Piezas de dron del prototipo a la serie, con el proceso adecuado para cada pieza

Hydroforce mecaniza las primeras piezas de dron a partir de material macizo y después pasa cada pieza al proceso que corresponde a su serie: fundición a alta presión para carcasas con aletas, pulvimetalurgia y MIM para engranajes y pestillos, mecanizado CNC para herrajes estructurales. Un solo taller, un plan de calidad y un único juego de documentos desde el primer prototipo hasta el lote de serie.

Un programa de dron atraviesa dos fases muy distintas. Mientras se desarrolla la estructura, las piezas cambian después de cada vuelo de prueba, y nadie quiere pagar un molde que se desechará el mes siguiente. Cuando el diseño queda congelado y se encarga la primera serie, la pregunta se invierte: qué piezas siguen compensando tallarse de un bloque macizo y cuáles conviene fundir o prensar para que la pieza número mil cueste menos y sea igual a la primera.

Mecanizado, fundición a presión y pulvimetalurgia trabajan en nuestro mismo taller, de modo que un fabricante de multirrotores y de drones agrícolas, de ala fija, terrestres o marinos puede empezar con nosotros en el prototipo y quedarse para la serie. Este artículo explica cómo se planifica ese paso pieza por pieza.

Etapa 1: prototipos mecanizados de material macizo

Un prototipo mecanizado no necesita utillaje. Cuando cambia el diseño, cambia el modelo CAD y la siguiente pieza sale de la máquina con la geometría nueva. Para las primeras estructuras es el argumento decisivo.

• Materiales: aleaciones de aluminio de las series 6xxx y 7xxx para brazos con alojamiento de motor integrado, placas centrales, soportes de motor, articulaciones de plegado de brazos y escuadras; titanio y aceros inoxidables 1.4301/304 y 1.4404/316 para ejes, carcasas marinas y piezas que trabajan en agua salada.
• Precisión: ±0,05 mm y ajustes IT6–IT7 en taladros y caras de montaje, con control geométrico según ISO 2768-fH, ISO 286 e ISO 1101.
• Máquinas: centros de fresado CNC Haas con un volumen de trabajo de 1270 × 660 × 635 mm y tornos DMG MORI de hasta Ø500 mm y 1000 mm de longitud.
• Inspección: la primera pieza se mide en la MMC Zeiss, y el programa verificado con ella se reutiliza en las siguientes.
• Acabado: anodizado o pintura en polvo según la especificación, de modo que un prototipo pueda volar y ensayarse con el mismo acabado que tendrá la serie.

Conviene resolver un punto ya en esta etapa. Si una carcasa se va a fundir más adelante, su prototipo mecanizado debería llevar desde el principio los ángulos de desmoldeo, los espesores de pared y los radios de acuerdo de la pieza fundida. Los resultados de ensayo de un prototipo con cajeras rectangulares y paredes gruesas no son extrapolables a una carcasa fundida de pared delgada. Revisamos el plano para el proceso de serie mientras se fabrica el prototipo, de modo que los vuelos de prueba se hagan sobre la geometría que irá a producción.

Las etapas de engranajes para actuadores servo, bombas de pulverizador y cabrestantes se tallan y rectifican según ISO 1328 para el prototipo. Una etapa cargada suele requerir calidad 7. El mismo engranaje puede prensarse y sinterizarse más adelante, pero solo cuando su módulo, anchura y perfil sean definitivos.

Etapa 2: un proceso de serie para cada pieza

Con el diseño congelado, cada pieza se estudia por separado. La tabla muestra las vías habituales en un dron o un robot terrestre. La última columna importa tanto como las demás: una pieza fundida o sinterizada sigue teniendo superficies que se acaban en máquina.

Los herrajes estructurales suelen seguir mecanizados también en serie. Un soporte de motor transmite el empuje y soporta vibraciones, es pequeño, y el aluminio 7xxx mecanizado y anodizado es el material adecuado para él. En serie mecanizamos estas piezas por lotes de unidades idénticas con una sola puesta a punto y un solo programa de MMC, lo que reduce el precio por pieza sin cambiar la pieza.

Los robots terrestres con pluma o con pala son la excepción a todo este esquema. Sus cilindros hidráulicos se fabrican bajo pedido desde una sola unidad, de modo que el cilindro del prototipo y el de serie siguen la misma ruta, con la misma prueba de presión a 1,5 veces la presión de trabajo.

Fundición a presión para carcasas: qué cambia en la serie

La carcasa con aletas es la pieza que más gana con el paso a la fundición a presión. Mecanizar las aletas de refrigeración a partir de una placa maciza lleva muchos minutos por carcasa y convierte la mayor parte de la placa en viruta. En nuestra prensa un ciclo de producción dura de 30 segundos a 2 minutos, según el tamaño de la pieza, y las aletas, los salientes de fijación y las salidas de cable se forman junto con el cuerpo en el mismo disparo.

• Paredes y peso: secciones de pared delgada de 0,5–1,5 mm, con nervios colocados donde la carcasa necesita rigidez.
• Precisión: ±0,1–0,3 mm en bruto de fundición, superficie Ra 1,6–6,3 µm.
• Calor: las aleaciones de aluminio conducen el calor a 90–160 W/m·K, de modo que la propia carcasa evacúa el calor de la electrónica de potencia.
• Utillaje: los moldes se mecanizan en nuestra sala de utillaje con acero H13 o P20 y se prueban en una prensa de producción antes de aprobar la primera pieza.
• Carcasas estancas o tratadas térmicamente: fundición a presión asistida por vacío cuando una carcasa debe mantener un sellado en una cara de junta o tratarse en solución hasta T6. Las zonas sensibles a la porosidad se comprueban por rayos X.
• Acabado: pasada CNC en las caras de acoplamiento, taladros, roscas y ranuras de junta, y después pintura en polvo, cataforesis, cromatado o anodizado según la especificación.

Las piezas pequeñas que necesitan secciones muy finas y detalle fino se funden en aleaciones de zinc en máquinas de cámara caliente. El magnesio puede tratarse para una pieza concreta.

Piezas sinterizadas y MIM: engranajes, pestillos y palancas pequeñas

Los engranajes de bombas de pulverizador, cabrestantes y servoaccionamientos son el segundo grupo que cambia de proceso en serie. Un engranaje prensado y sinterizado recibe su perfil de diente de la matriz, por lo que todos los engranajes de una misma herramienta tienen la misma geometría.

• Pulvimetalurgia (PM): compactación de hasta 800 MPa, densidad final de hasta el 97 %, tolerancia ±0,05 mm tras el sinterizado y más estrecha tras el calibrado. El polvo va a la pieza, por lo que se usa hasta un 30 % menos de material que al tallar el mismo engranaje a partir de barra. La porosidad residual amortigua las vibraciones y hace que el engranaje funcione con menos ruido.
• Moldeo por inyección de metal (MIM): para piezas pequeñas de menos de unos cincuenta gramos con taladros transversales, cajeras y contrasalidas, como bisagras de plegado, ganchos de bloqueo, retenes, microengranajes y soportes de gimbal. Entre los aceros figuran el 17-4 PH y el 316L, con paredes de hasta 0,3 mm y tolerancia de hasta ±0,02 mm. Un disparo dura de 15 a 45 segundos.

El sinterizado compensa a partir de miles de piezas, porque necesita una herramienta de compactación o de MIM. Por debajo de esa cantidad, el engranaje se sigue tallando. Muchos accionamientos combinan ambas vías: engranajes sinterizados en las etapas rápidas y poco cargadas, y un engranaje mecanizado en la etapa de salida cargada, todo de un solo proveedor y bajo un único sistema de calidad.

El tratamiento térmico sigue lo indicado en el plano: temple total y revenido, cementación o nitruración, y tratamiento de solución más envejecimiento para el 17-4 PH. Los taladros y asientos de rodamiento que exigen un ajuste más estrecho se calibran o se mecanizan después del sinterizado.

Cómo se gestiona el cambio de proceso

Pasar una pieza de la fresadora a un molde o a una herramienta de prensado es el punto en el que una serie puede torcerse. Lo planificamos del mismo modo para cada pieza con utillaje.

1. Revisión del plano antes del utillaje. Los ángulos de desmoldeo, el plano de partición, la posición de las entradas y los rebosaderos y la sobremedida para el mecanizado se acuerdan antes de fabricar la matriz o el molde. Los alojamientos de rodamiento y las caras de estanqueidad se marcan como zonas donde no se acepta porosidad. En una pieza MIM, la revisión abarca además el espesor de pared uniforme, las referencias para los taladros de giro y de fijación, las grandes superficies planas que pueden alabearse durante el sinterizado y una posición de la entrada alejada de las superficies funcionales; la cavidad del molde se hace aproximadamente 1,18 veces mayor que la pieza final para compensar la contracción.
2. Prueba del utillaje y primera pieza. Los primeros disparos o los primeros prensados se miden por completo, cada cota del plano, y se comparan con el modelo CAD y con el prototipo aprobado.
3. Plan de control. Las características críticas y las frecuencias de comprobación se fijan antes de liberar la serie. A petición compartimos el plan y acordamos ensayos con testigo o inspección por un tercero.
4. La misma base para los pedidos repetidos. Se conservan los planos del utillaje, los parámetros del proceso y los programas de sinterizado, de modo que un pedido repetido se fabrica sobre la misma base que la primera pieza.

Los documentos no cambian con la cantidad. Un prototipo y un lote de serie salen con el mismo certificado de material, el mismo informe dimensional y el mismo registro de recubrimiento.

Qué debe enviarnos

Para presupuestar ambas etapas a la vez, necesitamos:

• el modelo 3D o el plano de cada pieza, con el material y el acabado;
• la cantidad de prototipos y la cantidad anual prevista de la serie;
• las superficies que soportan carga, sellan o posicionan otras piezas;
• el entorno en el que trabaja el dron: polvo, productos químicos de pulverización, agua salada o rango de temperaturas.

Respondemos con el precio del prototipo mecanizado, una vía de serie recomendada para cada pieza, y el precio del utillaje y de la pieza para esa vía. Envíe sus archivos a office@hydroforce.ee o utilice la página de contacto.

Vea también: carcasas de aluminio fundidas a presión para iluminación LED, engranajes sinterizados por pulvimetalurgia y MIM, planificación de la calidad por tecnología. Páginas de tecnología: mecanizado CNC, fundición a presión, pulvimetalurgia y MIM, cilindros hidráulicos. Página del sector: Drones y sistemas no tripulados.