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, del transporte, médica, dental y de bienes de consumo utilizan la fabricación aditiva para una amplia gama de aplicaciones.
Con una adopción tan generalizada, queda claro que la fabricación aditiva no es una solución universal. Según la norma ISO/ASTM 52900, casi todos los sistemas comerciales de fabricación aditiva se clasifican en siete categorías de procesos. Estas incluyen extrusión de material (MEX), fotopolimerización en baño (VPP), fusión de lecho de polvo (PBF), pulverización de aglutinante (BJT), pulverización de material (MJT), deposición de energía dirigida (DED) y laminación de láminas (SHL). Aquí se presentan ordenadas por popularidad según las unidades vendidas.
Un número creciente de profesionales del sector, 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 esta tecnología. La gerencia observa 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, pero se integrará al 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 el sector, 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, incluido el desarrollo de productos personalizados.
En aplicaciones aeroespaciales, el peso es un factor crucial. Según el Centro de Vuelos Espaciales Marshall de la NASA, colocar una carga útil de 0,45 kg en órbita terrestre cuesta aproximadamente 10 000 dólares. Reducir el peso de los satélites permite ahorrar en los costes de lanzamiento. La imagen adjunta muestra una pieza metálica fabricada mediante manufactura aditiva (AM) de Swissto12 que combina varias guías de onda en una sola pieza. Gracias a 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 para usar la fabricación aditiva radica en iterar rápidamente los proyectos para crear el mejor producto posible en el menor tiempo. En la industria del petróleo y el gas, las piezas o ensamblajes dañados pueden costar miles de dólares o más en pérdida de productividad por hora. Utilizar la fabricación aditiva para restablecer las operaciones puede resultar especialmente atractivo.
MX3D, 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 (113.157-1.131.570 dólares) al día. El dispositivo, que se muestra en la página siguiente, utiliza una pieza mecanizada por CNC como estructura y emplea la tecnología DED para soldar la circunferencia de la tubería. La fabricación aditiva (AM) proporciona altas tasas de deposición con un mínimo de residuos, mientras que el mecanizado CNC ofrece 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 fundamental para controlar la recuperación de hidrocarburos en pozos en construcción. En este caso, las ventajas de la fabricación aditiva radican en la reducción de los plazos de entrega y de las emisiones en un 45 % en comparación con las camisas de agua forjadas tradicionales.
Otro caso de negocio para la fabricación aditiva es la reducción de costosas 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. Al usar la fabricación aditiva, una empresa puede ahorrar dinero en costosas herramientas que deben reemplazarse con cada nuevo modelo de teléfono.
Como ocurre con cualquier proceso o tecnología, la fabricación aditiva no debe utilizarse simplemente por ser novedosa o diferente. Su objetivo es mejorar el desarrollo de productos y/o los procesos de fabricación, aportando valor añadido. Algunos ejemplos de aplicaciones comerciales incluyen productos personalizados y personalización masiva, funcionalidades complejas, piezas integradas, menor consumo de material y peso, y un rendimiento mejorado.
Para que la fabricación aditiva alcance su máximo potencial de crecimiento, es necesario abordar ciertos desafíos. En la mayoría de las aplicaciones de fabricación, el proceso debe ser fiable y reproducible. Los métodos posteriores de automatización para la eliminación de material de las piezas y los soportes, así como el postprocesamiento, 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, el tamaño, el material y el proceso de la pieza. Por ejemplo, el posprocesamiento de coronas dentales automatizadas es muy diferente al procesamiento de piezas de motores de cohetes, aunque ambas puedan ser de metal.
Dado que las piezas están optimizadas para la fabricación aditiva, a menudo se les añaden funciones más avanzadas y canales internos. Para la fusión selectiva por láser (PBF), 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 hace girar y vibrar las piezas metálicas que aún están unidas a la plataforma de construcción. 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 de la fabricación aditiva para la producción en masa, incluso en pequeñas cantidades. Los sistemas de eliminación de polvo metálico de Solukon pueden operar en una atmósfera inerte y recolectar el polvo no utilizado para su reutilización en máquinas de fabricación aditiva. Solukon realizó una encuesta a clientes y publicó un estudio en diciembre de 2021 que muestra que las dos principales preocupaciones son la salud laboral y la reproducibilidad.
La eliminación manual del polvo de las estructuras de resina PBF puede ser laboriosa. Empresas como DyeMansion y PostProcess Technologies están desarrollando sistemas de postprocesamiento para eliminar el polvo automáticamente. Muchas piezas de fabricación aditiva se pueden introducir en un sistema que invierte y expulsa el material para eliminar el exceso de polvo. HP cuenta con un sistema propio que, según se afirma, elimina el polvo de la cámara de construcción de la Jet Fusion 5200 en 20 minutos. El sistema almacena el polvo sin fundir en un contenedor aparte para su reutilización o reciclaje en otras aplicaciones.
Las empresas pueden beneficiarse de la automatización si esta se aplica a la mayoría de las etapas posteriores al procesamiento. DyeMansion ofrece sistemas para la eliminación de polvo, la preparación de superficies y la pintura. El sistema PowerFuse S carga las piezas, vaporiza las superficies lisas y las descarga. La empresa proporciona un soporte de acero inoxidable para colgar las piezas, tarea que se realiza manualmente. El sistema PowerFuse S puede producir una superficie similar a la de un molde de inyección.
El mayor desafío para la industria radica en comprender las verdaderas oportunidades 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 suele estar disponible para la primera serie de producción en la fabricación y prueba de herramientas. Mediante el posprocesamiento automatizado, se pueden producir miles de piezas de forma fiable y reproducible utilizando la fabricación aditiva, pero esta depende de cada pieza y puede requerir una solución personalizada.
La fabricación aditiva 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 emplear para fabricar la mayoría de sus cohetes. Su cohete Terran 1 puede transportar una carga útil de 1250 kg a la órbita terrestre baja. Relativity planea lanzar un cohete de prueba a mediados de 2022 y ya está planificando un cohete reutilizable más grande llamado Terran R.
Los cohetes Terran 1 y R de Relativity Space representan una forma innovadora de reimaginar los futuros vuelos espaciales. El diseño y la optimización para la fabricación aditiva despertaron gran interés en este desarrollo. La compañía afirma que este método reduce el número de piezas hasta 100 veces en comparación con los cohetes tradicionales. Además, asegura que puede producir cohetes a partir de materias primas en tan solo 60 días. Este es un excelente ejemplo de cómo combinar múltiples componentes en uno solo 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 de los baños de 3D Systems. En 2021, la empresa declaró haber tratado a más de 10 millones de pacientes desde que recibió la aprobación de la FDA en 1998. Si el tratamiento de un paciente típico consiste en 10 alineadores, lo cual es una estimación baja, la empresa ha producido 100 millones o más de piezas AM. Las piezas de FRP son difíciles de reciclar porque son termoestables. SmileDirectClub utiliza el sistema HP Multi Jet Fusion (MJF) para producir piezas termoplásticas que se pueden reciclar para otras aplicaciones.
Históricamente, la tecnología VPP no ha logrado producir piezas delgadas y transparentes con la resistencia necesaria para su uso en 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 menos costoso.
Un avance inicial que recibió mucha atención mediática fue el uso de la impresión 3D para aplicaciones de construcción a gran escala, como la vivienda. A menudo, las paredes de la casa se imprimen mediante extrusión. El resto de la vivienda se construye con métodos y materiales tradicionales, incluyendo suelos, techos, escaleras, puertas, ventanas, electrodomésticos, armarios y encimeras. Las paredes impresas en 3D pueden aumentar el coste de la instalación de electricidad, iluminación, fontanería, conductos y rejillas de ventilación para calefacción y aire acondicionado. El acabado interior y exterior de una pared de hormigón es más difícil que con un diseño de pared tradicional. Modernizar una vivienda con paredes impresas en 3D también es una consideración importante.
Investigadores del Laboratorio Nacional de Oak Ridge están estudiando cómo almacenar energía en paredes impresas en 3D. Al insertar tuberías en la pared durante la construcción, el agua puede circular a través de ella para calefacción y refrigeración. Este proyecto de I+D es interesante e innovador, pero aún se encuentra en una fase temprana de desarrollo. Este proyecto de I+D es interesante e innovador, pero aún se encuentra en una fase temprana de desarrollo.Este proyecto de investigación es interesante e innovador, pero aún se encuentra en las primeras etapas de desarrollo.Este proyecto de investigación es interesante e innovador, pero aún se encuentra en las primeras etapas de desarrollo.
La mayoría 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 espacios exteriores. Se cree que las ventajas de la fabricación aditiva a pequeña escala (desde unos pocos centímetros hasta varios metros) se aplican también a la impresión 3D a gran escala. Entre los principales beneficios de la fabricación aditiva se incluyen la creación de formas y características complejas, la reducción del número de piezas, la disminución del material y el peso, y el aumento de la productividad. Si la fabricación aditiva no aporta valor añadido, cabe cuestionar su utilidad.
En octubre de 2021, Stratasys adquirió el 55 % restante de las acciones de Xaar 3D, filial del fabricante británico de impresoras de inyección de tinta industriales Xaar. La tecnología PBF de polímeros de Stratasys, denominada Fusión por Absorción Selectiva, se basa en los cabezales de impresión de inyección de tinta de Xaar. La impresora 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 larga trayectoria en 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 parte de Desktop Metal reúne a dos fabricantes de renombre de sistemas BJT metálicos. En general, la tecnología aún no ha alcanzado el nivel que muchos creen. Las empresas siguen abordando problemas 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, todavía 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 propio, anunció que había 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. 3D Systems acordó adquirir Oqton en septiembre de 2021 por 180 millones de dólares. Fundada en 2017, Oqton ofrece soluciones basadas en la nube para mejorar el flujo de trabajo y la eficiencia de la fabricación aditiva. Materialize adquirió Link3D en noviembre de 2021 por 33,5 millones de dólares. Al igual que Oqton, la plataforma en la nube de Link3D realiza un seguimiento del trabajo y simplifica el flujo de trabajo de la fabricación aditiva.
Una de las adquisiciones más recientes de 2021 es la de Wohlers Associates por parte de ASTM International. Juntas, trabajan para potenciar la marca Wohlers y así impulsar la adopción generalizada de la fabricación aditiva en todo el mundo. A través del Centro de Excelencia en Fabricación Aditiva de ASTM, Wohlers Associates seguirá publicando informes y otras publicaciones, además de ofrecer servicios de asesoramiento, análisis de mercado y formación.
La industria de la fabricación aditiva ha madurado y muchos sectores utilizan esta tecnología para una amplia gama de aplicaciones. Sin embargo, la impresión 3D no sustituirá 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 emplean la fabricación aditiva para reducir el peso de las piezas, acortar los plazos de entrega y los costes de utillaje, 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, a menudo vertiginosa, de nuevas empresas, productos, servicios, aplicaciones y casos de uso.