caras de la pieza contribuyen a incrementar los costes. Los procesos de mecanizado requieren márgenes de tolerancia para el acceso de las herramientas, y ciertas geometrías, como los canales internos curvados, son difíciles o imposibles de producir con métodos sustractivos tradicionales.

1. Diseño: Diseña tu modelo en CAD o crea un modelo basado en un escaneo 3D de un modelo existente, una resonancia magnética o un escaneo intraoral. 
2. Configuración del trabajo: Las máquinas de CNC requieren un paso intermedio de generación y validación de trayectorias de las herramientas (de CAD a CAM). Las trayectorias de las herramientas controlan por dónde se mueven las herramientas de corte, a qué velocidad y en qué momento se cambia de herramienta.
3. Mecanizado: Las trayectorias de las herramientas se envían a la máquina, donde comienza el proceso sustractivo. Dependiendo de la forma deseada para el producto final, es posible que haya que colocar la pieza de trabajo en una nueva posición para que cabezal de la herramienta pueda alcanzar nuevas zonas.
4. Posacabado: Después de la fabricación, la pieza se limpia y se desbarba, se recortan el material sobrante y es posible realizar un posacabado adicional con otras técnicas de acabado.

Utillaje rápido es el nombre que reciben un conjunto de técnicas que se utilizan para fabricar herramientas (utillaje) rápidamente, con un coste bajo y de forma eficiente; herramientas que se dedicarán a la creación de piezas mediante procesos de fabricación tradicionales (como el moldeo por inyección, el termoformado o la fundición), con un plazo ajustado o en cantidades reducidas. 

El utillaje convencional se suele fabricar a partir de metales resistentes, mediante tecnologías como el mecanizado y la fundición de metal. Sin embargo, estos procesos son caros y son más adecuados para ciclos de producción a gran escala. Cuando se utilizan para realizar iteraciones de utillaje o para producir utillaje que se va a utilizar para fabricar únicamente lotes pequeños de piezas, los costes crecen y los plazos de producción se alargan considerablemente.

Incorporar el utillaje rápido en el proceso de desarrollo de productos permite a los fabricantes validar el diseño y las decisiones respecto al material antes de pasar a la producción en cadena, para acelerar el desarrollo de productos, realizar iteraciones con rapidez y llevar productos mejores al mercado. El utillaje rápido da a los ingenieros la capacidad de usar los materiales reales de fabricación para evaluar cómo se comportarán las piezas en aplicaciones reales y producir volúmenes limitados de productos para la fase beta y los ensayos de validación. El utillaje rápido también puede ayudar a resolver los problemas del proceso de fabricación antes de invertir en utillaje de producción que puede resultar caro.

Además, el utillaje rápido proporciona medios para producir series personalizadas o limitadas de piezas de uso final mediante procesos de fabricación tradicionales que tendrían un coste prohibitivo si se usara un utillaje convencional. Esto permite a los fabricantes poner a prueba la demanda de nuevos productos, ofrecer una gama más amplia de productos o personalizar sus piezas en función de las necesidades de los clientes.

El utillaje rápido se puede usar como apoyo para diversos procesos de fabricación tradicionales para la producción de plásticos, piezas de silicona o de goma, materiales compuestos e incluso piezas de metal.

1. Diseño: Diseña tu molde, patrón, troquel o herramienta maestra en un software CAD.
2. Producción del utillaje: Fabrica las herramientas con una impresora 3D o una herramienta CNC, o crea moldes o herramientas basados en un patrón maestro.
3. Fabricación: Introduce en tu máquina el utillaje rápido impreso en 3D o usa el patrón en tu proceso de trabajo y lleva a cabo el proceso de producción.
4. Posacabado: Realiza el posacabado necesario para obtener el acabado de calidad de una pieza de uso final.

Aunque en la fabricación siempre han participado fabricantes por contrato y una larga cadena de proveedores, las herramientas de fabricación de bajo volumen también permiten a las empresas llevar la producción a sus propias instalaciones.

Se recomienda externalizar la producción a proveedores de servicios o laboratorios si solo necesitas unas pocas piezas ocasionalmente y para piezas que sean de gran tamaño o requieran materiales especiales. Proveedores de servicios como Hubs, Protolabs, Fictiv o empresas locales ofrecen servicios de fabricación y producción de bajo volumen bajo demanda. Estas empresas suelen contar con múltiples tecnologías que incluyen procesos aditivos y sustractivos, así como utillaje rápido. También pueden aconsejar sobre el uso de diversos materiales y ofrecer servicios de valor añadido como el diseño o el acabado avanzado.

Las principales desventajas de la externalización a proveedores de servicios son el coste y los plazos de entrega. Una de las mayores ventajas de la fabricación de bajo volumen es su velocidad, en comparación con los métodos de fabricación tradicionales. Esa velocidad disminuye rápidamente cuando las piezas externalizadas tardan una o varias semanas en llegar. Externalizar la fabricación de piezas de bajo volumen a menudo también resulta muy caro. En función del número de piezas y del volumen de las remesas, una empresa puede amortizar su inversión en una impresora 3D en unos pocos meses simplemente con imprimir in situ.

Con las impresoras 3D para el escritorio y el banco de trabajo, las empresas pueden pagar por la capacidad que necesiten y expandir la producción añadiendo más unidades a medida que crezca la demanda. Usar múltiples impresoras 3D también aporta la flexibilidad de poder imprimir piezas con diferentes materiales al mismo tiempo. Las empresas de servicios pueden seguir siendo un complemento para este proceso de trabajo flexible cuando haya que fabricar piezas grandes o utilizar materiales poco convencionales.

Al estar libre de las limitaciones del utillaje de los métodos tradicionales, la fabricación aditiva es una solución potente para producir piezas de uso final en volúmenes bajos y con un tiempo de entrega mínimo. La impresión 3D in situ permite a las empresas asumir el control de su fabricación, reduciendo el tiempo de producción, los costes y los riesgos.

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