Impresión 3D y montaje de mazos de cables

Oct 14, 2023

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

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

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

En esta foto, los conectores de arnés mecanizados por CNC se colocan encima de sus conectores de acoplamiento impresos en 3D, que se utilizan para las 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 económicamente 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 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 en carretera desde finales de la década de 1970. "La necesidad de mejorar la calidad de nuestro arnés fue la razón principal por la que comenzamos a imprimir piezas en 3D, incluidos los accesorios de prueba, las abrazaderas para asegurar los cables a las placas y los soportes que ayudan a los ensambladores a ubicar, orientar e identificar los 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 único 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, solo 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 a 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 permite que los ensambladores de arneses sean menos dependientes de los proveedores de componentes externos a diario.

Para escuchar a Allen Kreemer, ingeniero de aplicaciones comerciales de Stratasys Ltd., los días de usar la impresión 3D únicamente para hacer prototipos de conectores se han ido. Él 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 se ha estado trabajando durante casi 15 años, comenzando con el trabajo de investigación realizado en la Universidad de Loughborough a principios de siglo", explica Kreemer. "Pero fue solo en los últimos años que estuvo listo para su uso en los arneses 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 por absorción selectiva (SAF), señala Alec Logeman, ingeniero de aplicaciones comerciales de Stratasys. SAF utiliza un rodillo que gira en sentido contrario para recubrir capas de polvo en una cama de impresión antes de aplicar líquido absorbente para generar imágenes en las capas de la pieza. Luego, las capas se derriten y fusionan pasando una lámpara infrarroja por todo el espacio de la cama de impresión.

El fluido se aplica mediante cabezales de impresión piezoeléctricos de grado industrial a las 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 brindar una experiencia térmica uniforme y una consistencia de la pieza, independientemente de su ubicación en la construcción.

"Los fabricantes pueden imprimir conectores personalizados de cualquier forma con el número de pines que deseen", dice Logeman. "El cuerpo del conector impreso reemplaza al que generalmente 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 de tipo Molex de tres pines en solo 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 resina o filamento. PA11 es un plástico de base biológica hecho de materias primas renovables derivadas del aceite de ricino sostenible.

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

Los ensambladores usan varios tipos de accesorios para montar un arnés 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 los soportes de conectores de impresión 3D. Ambas máquinas utilizan la tecnología Multi-Jet Fusion (MJF) para la producción de alto volumen.

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

Cada impresora cuenta con 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 de fusión por segundo por pulgada. Según sea necesario, el cabezal de impresión puede aplicar un agente de detalles en áreas próximas al área de fusión prevista para evitar el sangrado térmico y mejorar el rendimiento de la pieza. Este agente también produce características tales como bordes redondeados para evitar daños en los cables y conectores durante el ensamblaje del arnés.

“Cualquiera de los modelos 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, a un día. Los soportes cuestan de $6 a $7 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 ubicaciones de América del Norte (tres en Kansas, nueve en México) para producir una amplia gama de abrazaderas de fijación 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 fundido (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 listas para usar para la mayoría de nuestras piezas", señala Buhler. "Se extienden hasta 12 pulgadas cuadradas, con la mayoría de las piezas midiendo menos de seis pulgadas cuadradas y tan pequeñas como una pulgada cuadrada".

El fabricante de arneses de cables Cesar-Scott Inc. (CSI) también confía en las impresoras 3D basadas en FDM para producir soportes para conectores. Sus impresoras industriales Atom (de TCC Print) fabrican piezas de PLA o acrilonitrilo butadieno estireno (ABS) dentro de un espacio 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 arneses energiza el módulo de encendido 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 y protectores de seguridad de máquinas y piezas de repuesto, 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 de dos a 10 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 eso es que cuanto más rápido podamos imprimir la pieza incorrecta, más eficiente y rentable podremos crear un molde para la pieza correcta para usar en la producción. En promedio, toma alrededor de tres intentos 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 titulares son de una o dos pulgadas cuadradas, pero pueden ser tan grandes como ocho pulgadas cuadradas.

Algunos interruptores que CSI usa 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 resolución y temperatura 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 Fabricación Aditiva e Ingeniería 3D 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. El 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 de terceros certificados incluyen resinas industriales, así como materiales de alta temperatura, elastómeros duraderos, de uso general y de grado médico. El software P3 de fotopolimerización programable de Origin One organiza con precisión la luz, la temperatura, las fuerzas de tracción y la neumática para optimizar la calidad de la pieza.

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 conectan a los arneses 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 las 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 solo 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 tiene casi 46 pulgadas de largo.

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

Algunos proveedores de componentes prefieren hacer su propia impresión 3D. TE Connectivity, por ejemplo, diseñó recientemente e imprimió en 3D un soporte de montaje prototipo 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 recintos de las aeronaves.

Además de necesitar el soporte rápidamente, el fabricante requería que estuviera hecho de material de grado 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 varias condiciones de operación.

Los ingenieros de TE Connectivity utilizaron el Stratasys Origin One para el proyecto debido a la experiencia anterior 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 sénior 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.