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Diseño de herramientas para la fabricación: ¿qué es y por qué es importante?

Según Allied Market Research, se espera que el mercado mundial de herramientas alcance un máximo de 368 500 millones de dólares para 2026, un crecimiento sustancial desde los 200 000 millones de dólares de 2018.

Dicho esto, las herramientas son cruciales en la fabricación, ya que a menudo se describen como el intrincado proceso de adquirir, construir o utilizar el equipo adecuado para la fabricación.

Su criticidad para la fabricación se ejemplifica por el hecho de que las fallas en las herramientas pueden tener consecuencias catastróficas, interrumpir las operaciones o incluso generar productos defectuosos. Relacionado, esto significa que el diseño de herramientas es un engranaje importante en la rueda que se está fabricando.

A lo largo de este artículo, cubriremos diferentes principios fundamentales del diseño de herramientas, incluidos los diversos tipos de herramientas, errores comunes de diseño de herramientas, facetas esenciales del proceso de diseño de herramientas y variables a considerar durante el diseño de herramientas de fabricación.

¿Qué es el utillaje en la fabricación?

En la forma más simple, el herramental se describe como el proceso de planificación, diseño e ingeniería de herramientas que se requieren para fabricar piezas o componentes. 

Existen varios tipos de utillajes, de los cuales los más conocidos son: troqueles para conformado en frío, chapa y forja; fabricación de prensas y moldes, alcaparras y engranajes; herramientas de manejo de trabajo como sacudidas y engranajes; herramientas de corte para fresado, cilindros, transformadores, piezas de automóviles, componentes plásticos y rectificadoras; y accesorios de soldadura e inspección.

Las fábricas de fabricación a menudo optan por invertir en «herramientas nuevas» para desarrollar un nuevo diseño o quizás para reutilizar un diseño existente. 

Principalmente, este proceso implica fabricar y diseñar las herramientas precisas necesarias para moldear elementos o módulos con el fin de implementar los nuevos diseños previstos durante la fabricación de un producto. 

Esencialmente, esto implica que las herramientas giran principalmente en torno a la adquisición o construcción de componentes de fabricación necesarios para la producción a granel de piezas utilizadas en máquinas industriales más grandes, como maquinaria pesada de ingeniería y automóviles.

¿Qué es el diseño de herramientas?

Como se señaló anteriormente, cada industria manufacturera requiere herramientas para participar en el proceso de producción de las piezas necesarias para ensamblar máquinas o productos finales.

Como tal, podría decirse que el diseño de herramientas, un campo de fabricación altamente especializado, es la columna vertebral de la industria manufacturera. 

El diseño de herramientas constituye el análisis, planificación, diseño, construcción, así como la implementación de herramientas, técnicas y procedimientos necesarios para aumentar la productividad de fabricación. 

En este sentido, los ingenieros de diseño de herramientas requieren un alto conocimiento de las prácticas de ingeniería tradicionales de planificación, pautas de diseño de herramientas, herramientas CAD y de dibujo (como CATIA ) y análisis de costos. Además de las competencias en procedimientos de fabricación de herramientas, diseño de máquinas herramienta y procedimientos de fabricación.

Objetivos del diseño de herramientas.

En esencia, el diseño de herramientas impacta directamente en la calidad de producción de la industria del usuario final (motores automotrices, turbinas, hélices o electrónica de consumo). En términos generales, los objetivos de la ingeniería de diseño de herramientas eficientes son:

  • Para aumentar la productividad mientras se mantiene la calidad del producto final mediante el diseño de herramientas que producen piezas buenas y confiables de manera constante.
  •  Fabricar productos dentro de los límites aceptables de ingeniería al menor costo posible. (el gasto general de producción generalmente se ve afectado por el gasto de herramientas).
  •  Para diseñar herramientas que no sean sofisticadas para operar y utilizar.
  • Para reducir el costo total de las herramientas.

Proceso de diseño de herramientas

Cada herramienta requiere una medida específica de consideración de planificación y diseño antes de construirla. Cuanto más sofisticada sea la herramienta/aparato, más compleja será la especificación de diseño para el plan. 

Una herramienta excepcionalmente compleja, por ejemplo, puede incorporar una gran cantidad de detalles y debe planificarse utilizando software CAD (diseño asistido por computadora). Se debe pasar una cantidad de tiempo suficiente revisando el plan para una construcción más rápida y precisa.

Por lo tanto, la forma más efectiva de abordar el diseño de herramientas será aplicar un conjunto de pautas/reglas de diseño que delinearán los objetivos de diseño definitivos planificados por diseñadores competentes. 

Esencialmente, el equipo de diseño debe ser multidisciplinario y debe estar compuesto por ingenieros mecánicos y de productos, gerentes de fabricación , contadores de costos y departamentos de marketing. 

Básicamente, cada representante de la cadena de valor debe contribuir de manera constructiva al proceso de diseño para garantizar que todo el producto esté diseñado para cumplir con los requisitos correctos, desde la ingeniería, la funcionalidad, las consideraciones de marca del producto hasta el presupuesto.

En general, el proceso de diseño se puede resumir en cinco pasos principales:

  1. Planteamiento y análisis del problema.
  2. Análisis detallado de los requerimientos de utillaje.
  3. Desarrollo de conceptos e ideas iniciales. Así como la consideración de posibles alternativas de diseño.
  4. Economía del Diseño
  5. Inicio de las ideas de diseño.

Tipos de herramientas utilizadas

El diseño de herramientas implica una amplia variedad de herramientas especiales. Estas herramientas se pueden categorizar y segmentar principalmente en lo siguiente:

Herramientas de corte

En general, los procedimientos de mecanizado requieren herramientas de corte que tengan la capacidad de soportar restricciones extremas (como la fricción) mientras manejan gradientes de temperatura considerables. Estos requisitos son imperativos, especialmente en el mecanizado de alta velocidad durante largos períodos de tiempo. Algunos ejemplos de herramientas de corte son: fresas, escariadores, perfiladores, cortadores de mosca, cepilladoras, etc.

Muere

Esencialmente, los troqueles son herramientas especializadas que se utilizan para cortar, estampar o moldear materiales en formas predeterminadas, como metal, plástico, madera o tela. En la práctica, los troqueles se pueden personalizar de acuerdo con los requisitos o necesidades únicos y funcionan en conjunto con una prensa.

Los troqueles se pueden utilizar en el proceso de producción o en el proceso de fundición a presión para crear formas muy complejas, por ejemplo, pequeños sujetadores o grandes componentes de automóviles y piezas de máquinas. 

Además, una vez que se crea un troquel, solo se puede utilizar para producir objetos de ese tamaño y forma. Esto significa que los troqueles personalizados podrían ser más rentables para implementaciones de fabricación de gran volumen para desarrollar productos de manera más rápida y eficiente. 

Los troqueles se clasifican en seis tipos principales: 

  • Troqueles simples, 
  • Troqueles combinados, 
  • troqueles compuestos, 
  • troqueles progresivos, 
  • Troqueles de transferencia, y 
  • Troqueles Múltiples.

Moldes de Inyección

El moldeo por inyección es un proceso de ensamblaje en el que los componentes se producen inyectando material fundido en un molde. Esencialmente, el moldeo por inyección se puede ejecutar aprovechando varios materiales, incluidos metales, vidrio, polímeros termoestables y termoplásticos.

Tradicionalmente, este proceso implica una herramienta o molde, típicamente desarrollado a partir de acero o aluminio endurecido. En la práctica, el molde se mecaniza con precisión para formar las características deseadas de la pieza. 

Luego, el material termoplástico se introduce en un barril calentado, se mezcla y se constriñe en la cavidad del molde de metal, donde se enfría y solidifica. Los moldes de inyección se clasifican principalmente en función de sus características, por ejemplo, el sistema de canales, la cantidad de placas y la capacidad de las piezas.

Herramientas de sujeción de piezas

Las herramientas de sujeción de piezas son dispositivos utilizados para sujetar las piezas de trabajo en su lugar para la aplicación de herramientas de corte. Estas herramientas incluyen abrazaderas, tornillos de banco, husillos, amarres, mandriles, accesorios.

¿Por qué es importante el utillaje?

Las herramientas son cruciales para todas las etapas del proceso de fabricación, y por una buena razón. Las herramientas eficientes y buenas garantizan errores mínimos, lo que brinda a los fabricantes garantía de calidad, productividad y rentabilidad del material.

El resultado de un herramental deficiente puede tener consecuencias, por decir lo menos. Por ejemplo, si las herramientas son deficientes, el producto final puede ser ineficaz o de bajo rendimiento. Los componentes finales generalmente deben estar dentro de tolerancias específicas y, como tal, las herramientas de mala calidad pueden provocar fallas, roturas o una rápida degradación del producto.

Las herramientas deficientes también pueden afectar la productividad, ya que la velocidad y la precisión con la que se fabrica un producto con repetibilidad en grandes volúmenes de producción depende de manera crítica de la precisión y las características de las herramientas. 

Entonces, en su mayor parte, los diseñadores de herramientas protegen a los fabricantes de múltiples maneras. Desde el capital, la velocidad de producción hasta la reducción de los dolores de asegurar el producto asegurándose de que esté listo para la máquina antes de que opere en la prensa del producto.

¿Cuánto cuesta la herramienta?

El costo de las herramientas cambia de forma variable de un proyecto a otro, ya que depende de innumerables factores. No obstante, existe el mito común de que el mecanizado es un proceso costoso y de costo prohibitivo. Sin embargo, debido a las técnicas de ingeniería actuales, el mecanizado CNC y el conformado en frío de precisión, los costos de las herramientas son moderadamente bajos en general.

Sin embargo, vale la pena señalar que el diseño de la herramienta afecta el costo de varias maneras. Para empezar, determina la vida útil de la herramienta (cuánto dura una herramienta antes de necesitar un reemplazo). En segundo lugar, influye en la calidad del producto y el costo, ya que cualquier gasto de mala calidad y reelaboraciones puede aumentar el precio total del producto final. 

En tercer lugar, el diseño de la herramienta puede afectar el tiempo de ciclo del proceso de fabricación (esto permite a los fabricantes producir más o menos unidades en un tiempo determinado). Por lo tanto, es fundamental no socavar la importancia del diseño de herramientas en la planificación de procesos.

Factores que afectan el costo de las herramientas

Garantizar herramientas de bajo costo requiere una amplia gama de factores a considerar. Por ejemplo, las tolerancias necesarias en la pieza terminada pueden influir en la configuración final y el costo de las herramientas. 

Además, la resistencia mecánica y la inflexibilidad de la herramienta pueden afectar el costo, ya que esto es esencial para garantizar la precisión, la repetibilidad y la calidad del producto. 

Por último, la resistencia de la herramienta de corte requiere una cuidadosa consideración para resistir las potencias de mecanizado, específicamente en la creación de grandes volúmenes. El cumplimiento de todos estos requisitos de diseño de herramientas puede tener un impacto variable en el costo de las herramientas.  

Dicho esto, muchos fabricantes que ofrecen servicios de herramientas ejecutan estos procesos manualmente, lo cual es un proceso que requiere mucho tiempo, lo que genera un mayor costo para los clientes. Algunos, por otra parte, explotan herramientas de software de ingeniería avanzadas.

Errores de diseño de herramientas y cómo minimizarlos

En general, los tres errores de diseño de herramientas más comunes se pueden resumir a continuación:

  •  Paredes no uniformes: en caso de que las paredes no sean uniformes, las secciones más delgadas se enfrían primero. Como resultado, pueden producirse tensiones entre los límites de las paredes delgadas y gruesas, por lo que se produce deformación y torsión de los componentes, lo que provoca grietas. En la práctica, es imperativo un espesor de pared uniforme ya que el cambio de espesor debe ser lo más gradual posible.
  • No aprovechar los giros: para procesos como el moldeo por inyección, los giros de molde facilitan la extracción de piezas del molde. Es esencial explotar siempre los ángulos de desmoldeo de manera adecuada, ya que proporcionar el mayor desmoldeo posible permitirá que las piezas se desprendan del molde sin problemas. 
  • Dejar muchas esquinas afiladas: las esquinas afiladas aumentan significativamente la fijación/concentración de la tensión, que, cuando es lo suficientemente alta, puede provocar la falla de la pieza. Las esquinas afiladas se producen en lugares no evidentes, por ejemplo, en el refuerzo de las costillas . Los radios de las esquinas afiladas deben observarse atentamente a la luz del hecho de que la concentración de tensión varía con el radio para un espesor dado.

En general, para evitar costosos errores de fabricación, los fabricantes deben trabajar en estrecha colaboración con los ingenieros y diseños de herramientas durante el proceso de preproducción y producción. Los diseñadores de herramientas también deben evaluar con cautela los diagramas y eliminar posibles defectos del plan antes de comenzar a trabajar.

Ultimas palabras

En conclusión, las herramientas afectan la naturaleza mecánica del producto terminado y pueden afectar significativamente el proceso de fabricación. 

Esto significa que el diseño de herramientas es fundamental y debe ajustarse a principios de fabricación sólidos. 

Esencialmente, el diseño efectivo de herramientas para la fabricación idealmente reduce la complejidad del diseño mientras satisface los requisitos del cliente en cuanto a precio, especificación, material y programación. Y como tal, el diseño se considera fabricable y, posteriormente, está listo para el siguiente paso de producción.

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