Guía para el diseño de herramientas: Fundamentos, tipos y objetivos
Explore con nosotros el diseño de herramientas de fabricación, desde las herramientas de corte hasta métodos avanzados como CAD/CAM. Conozca la planificación, la precisión y los distintos tipos de herramientas, incluidas las asistidas por ordenador, las rápidas y las compuestas.
Descubra los objetivos del diseño de utillajes: ahorro de costes, entregas rápidas, diseños fáciles de usar y mucho más. Destacamos la importancia del diseño de herramientas para optimizar la fabricación mediante el diseño para la fabricación (DFM) y garantizar la seguridad de los trabajadores.
Deje que esta guía le proporcione toda la información que necesita sobre Diseños de herramientas!
Breve definición
Por utillaje se entienden los diversos accesorios y equipos utilizados en los procesos de fabricación, como herramientas de corte, troqueles, moldes de inyeccióndispositivos de sujeción del trabajo, etc.
Forma parte integrante de cualquier operación que fabrique productos a partir de distintos componentes o materias primas.
El diseño de herramientas va más allá de la forma y el ajuste; ofrece una solución para necesidades especializadas como tolerancias y control de precisión, esperanza de vida de la herramienta para volúmenes de producción a lo largo del tiempo, características de seguridad sanitaria, etc.
Todos estos factores son consideraciones esenciales a la hora de diseñar herramientas eficaces que utilicen materiales específicos en su entorno durante las operaciones de producción.
¿Qué es el diseño de utillaje en la industria manufacturera?
El diseño de herramientas en la industria manufacturera utiliza tecnología avanzada como los sistemas CAD/CAM y el tratamiento térmico para crear herramientas para diversas tareas.
Esta área de ingeniería especializada implica el análisis de variables de producción teniendo en cuenta el diseño práctico, la gestión de costes, la experiencia de la mano de obra y la eficiencia.
El diseño de herramientas tiene como objetivo ayudar a los fabricantes a reducir los costes de los productos garantizando que las herramientas estén correctamente diseñadas y sean adecuadas para su finalidad prevista.
El control de la fuerza es un aspecto clave, que se consigue mediante una calibración e inspección adecuadas, garantizando el funcionamiento óptimo de las máquinas en cualquier condición de producción.
Tratamiento térmico es vital, ya que ofrece ventajas como el aumento de la dureza, la mejora de la estabilidad dimensional y el aumento de la vida útil a la fatiga o las propiedades de elongación. Esto la convierte en una herramienta inestimable para crear componentes con características óptimas para la fabricación.
¿Cuáles son los fundamentos del diseño de utillajes?
El diseño de herramientas se guía por consideraciones fundamentales como la planificación previa, la selección del material adecuado, la precisión y exactitud de la producción, el tiempo de cambio de herramientas, así como la durabilidad y el volumen.
Obtenga más información sobre cómo aplicar estos conceptos en sus operaciones de mecanizado.
Planificar con antelación
Planificar con antelación implica fijar objetivos claros, elegir materiales y determinar las necesidades de precisión, el volumen de producción y la durabilidad.
Una buena planificación ahorra tiempo y dinero, garantiza la toma de decisiones a tiempo, satisface las expectativas del cliente y mejora la experiencia del usuario.
También ayuda a coordinar eficazmente las tareas de fabricación, desde los planos CAD hasta los servicios de fabricación.
Seleccionar el material adecuado
Tenga en cuenta factores como la resistencia estructural, la resistencia a la temperatura y la protección contra la corrosión para adecuar los materiales a las necesidades técnicas.
El volumen de producción, la durabilidad, el coste y las consideraciones ergonómicas, incluidos los materiales antivibración para reducir la fatiga del usuario, también son vitales a la hora de seleccionar los materiales para los proyectos de utillaje.
Tolerancia y precisión
A la hora de diseñar herramientas, es importante tener medidas precisas y permitir cierta variación.
Hay que saber exactamente la precisión, la calidad de la superficie, la resistencia de las herramientas de corte y la exactitud de las formas.
Incluso pequeñas diferencias dentro de estas medidas establecidas pueden afectar seriamente a la calidad y precisión del producto final.
Es esencial que los planos de ingeniería coincidan y que las distintas máquinas utilizadas en la fabricación tengan niveles similares de precisión.
Elegir los materiales adecuados para las herramientas también es muy importante: mantiene la coherencia durante la producción y ayuda a ahorrar dinero.
Tiempo de cambio de herramienta
El tiempo de cambio de herramientas es vital en la fabricación, ya que implica el movimiento de herramientas entre operaciones. Una planificación eficaz minimiza el tiempo de inactividad, aumenta la eficiencia y reduce los costes.
Factores como la calidad del material, el tamaño de la herramienta y las tareas afectan a la frecuencia de los cambios, pero el objetivo es un cambio rápido. El mantenimiento regular prolonga la vida útil de la herramienta, reduciendo los costes de mano de obra derivados de las sustituciones frecuentes.
Los materiales de alta calidad, como el acero duro, duran más, lo que permite tomar medidas como el reafilado y el calibrado para minimizar los tiempos de inactividad y los costes.
La experiencia de los ingenieros en el diseño ayuda a reducir los tiempos de preparación teniendo en cuenta el tamaño, las tolerancias y los requisitos de precisión en función de los escenarios de uso y las fuerzas aplicadas.
Volumen de producción y durabilidad
La eficacia y la durabilidad del diseño de las herramientas influyen considerablemente en el volumen de producción en la fabricación.
Dar prioridad a la productividad y la durabilidad conduce a resultados más sostenibles. Los diseñadores de herramientas deben elegir materiales duraderos y comprender la influencia de las tolerancias ideales en el rendimiento de las herramientas a lo largo del tiempo.
Un mayor gasto de capital inicial para niveles de tolerancia reducidos se traduce en herramientas más duraderas, que mejoran la eficacia durante periodos prolongados, a diferencia de las tolerancias holgadas que se desgastan más rápido, lo que conlleva un mantenimiento frecuente y la pérdida de precisión antes de lo previsto.
Vida útil y mantenimiento de las herramientas
El diseño de una herramienta, como las de corte o moldeo por inyección, influye en gran medida en su vida útil. Un mantenimiento regular, como el afilado o la sustitución de piezas desgastadas, ayuda a prolongar la longevidad de la herramienta.
La elección de materiales duraderos, como el acero tratado térmicamente, en la industria del automóvil minimiza la necesidad de mantenimiento frecuente y garantiza un rendimiento óptimo a lo largo del tiempo.
Tratamiento térmico
El tratamiento térmico es un proceso diseñado para manipular las propiedades físicas del metal, normalmente acero para herramientas, mediante calentamiento y enfriamiento.
El tratamiento térmico permite obtener las características deseadas para determinadas operaciones en la industria manufacturera.
Las diferentes técnicas incluyen el recocido, la cementación en caja, el refuerzo por precipitación, el revenido y el carburizado.
Consideraciones económicas
El diseño de herramientas influye significativamente en los costes de fabricación y en la calidad del producto final. Una estimación precisa es crucial para crear herramientas rentables sin comprometer la calidad ni la precisión.
Factores como el volumen de producción, la durabilidad, el tiempo de tratamiento térmico y la elección de los materiales repercuten en el coste total, lo que subraya la importancia de tenerlo muy en cuenta a la hora de crear herramientas de fabricación.
Salud y seguridad
Centrarse en el diseño ergonómico de las herramientas manuales es crucial para reducir la incomodidad del usuario y evitar lesiones. Incorporar principios de salud y seguridad desde el principio ayuda a minimizar la necesidad de reequipamientos o equipos de protección adicionales.
Cuando se utilizan herramientas manuales, es importante seguir los procedimientos generales de seguridad, como mantener una postura de trabajo cómoda, utilizar los agarres adecuados y evitar actividades enérgicas que puedan causar tensiones en el cuerpo.
Las herramientas eléctricas portátiles deben tener siempre protecciones para proteger a los usuarios de los residuos y otros peligros.
Algunas fábricas utilizan wearables de diagnóstico o sensores en los uniformes de los empleados para controlar los cambios de temperatura durante el trabajo manual, lo que ayuda a medir los niveles de fatiga. Esto permite tomar medidas preventivas a tiempo si es necesario.
Una plantilla sana aumenta la productividad, reduce los residuos y ahorra costes a largo plazo. Invertir en salud y seguridad no sólo es imperativo, sino también económicamente sensato.
Tipos típicos de herramientas
Existen múltiples tipos de utillaje para diversas aplicaciones, desde herramientas de corte, matrices y moldes de inyección hasta utillaje de sujeción de piezas.
Explore estas opciones y tome la mejor decisión para sus necesidades.
Herramientas de corte
Las herramientas de corte transforman las materias primas en diversos productos. Las hay de distintos tipos, como las de torno para metal y las de carpintería, como sierras, cinceles y cepillos para madera.
Su geometría define sus funciones: brocas para agujeros, fresas de refrentar para superficies planas, fresas para contornos, etc.
La elección del material también importa: diamante/CBN para metales duros, carburo para sustancias no metálicas y acero rápido (HSS) para la rentabilidad.
Troqueles
Las matrices son herramientas especializadas cruciales para la producción en serie, que difieren de las herramientas generales en sus procesos de fabricación.
Aunque a menudo se utilizan indistintamente, "herramienta" implica un mecanizado directo, mientras que "troquel" requiere un acabado de precisión.
Sus diversos tipos responden a distintas funciones: Las matrices de estampación producen artículos que van desde pequeñas joyas hasta grandes paneles de automóviles, mientras que las matrices de chapa metálica dan forma a piezas intrincadas a partir de materiales finos.
Las matrices progresivas manejan múltiples pasos en una sola herramienta, las matrices de corte ciego cortan sin exceso de material y las matrices de perforación crean ranuras u orificios consistentes.
Herramientas para moldes de inyección
Las herramientas para moldes de inyección se utilizan para fabricar piezas de plástico. Están fabricadas en acero duradero para mayor eficacia, e incorporan pasadores guía para reducir el desgaste.
Elegir el grado de acero adecuado es crucial para equilibrar resistencia y dureza.
Mientras que el mecanizado CNC garantiza la precisión para la creación de prototipos de automóviles, el uso de materiales más blandos es mejor para la producción de grandes volúmenes a fin de evitar la fragilidad y los posibles daños, por lo que se necesitan materiales resistentes al desgaste.
Herramientas de trabajo
Las herramientas de sujeción sujetan, posicionan y apoyan las piezas durante las operaciones, mejorando la precisión y la eficacia del corte.
Se presentan en diversas formas, como plantillas, abrazaderas, fijaciones, portaherramientas y sistemas especializados.
La elección de la herramienta adecuada depende de su función específica, como posicionar piezas de trabajo, soportar herramientas de corte, conectar máquinas, facilitar la multitarea o permitir el cambio rápido de piezas.
Herramientas de fijación
Las herramientas de fijación ayudan a posicionar y sujetar con seguridad las piezas de trabajo durante los procesos de corte.
Garantizan la precisión, reducen las repeticiones, ahorran tiempo y evitan errores. Las plantillas guían a las fresas, mientras que las fijaciones colocan con precisión las herramientas o los materiales.
Las fijaciones suelen ayudar a las piezas a pasar por las herramientas de corte, optimizando los tiempos de preparación y aumentando los índices de producción mediante un mecanizado preciso.
Herramientas de calibración e inspección
Las herramientas de calibrado e inspección se utilizan para medir con precisión las piezas de metalurgia, garantizando productos de alta calidad.
Instrumentos como galgas, galgas de espesores y galgas neumáticas garantizan la precisión dimensional.
Herramientas avanzadas como los calibradores Vernier y los micrómetros responden a la necesidad de precisión excepcional de la construcción naval.
La calibración de las máquinas herramienta evita los tiempos de inactividad por avería de los equipos, mientras que las inspecciones rutinarias detectan los defectos a tiempo, manteniendo una calidad de producción constante.
Herramientas asistidas por ordenador
Las herramientas asistidas por ordenador, como los programas CAD y CAE, permiten a los ingenieros crear, modificar, analizar y optimizar diseños para diversos procesos de fabricación.
CAD produce diseños 2D/3D utilizables en producción o para patentes. CAE ofrece funciones añadidas como el análisis de ingeniería, la optimización del diseño, el modelado, la creación de prototipos y es compatible con el mecanizado CNC para la fabricación de alta precisión en todos los sectores.
Herramientas rápidas
Las herramientas rápidas están especializadas en la producción rápida de piezas, ideales para prototipos o productos reales.
Son más rápidos que los métodos tradicionales, lo que beneficia a la industria manufacturera al garantizar la calidad a la vez que se cumplen plazos rápidos.
Hay dos tipos: directos (producen piezas utilizables mediante impresión 3D o mecanizado CNC) e indirectos (necesitan procesos de acabado como el tratamiento térmico).
Ofrecen una rápida adaptación de los diseños existentes y facilitan una iteración eficaz de los modelos de producto mediante programas informáticos de fácil manejo.
Herramientas compuestas
Las herramientas de materiales compuestos, fabricadas con materiales como el polímero reforzado con fibra de carbono (CFRP) o el plástico reforzado con fibra de vidrio (GFRP), ofrecen resistencia y ligereza en comparación con las herramientas metálicas tradicionales.
Se prefieren por su rentabilidad, facilidad de uso y rapidez de producción.
En concreto, el utillaje para composites de modelado por deposición fundida (FDM) permite una producción rápida con alta resistencia a la tracción, mejorando la precisión para la fabricación de piezas complejas.
Objetivos del diseño de utillaje
Siga leyendo para saber más sobre el diseño de herramientas y descubrir sus objetivos.
Ahorro de costes
El diseño de las herramientas tiene un gran impacto en el coste del producto. Las medidas de ahorro en este ámbito afectan significativamente a la cuenta de resultados de una empresa de fabricación.
La adquisición inteligente de materiales, la integración de recursos y una planificación eficaz son algunas de las formas de reducir los costes de diseño de herramientas.
Gestionar los gastos implica analizar los recursos, coordinar las actividades, minimizar el despilfarro y controlar los presupuestos para garantizar beneficios financieros a corto y largo plazo.
Entregas rápidas
La entrega a tiempo es esencial en la fabricación. Significa hacer las cosas a tiempo, cumplir las normas de calidad y controlar los costes.
En un mundo digital, los plazos de entrega rápidos suponen una ventaja al reducir los tiempos de espera de los clientes, aumentar la eficiencia y utilizar herramientas como los sistemas de gestión de proyectos para establecer plazos claros y abordar posibles problemas con antelación.
Herramientas como Zeplin ayudan a los diseñadores y desarrolladores de interfaces de usuario a comunicarse mejor, garantizando un progreso más fluido del proyecto.
Fácil de usar
Facilitar el uso de las herramientas es importante para el éxito de las soluciones de fabricación, especialmente para los ingenieros que las diseñan.
Los diseños sencillos con colores claros y destacados ayudan a los usuarios a encontrar rápidamente lo que necesitan. La facilidad de navegación en sitios web o software hace más atractiva una marca o un producto.
La carga lenta y las instrucciones poco claras ahuyentan a los usuarios. Probar las herramientas durante la producción mediante simulaciones como Usabilla y escenarios de diseño garantiza su facilidad de uso y su flexibilidad.
Las funciones de arrastrar y soltar simplifican las tareas complejas a los creadores. Los paneles de acceso rápido ayudan a los usuarios a obtener resultados rápidos y navegar con facilidad, ahorrando tiempo en el espacio digital.
Coordinación
La coordinación es vital en el diseño de herramientas, ya que garantiza que los proyectos terminen a tiempo y con trabajo en equipo. Significa organizar recursos y actividades en beneficio de todos.
Una buena comunicación en equipo ayuda a cumplir los objetivos, gestionar las tareas sin problemas y crear calendarios razonables. Planificar con antelación aclara las funciones y expectativas, evitando errores por malentendidos.
Los coordinadores BIM (Building Information Model), por ejemplo, gestionan la información de proyectos como la impresión 3D o el mecanizado, garantizando un desarrollo fluido hacia el objetivo final.
Los equipos bien coordinados mejoran la eficacia y dan lugar a mejores productos y servicios, ahorrando tiempo, esfuerzo y costes en los procesos de construcción.
Mejorar la productividad
Para mejorar el diseño y la productividad de las herramientas, hay que comprender principios fundamentales como la planificación, la selección de materiales y la consideración de factores como el volumen de producción y la durabilidad.
Las plataformas CAD revolucionan el proceso de diseño al aumentar la eficacia de los diseñadores y agilizar las operaciones.
El Design Productivity Blueprint desempeña un papel fundamental en la mejora de la eficiencia de la fabricación, ya que dirige los recursos hacia tareas de alto valor, lo que se traduce en una mejora de la productividad y el rendimiento.
Mantener la calidad
La eficacia y la calidad de la fabricación dependen en gran medida de herramientas bien diseñadas que se ajusten con precisión a las especificaciones del producto.
Los defectos de diseño de estas herramientas pueden aumentar los costes, retrasar la producción y reducir la calidad de las piezas.
Planifique la selección de herramientas con antelación, tenga en cuenta los tipos de material, las tolerancias, el tratamiento térmico, los procesos de creación rápida, la vida útil de las herramientas, la productividad y la seguridad para mantener una calidad constante durante toda la producción.
Proceso general de diseño de herramientas
El éxito de los proyectos depende de la resolución de problemas y de una atención meticulosa a los detalles en todo el ciclo de producción. Tenga en cuenta los materiales, las tolerancias, la geometría, la potencia necesaria para el mecanizado, los parámetros de acabado superficial, etc.
El diseño de herramientas implica varios pasos clave:
- Comprender el problema o la necesidad que debe abordar la herramienta.
- Generar ideas y conceptos para la funcionalidad, apariencia y usabilidad de la herramienta.
- Creación de bocetos detallados, diagramas o modelos digitales mediante software CAD (diseño asistido por ordenador).
- Construir un prototipo físico o una representación digital para probar la funcionalidad de la herramienta e introducir mejoras.
- Evaluar el rendimiento del prototipo, recabar opiniones y perfeccionar el diseño en función de los resultados de las pruebas.
- Finalizar el diseño, seleccionar los materiales y preparar la producción en serie, si procede.
- Fabricación de la herramienta mediante técnicas adecuadas (por ejemplo, mecanizado, fundición, moldeo por inyección).
- Garantizar que cada herramienta cumple las normas de calidad mediante inspecciones y pruebas.
- Empaquetar, distribuir y poner la herramienta a disposición de los usuarios previstos.
Además, siguiendo unas sencillas reglas durante la creación de prototipos se consigue un excelente rendimiento metal sobre metal (MOT) con un bajo consumo de energía.
Esta coherencia cumple los compromisos de competitividad del mercado al tiempo que presta servicios remotos de primera categoría desde una única ubicación, ofreciendo una experiencia excepcional con unos costes significativamente reducidos a lo largo del tiempo.
¿Por qué es importante el diseño de herramientas en el proceso de fabricación?
El diseño de herramientas es importante en la fabricación, ya que optimiza los procesos mediante el diseño para la fabricación (DFM), garantizando la eficacia de la ingeniería, el montaje, las consideraciones de costes y el mantenimiento de la calidad.
Evita problemas como el impacto de las vibraciones, garantiza la seguridad de los trabajadores y minimiza los retrasos debidos a los cambios de material al centrarse en la precisión de las dimensiones y la selección de materiales por adelantado.
En última instancia, permite a los fabricantes alcanzar el éxito racionalizando las operaciones y controlando los costes.
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Conclusión
En resumen, esta guía destaca el importante papel que desempeñan las herramientas bien diseñadas en la optimización de los procesos de fabricación. Abarca consideraciones clave como la planificación, la selección de materiales, la precisión y el mantenimiento para crear herramientas rentables que mejoren la eficiencia.
En esta guía se analizan varios tipos de herramientas y se esbozan los objetivos del diseño de herramientas, como el ahorro de costes y la facilidad de uso. También explica el proceso general de diseño de herramientas y subraya la importancia del diseño de herramientas para el éxito de la fabricación.
