La fabricación aditiva, también conocida como impresión 3D, ha seguido evolucionando durante casi 35 años desde su uso comercial. Las industrias aeroespacial, automotriz, de defensa, energética, de transporte, médica, dental y de consumo utilizan la fabricación aditiva para una amplia gama de aplicaciones.
Con una adopción tan generalizada, es evidente que la fabricación aditiva no es una solución universal. Según la norma de terminología ISO/ASTM 52900, casi todos los sistemas comerciales de fabricación aditiva se clasifican en una de siete categorías de procesos. Estas incluyen la extrusión de material (MEX), la fotopolimerización en baño (VPP), la fusión de lecho de polvo (PBF), la pulverización de aglutinante (BJT), la pulverización de material (MJT), la deposición de energía dirigida (DED) y la laminación de láminas (SHL). A continuación, se clasifican por popularidad según las unidades vendidas.
Un número creciente de profesionales de la industria, incluyendo ingenieros y gerentes, están aprendiendo cuándo la fabricación aditiva puede ayudar a mejorar un producto o proceso y cuándo no. Históricamente, las principales iniciativas para implementar la fabricación aditiva han surgido de ingenieros con experiencia en la tecnología. La gerencia ve cada vez más ejemplos de cómo la fabricación aditiva puede mejorar la productividad, reducir los plazos de entrega y crear nuevas oportunidades de negocio. La fabricación aditiva no reemplazará la mayoría de las formas tradicionales de fabricación, sino que se convertirá en parte del arsenal de capacidades de desarrollo y fabricación de productos del emprendedor.
La fabricación aditiva tiene una amplia gama de aplicaciones, desde la microfluídica hasta la construcción a gran escala. Los beneficios de la fabricación aditiva varían según la industria, la aplicación y el rendimiento requerido. Las organizaciones deben tener buenas razones para implementar la fabricación aditiva, independientemente del caso de uso. Las más comunes son el modelado conceptual, la verificación del diseño y la verificación de idoneidad y funcionalidad. Cada vez más empresas la utilizan para crear herramientas y aplicaciones para la producción en masa, incluyendo el desarrollo de productos a medida.
Para aplicaciones aeroespaciales, el peso es un factor clave. Según el Centro Marshall para Vuelos Espaciales de la NASA, poner una carga útil de 0,45 kg en órbita terrestre cuesta unos 10.000 dólares. Reducir el peso de los satélites puede ahorrar en costos de lanzamiento. La imagen adjunta muestra una pieza metálica de AM Swissto12 que combina varias guías de onda en una sola pieza. Con la AM, el peso se reduce a menos de 0,08 kg.
La fabricación aditiva se utiliza en toda la cadena de valor de la industria energética. Para algunas empresas, la justificación comercial del uso de la fabricación aditiva (FA) reside en la rápida iteración de proyectos para crear el mejor producto posible en el menor tiempo posible. En la industria del petróleo y el gas, las piezas o conjuntos dañados pueden costar miles de dólares o más en pérdida de productividad por hora. El uso de la FA para restablecer las operaciones puede ser especialmente atractivo.
MX3D, un importante fabricante de sistemas DED, ha lanzado un prototipo de herramienta para la reparación de tuberías. Según la empresa, una tubería dañada puede costar entre 100.000 y 1.000.000 de euros al día (113.157-1.131.570 dólares). El accesorio que se muestra en la página siguiente utiliza una pieza CNC como marco y utiliza DED para soldar la circunferencia de la tubería. La fabricación aditiva (AM) proporciona altas tasas de deposición con un mínimo de desperdicio, mientras que el CNC proporciona la precisión necesaria.
En 2021, se instaló una camisa de agua impresa en 3D en una plataforma petrolífera de TotalEnergies en el Mar del Norte. Las camisas de agua son un elemento crucial para controlar la recuperación de hidrocarburos en pozos en construcción. En este caso, las ventajas de la fabricación aditiva son la reducción de los plazos de entrega y de las emisiones en un 45 % en comparación con las camisas de agua forjadas tradicionales.
Otro argumento comercial a favor de la fabricación aditiva es la reducción del coste de las herramientas. Phone Scope ha desarrollado adaptadores de digiscoping para dispositivos que conectan la cámara del teléfono a un telescopio o microscopio. Cada año se lanzan nuevos teléfonos, lo que obliga a las empresas a lanzar una nueva línea de adaptadores. Mediante la fabricación aditiva, una empresa puede ahorrar dinero en herramientas costosas que deben reemplazarse cuando se lanzan nuevos teléfonos.
Como ocurre con cualquier proceso o tecnología, la fabricación aditiva no debe utilizarse por considerarse nueva o diferente. Su objetivo es mejorar el desarrollo de productos o los procesos de fabricación. Debe aportar valor. Otros ejemplos de casos de negocio incluyen productos personalizados y personalización masiva, funcionalidad compleja, piezas integradas, menor material y peso, y un mejor rendimiento.
Para que la fabricación aditiva alcance su potencial de crecimiento, es necesario abordar los desafíos. Para la mayoría de las aplicaciones de fabricación, el proceso debe ser fiable y reproducible. Los métodos posteriores de automatización de la eliminación de material de piezas y soportes, así como el posprocesamiento, serán de gran ayuda. La automatización también aumenta la productividad y reduce el coste por pieza.
Una de las áreas de mayor interés es la automatización del posprocesamiento, como la eliminación de polvo y el acabado. Al automatizar el proceso de producción en masa de aplicaciones, la misma tecnología puede repetirse miles de veces. El problema radica en que los métodos de automatización específicos pueden variar según el tipo de pieza, el tamaño, el material y el proceso. Por ejemplo, el posprocesamiento de coronas dentales automatizadas es muy diferente del procesamiento de piezas de motores de cohetes, aunque ambos pueden estar hechos de metal.
Dado que las piezas están optimizadas para la fabricación aditiva (FA), a menudo se añaden funciones más avanzadas y canales internos. En el caso de la fabricación aditiva (PFB), el objetivo principal es eliminar el 100 % del polvo. Solukon fabrica sistemas automáticos de eliminación de polvo. La empresa ha desarrollado una tecnología llamada Recuperación Inteligente de Polvo (SRP) que rota y vibra las piezas metálicas que aún están adheridas a la placa de impresión. La rotación y la vibración se controlan mediante el modelo CAD de la pieza. Al mover y agitar las piezas con precisión, el polvo capturado fluye casi como un líquido. Esta automatización reduce el trabajo manual y puede mejorar la fiabilidad y la reproducibilidad de la eliminación de polvo.
Los problemas y limitaciones de la eliminación manual de polvo pueden limitar la viabilidad del uso de la fabricación aditiva (FA) para la producción en masa, incluso en pequeñas cantidades. Los sistemas de eliminación de polvo metálico de Solukon pueden operar en atmósfera inerte y recolectar el polvo no utilizado para su reutilización en máquinas de FA. Solukon realizó una encuesta a sus clientes y publicó un estudio en diciembre de 2021 que muestra que las dos principales preocupaciones son la salud laboral y la reproducibilidad.
La extracción manual del polvo de las estructuras de resina PBF puede requerir mucho tiempo. Empresas como DyeMansion y PostProcess Technologies están desarrollando sistemas de posprocesamiento para la extracción automática del polvo. Muchas piezas de fabricación aditiva pueden cargarse en un sistema que invierte y expulsa el material para eliminar el exceso de polvo. HP cuenta con su propio sistema que, según se afirma, elimina el polvo de la cámara de impresión de la Jet Fusion 5200 en 20 minutos. El sistema almacena el polvo no fundido en un contenedor independiente para su reutilización o reciclaje en otras aplicaciones.
Las empresas pueden beneficiarse de la automatización si esta se aplica a la mayoría de los pasos de posprocesamiento. DyeMansion ofrece sistemas para la eliminación de polvo, la preparación de superficies y el pintado. El sistema PowerFuse S carga las piezas, vaporiza las piezas lisas y las descarga. La empresa proporciona un soporte de acero inoxidable para colgar las piezas, lo cual se realiza manualmente. El sistema PowerFuse S puede producir una superficie similar a la de un molde de inyección.
El mayor reto al que se enfrenta la industria es comprender las oportunidades reales que ofrece la automatización. Si se necesita fabricar un millón de piezas de polímero, los procesos tradicionales de fundición o moldeo pueden ser la mejor solución, aunque esto depende de la pieza. La fabricación aditiva (FA) suele estar disponible para la primera tirada de producción en la producción y prueba de herramientas. Mediante el posprocesamiento automatizado, se pueden producir miles de piezas de forma fiable y reproducible mediante FA, pero es específica para cada pieza y puede requerir una solución a medida.
La fabricación aditiva (FA) no tiene nada que ver con la industria. Muchas organizaciones presentan resultados interesantes de investigación y desarrollo que pueden contribuir al correcto funcionamiento de productos y servicios. En la industria aeroespacial, Relativity Space produce uno de los sistemas de fabricación aditiva de metal más grandes utilizando tecnología DED patentada, que la compañía espera utilizar para fabricar la mayoría de sus cohetes. Su cohete Terran 1 puede transportar una carga útil de 1250 kg a la órbita baja terrestre. Relativity planea lanzar un cohete de prueba a mediados de 2022 y ya está planeando un cohete reutilizable más grande llamado Terran R.
Los cohetes Terran 1 y R de Relativity Space son una forma innovadora de reimaginar los vuelos espaciales del futuro. El diseño y la optimización para la fabricación aditiva despertaron el interés en este desarrollo. La compañía afirma que este método reduce el número de piezas 100 veces en comparación con los cohetes tradicionales. También afirma que puede producir cohetes a partir de materias primas en 60 días. Este es un excelente ejemplo de cómo combinar muchas piezas en una sola y simplificar enormemente la cadena de suministro.
En la industria dental, la fabricación aditiva se utiliza para fabricar coronas, puentes, plantillas de perforación quirúrgica, prótesis parciales y alineadores. Align Technology y SmileDirectClub utilizan la impresión 3D para producir piezas para el termoformado de alineadores de plástico transparente. Align Technology, fabricante de los productos de la marca Invisalign, utiliza muchos de los sistemas de fotopolimerización en los baños de 3D Systems. En 2021, la empresa afirmó haber tratado a más de 10 millones de pacientes desde que recibió la aprobación de la FDA en 1998. Si el tratamiento típico de un paciente consiste en 10 alineadores, una estimación baja, la empresa ha producido 100 millones o más de piezas de fabricación aditiva. Las piezas de FRP son difíciles de reciclar debido a su termoendurecimiento. SmileDirectClub utiliza el sistema HP Multi Jet Fusion (MJF) para producir piezas termoplásticas que pueden reciclarse para otras aplicaciones.
Históricamente, el VPP no ha podido producir piezas delgadas, transparentes y resistentes para su uso como aparatos de ortodoncia. En 2021, LuxCreo y Graphy lanzaron una posible solución. Desde febrero, Graphy cuenta con la aprobación de la FDA para la impresión 3D directa de aparatos dentales. Si se imprimen directamente, el proceso completo se considera más corto, sencillo y potencialmente más económico.
Un desarrollo temprano que recibió mucha atención mediática fue el uso de la impresión 3D para aplicaciones de construcción a gran escala, como viviendas. A menudo, las paredes de la casa se imprimen por extrusión. Todas las demás partes de la casa se fabricaron con métodos y materiales tradicionales, incluyendo pisos, techos, escaleras, puertas, ventanas, electrodomésticos, gabinetes y encimeras. Las paredes impresas en 3D pueden aumentar el costo de la instalación de electricidad, iluminación, plomería, conductos y rejillas de ventilación para calefacción y aire acondicionado. El acabado interior y exterior de una pared de concreto es más difícil que con un diseño de pared tradicional. Modernizar una casa con paredes impresas en 3D también es un factor importante.
Investigadores del Laboratorio Nacional de Oak Ridge estudian cómo almacenar energía en paredes impresas en 3D. Al insertar tuberías en la pared durante la construcción, el agua puede circular para calefacción y refrigeración. Este proyecto de I+D es interesante e innovador, pero todavía está en una fase inicial de desarrollo. Este proyecto de I+D es interesante e innovador, pero todavía está en una fase inicial de desarrollo.Este proyecto de investigación es interesante e innovador, pero todavía se encuentra en las primeras etapas de desarrollo.Este proyecto de investigación es interesante e innovador, pero todavía se encuentra en las primeras etapas de desarrollo.
La mayoría de nosotros aún desconocemos los aspectos económicos de la impresión 3D de piezas de construcción u otros objetos de gran tamaño. Esta tecnología se ha utilizado para producir puentes, toldos, bancos de parque y elementos decorativos para edificios y exteriores. Se cree que las ventajas de la fabricación aditiva a pequeña escala (desde unos pocos centímetros hasta varios metros) se aplican a la impresión 3D a gran escala. Las principales ventajas de la fabricación aditiva incluyen la creación de formas y características complejas, la reducción del número de piezas, la reducción de material y peso, y el aumento de la productividad. Si la fabricación aditiva no aporta valor añadido, su utilidad debería cuestionarse.
En octubre de 2021, Stratasys adquirió el 55 % restante de Xaar 3D, filial del fabricante británico de impresoras de inyección de tinta industriales Xaar. La tecnología de polímero PBF de Stratasys, denominada Selective Absorbion Fusion, se basa en los cabezales de impresión de inyección de tinta Xaar. La máquina Stratasys H350 compite con el sistema HP MJF.
La adquisición de Desktop Metal fue impresionante. En febrero de 2021, la empresa adquirió Envisiontec, un fabricante con una larga trayectoria de sistemas de fabricación aditiva industrial. En mayo de 2021, adquirió Adaptive3D, desarrollador de polímeros VPP flexibles. En julio de 2021, Desktop Metal adquirió Aerosint, desarrollador de procesos de recubrimiento en polvo multimaterial. La mayor adquisición se produjo en agosto, cuando Desktop Metal compró a su competidor ExOne por 575 millones de dólares.
La adquisición de ExOne por Desktop Metal une a dos reconocidos fabricantes de sistemas BJT de metal. En general, la tecnología aún no ha alcanzado el nivel que muchos creen. Las empresas siguen abordando cuestiones como la repetibilidad, la fiabilidad y la comprensión de la causa raíz de los problemas a medida que surgen. Aun así, si se resuelven los problemas, aún hay margen para que la tecnología llegue a mercados más amplios. En julio de 2021, 3DEO, un proveedor de servicios que utiliza un sistema de impresión 3D patentado, anunció haber enviado un millón de unidades a sus clientes.
Los desarrolladores de software y plataformas en la nube han experimentado un crecimiento significativo en la industria de la fabricación aditiva. Esto es especialmente cierto para los sistemas de gestión del rendimiento (MES) que rastrean la cadena de valor de la fabricación aditiva (FA). 3D Systems acordó adquirir Oqton en septiembre de 2021 por 180 millones de dólares. Fundada en 2017, Oqton ofrece soluciones en la nube para optimizar el flujo de trabajo y la eficiencia de la FA. Materialise adquirió Link3D en noviembre de 2021 por 33,5 millones de dólares. Al igual que Oqton, la plataforma en la nube de Link3D rastrea el trabajo y simplifica el flujo de trabajo de la FA.
Una de las últimas adquisiciones de 2021 fue la adquisición de Wohlers Associates por parte de ASTM International. Juntos, trabajan para impulsar la marca Wohlers y promover la adopción de la fabricación aditiva (AM) en todo el mundo. A través del Centro de Excelencia de AM de ASTM, Wohlers Associates continuará elaborando informes y otras publicaciones de Wohlers, además de ofrecer servicios de asesoría, análisis de mercado y capacitación.
La industria de la fabricación aditiva ha madurado y muchas industrias utilizan esta tecnología para una amplia gama de aplicaciones. Sin embargo, la impresión 3D no reemplazará a la mayoría de las demás formas de fabricación. En cambio, se utiliza para crear nuevos tipos de productos y modelos de negocio. Las organizaciones utilizan la fabricación aditiva para reducir el peso de las piezas, los plazos de entrega y los costes de las herramientas, y mejorar la personalización y el rendimiento de los productos. Se prevé que la industria de la fabricación aditiva continúe su trayectoria de crecimiento con la aparición de nuevas empresas, productos, servicios, aplicaciones y casos de uso, a menudo a un ritmo vertiginoso.