La fabricació additiva, també coneguda com a impressió 3D, ha continuat evolucionant durant gairebé 35 anys des del seu ús comercial. Les indústries aeroespacial, automobilística, de defensa, energètica, del transport, mèdica, dental i de consum utilitzen la fabricació additiva per a una àmplia gamma d'aplicacions.
Amb una adopció tan generalitzada, és evident que la fabricació additiva no és una solució única per a tothom. Segons la norma terminològica ISO/ASTM 52900, gairebé tots els sistemes comercials de fabricació additiva es divideixen en una de les set categories de processos. Aquestes inclouen l'extrusió de materials (MEX), la fotopolimerització en bany (VPP), la fusió en llit de pols (PBF), la polvorització d'aglutinant (BJT), la polvorització de materials (MJT), la deposició d'energia dirigida (DED) i la laminació de làmines (SHL). Aquí estan ordenades per popularitat en funció de les vendes d'unitats.
Un nombre creixent de professionals de la indústria, inclosos enginyers i directius, estan aprenent quan la fabricació additiva pot ajudar a millorar un producte o procés i quan no. Històricament, les principals iniciatives per implementar la fabricació additiva han vingut d'enginyers amb experiència en la tecnologia. La direcció veu més exemples de com la fabricació additiva pot millorar la productivitat, reduir els terminis de lliurament i crear noves oportunitats de negoci. La fabricació additiva no substituirà la majoria de les formes tradicionals de fabricació, sinó que es convertirà en part de l'arsenal de desenvolupament de productes i capacitats de fabricació de l'emprenedor.
La fabricació additiva té una àmplia gamma d'aplicacions, des de la microfluídica fins a la construcció a gran escala. Els beneficis de la fabricació additiva varien segons la indústria, l'aplicació i el rendiment requerit. Les organitzacions han de tenir bones raons per implementar la fabricació additiva, independentment del cas d'ús. Les més comunes són el modelatge conceptual, la verificació del disseny i la verificació de l'adequació i la funcionalitat. Cada cop més empreses l'utilitzen per crear eines i aplicacions per a la producció en massa, inclòs el desenvolupament de productes personalitzats.
Per a les aplicacions aeroespacials, el pes és un factor important. Costa uns 10.000 dòlars posar una càrrega útil de 0,45 kg en òrbita terrestre, segons el Marshall Space Flight Center de la NASA. Reduir el pes dels satèl·lits pot estalviar costos de llançament. La imatge adjunta mostra una peça metàl·lica de fabricació additiva Swissto12 que combina diverses guies d'ones en una sola peça. Amb la fabricació additiva, el pes es redueix a menys de 0,08 kg.
La fabricació additiva s'utilitza al llarg de la cadena de valor de la indústria energètica. Per a algunes empreses, l'avantatge comercial de la fabricació additiva és iterar ràpidament els projectes per crear el millor producte possible en el menor temps possible. A la indústria del petroli i el gas, les peces o els conjunts danyats poden costar milers de dòlars o més en pèrdua de productivitat per hora. L'ús de la fabricació additiva per restaurar les operacions pot ser especialment atractiu.
Un important fabricant de sistemes DED, MX3D, ha llançat un prototip d'eina de reparació de canonades. Una canonada danyada pot costar entre 100.000 i 1.000.000 d'euros (113.157-1.131.570 dòlars) al dia, segons l'empresa. El dispositiu que es mostra a la pàgina següent utilitza una peça CNC com a marc i utilitza DED per soldar la circumferència de la canonada. La fabricació aditiva proporciona altes taxes de deposició amb un mínim de residus, mentre que el CNC proporciona la precisió necessària.
El 2021, es va instal·lar una carcassa d'aigua impresa en 3D en una plataforma petroliera de TotalEnergies al Mar del Nord. Les jaquetes d'aigua són un element crític que s'utilitza per controlar la recuperació d'hidrocarburs en pous en construcció. En aquest cas, els beneficis de l'ús de la fabricació additiva són la reducció dels terminis de lliurament i la reducció de les emissions en un 45% en comparació amb les jaquetes d'aigua forjades tradicionals.
Un altre cas de negoci per a la fabricació additiva és la reducció d'utillatge costós. Phone Scope ha desenvolupat adaptadors de digiscoping per a dispositius que connecten la càmera del telèfon a un telescopi o microscopi. Cada any es llancen telèfons nous, cosa que obliga les empreses a llançar una nova línia d'adaptadors. Mitjançant l'ús de la fabricació additiva, una empresa pot estalviar diners en eines costoses que s'han de substituir quan es llancen telèfons nous.
Com passa amb qualsevol procés o tecnologia, la fabricació additiva no s'hauria d'utilitzar, ja que es considera nova o diferent. Això és per millorar el desenvolupament de productes i/o els processos de fabricació. Hauria d'afegir valor. Exemples d'altres casos de negoci inclouen productes personalitzats i personalització massiva, funcionalitat complexa, peces integrades, menys material i pes, i un rendiment millorat.
Perquè la fabricació additiva pugui assolir el seu potencial de creixement, cal abordar els reptes. Per a la majoria d'aplicacions de fabricació, el procés ha de ser fiable i reproduïble. Els mètodes posteriors d'automatització de l'eliminació de material de peces i suports i el postprocessament ajudaran. L'automatització també augmenta la productivitat i redueix el cost per peça.
Una de les àrees de major interès és l'automatització del postprocessament, com ara l'eliminació i l'acabat de la pols. En automatitzar el procés de producció en massa d'aplicacions, la mateixa tecnologia es pot repetir milers de vegades. El problema és que els mètodes d'automatització específics poden variar segons el tipus de peça, la mida, el material i el procés. Per exemple, el postprocessament de corones dentals automatitzades és molt diferent del processament de peces de motors de coets, tot i que ambdues poden ser de metall.
Com que les peces estan optimitzades per a la fabricació aditiva (AM), sovint s'hi afegeixen funcions més avançades i canals interns. Per a la fabricació amb buidatge per pressió (PBF), l'objectiu principal és eliminar el 100% de la pols. Solukon fabrica sistemes automàtics d'eliminació de pols. L'empresa ha desenvolupat una tecnologia anomenada Smart Powder Recovery (SRP) que fa girar i vibrar les peces metàl·liques que encara estan unides a la placa de construcció. La rotació i la vibració es controlen mitjançant el model CAD de la peça. En moure i sacsejar amb precisió les peces, la pols capturada flueix gairebé com un líquid. Aquesta automatització redueix el treball manual i pot millorar la fiabilitat i la reproductibilitat de l'eliminació de pols.
Els problemes i les limitacions de l'eliminació manual de pols poden limitar la viabilitat de l'ús de la fabricació additiva per a la producció en massa, fins i tot en petites quantitats. Els sistemes d'eliminació de pols metàl·lica de Solukon poden funcionar en una atmosfera inert i recollir la pols no utilitzada per a la seva reutilització en màquines de fabricació additiva. Solukon va dur a terme una enquesta a clients i va publicar un estudi el desembre de 2021 que mostrava que les dues majors preocupacions són la salut laboral i la reproductibilitat.
L'eliminació manual de la pols de les estructures de resina PBF pot portar molt de temps. Empreses com DyeMansion i PostProcess Technologies estan construint sistemes de postprocessament per eliminar automàticament la pols. Moltes peces de fabricació additiva es poden carregar en un sistema que inverteix i expulsa el medi per eliminar l'excés de pols. HP té el seu propi sistema que es diu que elimina la pols de la cambra de construcció de la Jet Fusion 5200 en 20 minuts. El sistema emmagatzema la pols no fosa en un recipient separat per a la seva reutilització o reciclatge per a altres aplicacions.
Les empreses es poden beneficiar de l'automatització si es pot aplicar a la majoria dels passos de postprocessament. DyeMansion ofereix sistemes per a l'eliminació de pols, la preparació de superfícies i la pintura. El sistema PowerFuse S carrega les peces, vaporitza les peces llises i les descarrega. L'empresa proporciona un bastidor d'acer inoxidable per penjar peces, cosa que es fa manualment. El sistema PowerFuse S pot produir una superfície similar a un motlle d'injecció.
El repte més gran al qual s'enfronta la indústria és entendre les oportunitats reals que ofereix l'automatització. Si cal fabricar un milió de peces de polímer, els processos tradicionals de fosa o emmotllament poden ser la millor solució, tot i que això depèn de la peça. La fabricació additiva sovint està disponible per a la primera tirada de producció en la producció i les proves d'eines. Mitjançant el postprocessament automatitzat, es poden produir milers de peces de manera fiable i reproduïble mitjançant la fabricació additiva, però és específica de cada peça i pot requerir una solució personalitzada.
La fabricació additiva metàl·lica no té res a veure amb la indústria. Moltes organitzacions presenten resultats interessants de recerca i desenvolupament que poden conduir al correcte funcionament de productes i serveis. En la indústria aeroespacial, Relativity Space produeix un dels sistemes de fabricació additiva metàl·lica més grans utilitzant tecnologia DED patentada, que l'empresa espera que s'utilitzi per fabricar la majoria dels seus coets. El seu coet Terran 1 pot lliurar una càrrega útil de 1.250 kg a l'òrbita terrestre baixa. Relativity té previst llançar un coet de prova a mitjans del 2022 i ja està planificant un coet més gran i reutilitzable anomenat Terran R.
Els coets Terran 1 i R de Relativity Space són una manera innovadora de reimaginar com podrien ser els vols espacials del futur. El disseny i l'optimització per a la fabricació additiva van despertar l'interès en aquest desenvolupament. L'empresa afirma que aquest mètode redueix el nombre de peces 100 vegades en comparació amb els coets tradicionals. L'empresa també afirma que pot produir coets a partir de matèries primeres en 60 dies. Aquest és un gran exemple de combinació de moltes peces en una i simplificació considerable de la cadena de subministrament.
En la indústria dental, la fabricació additiva s'utilitza per fer corones, ponts, plantilles de perforació quirúrgica, pròtesis parcials i alineadors. Align Technology i SmileDirectClub utilitzen la impressió 3D per produir peces per a alineadors de plàstic transparent de termoformat. Align Technology, fabricant de productes de la marca Invisalign, utilitza molts dels sistemes de fotopolimerització en banys de 3D Systems. El 2021, l'empresa va dir que havia tractat més de 10 milions de pacients des que va rebre l'aprovació de la FDA el 1998. Si el tractament d'un pacient típic consisteix en 10 alineadors, que és una estimació baixa, l'empresa ha produït 100 milions o més peces de fabricació additiva. Les peces de FRP són difícils de reciclar perquè són termoestables. SmileDirectClub utilitza el sistema HP Multi Jet Fusion (MJF) per produir peces termoplàstiques que es poden reciclar per a altres aplicacions.
Històricament, el VPP no ha estat capaç de produir peces primes i transparents amb propietats de resistència per al seu ús com a aparells d'ortodòncia. El 2021, LuxCreo i Graphy van llançar una possible solució. Des del febrer, Graphy té l'aprovació de la FDA per a la impressió 3D directa d'aparells dentals. Si els imprimiu directament, el procés de principi a fi es considera més curt, més fàcil i potencialment menys costós.
Un desenvolupament primerenc que va rebre molta atenció mediàtica va ser l'ús de la impressió 3D per a aplicacions de construcció a gran escala, com ara habitatges. Sovint les parets de la casa s'imprimeixen per extrusió. Totes les altres parts de la casa es van fabricar amb mètodes i materials tradicionals, inclosos terres, sostres, teulades, escales, portes, finestres, electrodomèstics, armaris i taulells. Les parets impreses en 3D poden augmentar el cost d'instal·lació d'electricitat, il·luminació, fontaneria, conductes i ventilacions per a calefacció i aire condicionat. Acabar l'interior i l'exterior d'una paret de formigó és més difícil que amb un disseny de paret tradicional. Modernitzar una casa amb parets impreses en 3D també és una consideració important.
Investigadors del Laboratori Nacional d'Oak Ridge estudien com emmagatzemar energia en parets impreses en 3D. Inserint canonades a la paret durant la construcció, l'aigua pot fluir a través d'ella per escalfar-la i refredar-la. Aquest projecte d'R+D és interessant i innovador, però encara es troba en una fase inicial de desenvolupament. Aquest projecte d'R+D és interessant i innovador, però encara es troba en una fase inicial de desenvolupament.Aquest projecte de recerca és interessant i innovador, però encara es troba en les primeres etapes de desenvolupament.Aquest projecte de recerca és interessant i innovador, però encara es troba en les primeres etapes de desenvolupament.
La majoria de nosaltres encara no estem familiaritzats amb l'economia de la impressió 3D de peces de construcció o altres objectes grans. La tecnologia s'ha utilitzat per produir alguns ponts, tendals, bancs de parcs i elements decoratius per a edificis i l'entorn exterior. Es creu que els avantatges de la fabricació additiva a petita escala (des d'uns quants centímetres fins a diversos metres) s'apliquen a la impressió 3D a gran escala. Els principals beneficis de l'ús de la fabricació additiva inclouen la creació de formes i característiques complexes, la reducció del nombre de peces, la reducció del material i el pes i l'augment de la productivitat. Si la fabricació additiva no afegeix valor, s'hauria de qüestionar la seva utilitat.
A l'octubre de 2021, Stratasys va adquirir la participació restant del 55% a Xaar 3D, una filial del fabricant britànic d'impressores de raig de tinta industrials Xaar. La tecnologia PBF de polímer de Stratasys, anomenada Selective Absorption Fusion, es basa en els capçals d'impressió de raig de tinta Xaar. La màquina Stratasys H350 competeix amb el sistema HP MJF.
Comprar Desktop Metal va ser impressionant. El febrer de 2021, l'empresa va adquirir Envisiontec, un fabricant de sistemes de fabricació additiva industrial des de fa molt de temps. El maig de 2021, l'empresa va adquirir Adaptive3D, un desenvolupador de polímers flexibles de VPP. El juliol de 2021, Desktop Metal va adquirir Aerosint, un desenvolupador de processos de recobriment en pols multimaterial. L'adquisició més gran es va produir a l'agost, quan Desktop Metal va comprar el competidor ExOne per 575 milions de dòlars.
L'adquisició d'ExOne per part de Desktop Metal uneix dos fabricants de renom de sistemes BJT metàl·lics. En general, la tecnologia encara no ha arribat al nivell que molts creuen. Les empreses continuen abordant problemes com la repetibilitat, la fiabilitat i la comprensió de la causa arrel dels problemes a mesura que sorgeixen. Tot i això, si els problemes es resolen, encara hi ha marge perquè la tecnologia arribi a mercats més grans. El juliol de 2021, 3DEO, un proveïdor de serveis que utilitza un sistema d'impressió 3D patentat, va dir que havia enviat una milionèsima unitat als clients.
Els desenvolupadors de programari i plataformes al núvol han vist un creixement significatiu en la indústria de la fabricació additiva. Això és especialment cert per als sistemes de gestió del rendiment (MES) que fan un seguiment de la cadena de valor de la fabricació additiva. 3D Systems va acordar adquirir Oqton el setembre de 2021 per 180 milions de dòlars. Fundada el 2017, Oqton ofereix solucions basades en el núvol per millorar el flux de treball i l'eficiència de la fabricació additiva. Materialize va adquirir Link3D el novembre de 2021 per 33,5 milions de dòlars. Igual que Oqton, la plataforma al núvol de Link3D fa un seguiment del treball i simplifica el flux de treball de la fabricació additiva.
Una de les darreres adquisicions del 2021 és l'adquisició de Wohlers Associates per part d'ASTM International. Junts treballen per aprofitar la marca Wohlers per donar suport a una adopció més àmplia de la fabricació additiva a tot el món. A través del Centre d'Excel·lència en Fabricació Additiva d'ASTM, Wohlers Associates continuarà produint informes i altres publicacions de Wohlers, així com proporcionant serveis d'assessorament, anàlisi de mercat i formació.
La indústria de la fabricació additiva ha madurat i moltes indústries utilitzen la tecnologia per a una àmplia gamma d'aplicacions. Però la impressió 3D no substituirà la majoria d'altres formes de fabricació. En canvi, s'utilitza per crear nous tipus de productes i models de negoci. Les organitzacions utilitzen la fabricació additiva per reduir el pes de les peces, reduir els terminis de lliurament i els costos de les eines, i millorar la personalització i el rendiment dels productes. S'espera que la indústria de la fabricació additiva continuï la seva trajectòria de creixement amb noves empreses, productes, serveis, aplicacions i casos d'ús emergents, sovint a una velocitat vertiginosa.