El entorno de fabricación actual está pasando de la producción en masa a la personalización en masa, caracterizada por lotes pequeños y una gran variedad de productos. Esta tendencia moderna contrasta con algunos procesos de fabricación como la fabricación con moldes, típicamente empleados para la producción en masa debido al largo tiempo de cambio de las máquinas de moldeo. En particular, los moldes tradicionales suelen ser especiales y caros. Se fabrican para un diseño de un solo producto y se pueden utilizar para la producción de ese producto específico. Cualquier cambio en el diseño del producto hace que el molde no sea adecuado y se debe fabricar uno nuevo. La introducción de principios de flexibilidad y reconfigurabilidad en las máquinas de moldeo es necesaria para permitir un rápido rediseño de moldes y permitir la personalización masiva de productos en las operaciones diarias.
Los procesos de moldeo flexibles y reconfigurables parecen ser una opción prometedora para lograr la sostenibilidad económica de la fabricación y representan una forma efectiva de ahorrar recursos y reducir los costos de mano de obra y el tiempo de configuración. La literatura actual propone dos soluciones principales para incluir flexibilidad y reconfigurabilidad en las máquinas de moldeo: la primera es el uso de moldes modulares adaptables y la segunda es la utilización de matrices de pasadores discretos ajustables. Desde un punto de vista gerencial, en los últimos años, algunas empresas industriales adoptaron la tecnología pin, pero la solución más utilizada por la industria es el llamado sistema de cambio rápido Master Unit Die (MUD) que permite cambios de producción rápidos para una máxima eficiencia con costos atractivos. A partir de estos antecedentes, se va a explorar la evolución de los moldes utilizados en la fabricación, desde los antiguos modelos dedicados y rígidos hasta los modernos, flexibles y reconfigurables, a través de un análisis del estado del arte tanto de la investigación académica como de las soluciones implementadas por la Industria.
La necesidad de herramientas flexibles
Los cambios actuales en la fabricación se caracterizan por una competencia agresiva a escala mundial y cambios rápidos en la tecnología de procesos. Estas tendencias requieren la creación de sistemas y herramientas de producción que sean fácilmente actualizables y reconfigurables por sí mismos y en los que se puedan integrar fácilmente nuevas tecnologías y funciones. En particular, la aparición del paradigma de la personalización en masa ha llevado a una gran demanda de flexibilidad y adaptabilidad tanto de la tecnología como de los sistemas de fabricación para lograr la sostenibilidad económica de la fabricación y superar las principales limitaciones que afectan a los procesos de fabricación tradicionales (por ejemplo, cambios elevados/tiempo de preparación y tiradas cortas de la máquina). Centrándose en la fabricación con moldes, este tipo de proceso de fabricación se emplea comúnmente para la producción en masa, ya que se caracteriza por un largo tiempo de cambio/configuración. Sin embargo, los ciclos de vida dinámicos de los productos y el aumento en el número de variantes de productos han llevado inevitablemente a una disminución en el tamaño de los lotes. Las herramientas reconfigurables parecen ser una opción prometedora para satisfacer los requisitos del mercado, ahorrar recursos y reducir los costos de mano de obra y los tiempos de configuración. El primer diseño de una herramienta de moldeo reconfigurable discreta surgió a mediados del siglo XIX. En 1892 y en los años siguientes, se patentaron varias versiones y mejoras de una prensa de formación de resortes ajustable manualmente, en respuesta a la demanda de resortes de suspensión de vehículos. Hoy en día, el diseño y fabricación de matrices y moldes sigue representando una actividad clave en toda la cadena de producción debido a que la mayoría de las piezas producidas en serie se forman mediante procesos que emplean matrices y moldes. Factores como la calidad, el costo y el tiempo de entrega afectan la sostenibilidad económica de producir una gran cantidad y variedad de componentes, por lo tanto, la implementación de sistemas de herramientas flexibles y la introducción de principios de flexibilidad y reconfigurabilidad en las máquinas de fabricación con moldes son objetivos obligatorios para considerar. El estado del arte actual propone el uso de moldes adaptables modulares y el uso de matrices de pasadores ajustables discretos para introducir flexibilidad y reconfigurabilidad en tales máquinas. En este sentido, las empresas industriales están empleando los Sistemas de Cambio Rápido MUD.
Moldes modulares y adaptables
El uso de moldes modulares y adaptables está muy extendido en el estado del arte científico. Hay una propuesta de molde caracterizado por una base fija y núcleos y cavidades removibles y reemplazables, eliminando la necesidad de proporcionar una nueva base de molde para cada producto nuevo. Al implementar esta solución, se reduce el costo del molde, así como el tiempo de inactividad de la máquina y los costos de almacenamiento, ya que solo es necesario almacenar el núcleo y las cavidades. Patentes publicadas para el diseño de máquinas de moldeo modulares para la producción de botellas de plástico incorporan insertos ajustables, que pueden adoptar diversas formas e incluyen medios para el ajuste del inserto de bloqueo. Otro modelo propuesto se caracteriza por cuñas de altura ajustable proporcionadas entre las secciones del panel superior e inferior para ajustar el volumen y la altura de las botellas de bebidas. Otra opción que se propone es introducir una máquina de moldeo que tiene un conjunto de submoldes intercambiables, cada uno de los cuales está montado de forma desmontable en cada uno de los huecos del submolde. Así mismo se presenta una máquina caracterizada por bases de molde adaptables. La capacidad de intercambiar y reconfigurar la base del molde minimiza los costos de herramientas y añade flexibilidad de diseño a la herramienta.
Otra solución se basa en un molde reconfigurable con un sistema de eyector móvil y un separador móvil asistido. Dichos sistemas se caracterizan por cuerpos de molde móviles que se pueden reposicionar automáticamente entre sí para acoplar diferentes cavidades de molde para moldear diferentes piezas. También está el diseño de un molde de precisión para el moldeo por microinyección de dispositivos microfluídicos verdaderamente tridimensionales. El molde propuesto utiliza el concepto de cavidades reemplazables para permitir el desarrollo flexible del complejo dispositivo microfluídico. El objetivo general es reducir el tiempo de mecanizado y los costes de producción. También se propone una metodología de diseño preliminar para ayudar a los diseñadores a decidir qué configuración de molde es adecuada para producir una familia de piezas moldeadas. El propósito de la metodología propuesta es definir cómo disponer los componentes del molde modular y cómo combinarlos para llevar a cabo las funciones del producto. En tal metodología, la necesidad de obtener moldes con mayor reconfigurabilidad se logra considerando los diferentes componentes del molde como herramientas potenciales para promover y/o mejorar las características de reconfigurabilidad del molde. En este estudio, la cavidad del molde se considera como el único componente reconfigurable.
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