A fabricación aditiva, tamén coñecida como impresión 3D, continuou a evolucionar durante case 35 anos desde o seu uso comercial. As industrias aeroespacial, automotriz, de defensa, enerxética, de transporte, médica, odontolóxica e de consumo empregan a fabricación aditiva para unha ampla gama de aplicacións.
Cunha adopción tan xeneralizada, está claro que a fabricación aditiva non é unha solución universal. Segundo a norma terminolóxica ISO/ASTM 52900, case todos os sistemas comerciais de fabricación aditiva encaixan nunha das sete categorías de procesos. Estas inclúen a extrusión de materiais (MEX), a fotopolimerización en baño (VPP), a fusión en leito de po (PBF), a pulverización de aglutinante (BJT), a pulverización de materiais (MJT), a deposición de enerxía dirixida (DED) e a laminación de láminas (SHL). Aquí están ordenadas por popularidade en función das vendas unitarias.
Un número crecente de profesionais da industria, incluídos enxeñeiros e directivos, están a aprender cando a fabricación aditiva pode axudar a mellorar un produto ou proceso e cando non. Historicamente, as principais iniciativas para implementar a fabricación aditiva proviñan de enxeñeiros con experiencia na tecnoloxía. A dirección ve máis exemplos de como a fabricación aditiva pode mellorar a produtividade, reducir os prazos de entrega e crear novas oportunidades de negocio. A fabricación aditiva non substituirá a maioría das formas tradicionais de fabricación, senón que se converterá en parte do arsenal de desenvolvemento de produtos e capacidades de fabricación do emprendedor.
A fabricación aditiva ten unha ampla gama de aplicacións, desde a microfluídica ata a construción a grande escala. Os beneficios da fabricación aditiva varían segundo a industria, a aplicación e o rendemento requirido. As organizacións deben ter boas razóns para implementar a fabricación aditiva, independentemente do caso de uso. As máis comúns son a modelaxe conceptual, a verificación do deseño e a verificación da idoneidade e a funcionalidade. Cada vez máis empresas a usan para crear ferramentas e aplicacións para a produción en masa, incluído o desenvolvemento de produtos personalizados.
Para as aplicacións aeroespaciais, o peso é un factor importante. Custa uns 10.000 dólares poñer unha carga útil de 0,45 kg na órbita terrestre, segundo o Centro Marshall de Voos Espaciais da NASA. Reducir o peso dos satélites pode aforrar nos custos de lanzamento. A imaxe adxunta mostra unha peza de fabricación aditiva metálica Swissto12 que combina varias guías de onda nunha soa peza. Coa fabricación aditiva, o peso redúcese a menos de 0,08 kg.
A fabricación aditiva utilízase en toda a cadea de valor da industria enerxética. Para algunhas empresas, o argumento comercial para usar a fabricación aditiva é iterar rapidamente os proxectos para crear o mellor produto posible no menor tempo posible. Na industria do petróleo e o gas, as pezas ou conxuntos danados poden custar miles de dólares ou máis en perda de produtividade por hora. Usar a fabricación aditiva para restaurar as operacións pode ser especialmente atractivo.
Un importante fabricante de sistemas DED, MX3D, lanzou un prototipo de ferramenta para a reparación de tubaxes. Unha tubaxe danada pode custar entre 100.000 € e 1.000.000 € (113.157 $ - 1.131.570 $) ao día, segundo a empresa. O dispositivo que se mostra na páxina seguinte usa unha peza CNC como marco e usa DED para soldar a circunferencia da tubaxe. A fabricación aditiva proporciona altas taxas de deposición cun mínimo de residuos, mentres que o CNC proporciona a precisión requirida.
En 2021, instalouse unha carcasa de auga impresa en 3D nunha plataforma petrolífera de TotalEnergies no Mar do Norte. As camisas de auga son un elemento fundamental que se emprega para controlar a recuperación de hidrocarburos en pozos en construción. Neste caso, os beneficios do uso da fabricación aditiva son a redución dos prazos de entrega e a redución das emisións nun 45 % en comparación coas camisas de auga forxadas tradicionais.
Outro argumento de negocio para a fabricación aditiva é a redución de ferramentas caras. Phone Scope desenvolveu adaptadores de digiscoping para dispositivos que conectan a cámara do teléfono a un telescopio ou microscopio. Todos os anos lánzanse teléfonos novos, o que obriga ás empresas a lanzar unha nova liña de adaptadores. Ao usar a fabricación aditiva, unha empresa pode aforrar cartos en ferramentas caras que deben substituírse cando se lanzan teléfonos novos.
Do mesmo xeito que con calquera proceso ou tecnoloxía, a fabricación aditiva non se debe empregar xa que se considera nova ou diferente. Isto é para mellorar o desenvolvemento de produtos e/ou os procesos de fabricación. Debería engadir valor. Algúns exemplos doutros casos de negocio inclúen produtos personalizados e personalización masiva, funcionalidades complexas, pezas integradas, menos material e peso e un mellor rendemento.
Para que a fabricación aditiva alcance o seu potencial de crecemento, hai que abordar algúns desafíos. Para a maioría das aplicacións de fabricación, o proceso debe ser fiable e reproducible. Os métodos posteriores de automatización da eliminación de material de pezas e soportes e o posprocesamento axudarán. A automatización tamén aumenta a produtividade e reduce o custo por peza.
Unha das áreas de maior interese é a automatización do posprocesamento, como a eliminación e o acabado do po. Ao automatizar o proceso de produción en masa de aplicacións, a mesma tecnoloxía pode repetirse miles de veces. O problema é que os métodos de automatización específicos poden variar segundo o tipo de peza, o tamaño, o material e o proceso. Por exemplo, o posprocesamento de coroas dentais automatizadas é moi diferente do procesamento de pezas de motores de foguetes, aínda que ambos poden estar feitos de metal.
Dado que as pezas están optimizadas para a fabricación aditiva (AM), adoitan engadirse funcións máis avanzadas e canles internas. Para a fabricación con peche prefabricado (PBF), o obxectivo principal é eliminar o 100 % do po. Solukon fabrica sistemas automáticos de eliminación de po. A empresa desenvolveu unha tecnoloxía chamada Smart Powder Recovery (SRP) que xira e vibra as pezas metálicas que aínda están unidas á placa de construción. A rotación e a vibración contrólanse mediante o modelo CAD da peza. Ao mover e axitar as pezas con precisión, o po capturado flúe case como un líquido. Esta automatización reduce o traballo manual e pode mellorar a fiabilidade e a reproducibilidade da eliminación de po.
Os problemas e as limitacións da eliminación manual de po poden limitar a viabilidade do uso da fabricación aditiva para a produción en masa, mesmo en pequenas cantidades. Os sistemas de eliminación de po metálico de Solukon poden funcionar nunha atmosfera inerte e recoller o po non utilizado para a súa reutilización en máquinas de fabricación aditiva. Solukon realizou unha enquisa a clientes e publicou un estudo en decembro de 2021 que demostra que as dúas maiores preocupacións son a saúde laboral e a reproducibilidade.
A eliminación manual do po das estruturas de resina PBF pode levar moito tempo. Empresas como DyeMansion e PostProcess Technologies están a desenvolver sistemas de posprocesamento para eliminar automaticamente o po. Moitas pezas de fabricación aditiva pódense cargar nun sistema que inverte e expulsa o medio para eliminar o exceso de po. HP ten o seu propio sistema que, segundo se di, elimina o po da cámara de construción da Jet Fusion 5200 en 20 minutos. O sistema almacena o po non fundido nun recipiente separado para a súa reutilización ou reciclaxe para outras aplicacións.
As empresas poden beneficiarse da automatización se esta se pode aplicar á maioría dos pasos de posprocesamento. DyeMansion ofrece sistemas para a eliminación de po, a preparación de superficies e a pintura. O sistema PowerFuse S carga as pezas, vaporiza as pezas lisas e descárgaas. A empresa proporciona un estante de aceiro inoxidable para colgar as pezas, o que se fai a man. O sistema PowerFuse S pode producir unha superficie similar á dun molde de inxección.
O maior reto ao que se enfronta a industria é comprender as oportunidades reais que ofrece a automatización. Se é necesario fabricar un millón de pezas de polímero, os procesos tradicionais de fundición ou moldeo poden ser a mellor solución, aínda que isto depende da peza. A fabricación aditiva adoita estar dispoñible para a primeira tirada de produción na produción e proba de ferramentas. Mediante o posprocesamento automatizado, pódense producir miles de pezas de forma fiable e reproducible mediante fabricación aditiva, pero é específica da peza e pode requirir unha solución personalizada.
A fabricación aditiva non ten nada que ver coa industria. Moitas organizacións presentan resultados interesantes de investigación e desenvolvemento que poden levar ao correcto funcionamento de produtos e servizos. Na industria aeroespacial, Relativity Space produce un dos maiores sistemas de fabricación aditiva metálica utilizando tecnoloxía DED patentada, que a empresa espera que se utilice para fabricar a maioría dos seus foguetes. O seu foguete Terran 1 pode transportar unha carga útil de 1250 kg á órbita terrestre baixa. Relativity planea lanzar un foguete de proba a mediados de 2022 e xa está a planificar un foguete reutilizable máis grande chamado Terran R.
Os foguetes Terran 1 e R de Relativity Space supoñen unha forma innovadora de reimaxinar como poderían ser os voos espaciais do futuro. O deseño e a optimización para a fabricación aditiva espertaron o interese neste desenvolvemento. A empresa afirma que este método reduce o número de pezas en 100 veces en comparación cos foguetes tradicionais. A empresa tamén afirma que pode producir foguetes a partir de materias primas en 60 días. Este é un gran exemplo de combinar moitas pezas nunha soa e simplificar enormemente a cadea de subministración.
Na industria dental, a fabricación aditiva utilízase para fabricar coroas, pontes, modelos de perforación cirúrxica, próteses parciais e aliñadores. Align Technology e SmileDirectClub empregan a impresión 3D para producir pezas para aliñadores de plástico transparente termoformado. Align Technology, fabricante de produtos da marca Invisalign, emprega moitos dos sistemas de fotopolimerización nos baños de 3D Systems. En 2021, a empresa afirmou que tratara a máis de 10 millóns de pacientes desde que recibiu a aprobación da FDA en 1998. Se o tratamento dun paciente típico consiste en 10 aliñadores, o cal é unha estimación baixa, a empresa produciu 100 millóns ou máis pezas de fabricación aditiva. As pezas de FRP son difíciles de reciclar porque son termoestables. SmileDirectClub emprega o sistema HP Multi Jet Fusion (MJF) para producir pezas termoplásticas que se poden reciclar para outras aplicacións.
Historicamente, o VPP non foi capaz de producir pezas delgadas e transparentes con propiedades de resistencia para o seu uso como aparellos de ortodoncia. En 2021, LuxCreo e Graphy lanzaron unha posible solución. Desde febreiro, Graphy conta coa aprobación da FDA para a impresión 3D directa de aparellos dentais. Se os imprimes directamente, o proceso de principio a fin considérase máis curto, sinxelo e potencialmente menos custoso.
Un dos primeiros desenvolvementos que recibiu moita atención dos medios de comunicación foi o uso da impresión 3D para aplicacións de construción a grande escala, como vivendas. A miúdo, as paredes da casa imprímense por extrusión. Todas as demais partes da casa fabricáronse con métodos e materiais tradicionais, incluíndo pisos, teitos, tellados, escaleiras, portas, fiestras, electrodomésticos, armarios e encimeras. As paredes impresas en 3D poden aumentar o custo da instalación de electricidade, iluminación, fontanería, condutos e ventilacións para calefacción e aire acondicionado. Rematar o interior e o exterior dun muro de formigón é máis difícil que cun deseño de parede tradicional. Modernizar unha casa con paredes impresas en 3D tamén é unha consideración importante.
Investigadores do Laboratorio Nacional de Oak Ridge están a estudar como almacenar enerxía en paredes impresas en 3D. Ao inserir tubos na parede durante a construción, a auga pode fluír a través dela para quentar e arrefriar. Este proxecto de I+D é interesante e innovador, pero aínda está nunha fase inicial de desenvolvemento. Este proxecto de I+D é interesante e innovador, pero aínda está nunha fase inicial de desenvolvemento.Este proxecto de investigación é interesante e innovador, pero aínda está nas fases iniciais de desenvolvemento.Este proxecto de investigación é interesante e innovador, pero aínda está nas fases iniciais de desenvolvemento.
A maioría de nós aínda non estamos familiarizados coa economía da impresión 3D de pezas de construcións ou outros obxectos grandes. A tecnoloxía empregouse para producir algunhas pontes, toldos, bancos de parques e elementos decorativos para edificios e o ambiente exterior. Crese que as vantaxes da fabricación aditiva a pequena escala (desde uns poucos centímetros ata varios metros) aplícanse á impresión 3D a grande escala. Os principais beneficios do uso da fabricación aditiva inclúen a creación de formas e características complexas, a redución do número de pezas, a redución de materiais e peso e o aumento da produtividade. Se a fabricación aditiva non engade valor, debería cuestionarse a súa utilidade.
En outubro de 2021, Stratasys adquiriu a participación restante do 55 % en Xaar 3D, unha filial do fabricante británico de impresoras de chorro de tinta industriais Xaar. A tecnoloxía PBF de polímeros de Stratasys, chamada Selective Absorption Fusion, baséase nos cabezales de impresión de chorro de tinta Xaar. A máquina Stratasys H350 compite co sistema HP MJF.
Mercar Desktop Metal foi impresionante. En febreiro de 2021, a empresa adquiriu Envisiontec, un fabricante veterano de sistemas de fabricación aditiva industrial. En maio de 2021, a empresa adquiriu Adaptive3D, un desenvolvedor de polímeros flexibles de VPP. En xullo de 2021, Desktop Metal adquiriu Aerosint, un desenvolvedor de procesos de repintado de revestimentos en po multimateriais. A maior adquisición produciuse en agosto, cando Desktop Metal mercou o competidor ExOne por 575 millóns de dólares.
A adquisición de ExOne por parte de Desktop Metal reúne a dous recoñecidos fabricantes de sistemas BJT metálicos. En xeral, a tecnoloxía aínda non alcanzou o nivel que moitos cren. As empresas seguen a abordar cuestións como a repetibilidade, a fiabilidade e a comprensión da causa raíz dos problemas a medida que xorden. Aínda así, se os problemas se resolven, aínda hai espazo para que a tecnoloxía chegue a mercados máis grandes. En xullo de 2021, 3DEO, un provedor de servizos que utiliza un sistema de impresión 3D propietario, dixo que enviara a millonésima parte aos seus clientes.
Os desenvolvedores de software e plataformas na nube experimentaron un crecemento significativo na industria da fabricación aditiva. Isto é especialmente certo para os sistemas de xestión do rendemento (MES) que rastrexan a cadea de valor da fabricación aditiva. 3D Systems acordou adquirir Oqton en setembro de 2021 por 180 millóns de dólares. Fundada en 2017, Oqton ofrece solucións baseadas na nube para mellorar o fluxo de traballo e a eficiencia da fabricación aditiva. Materialize adquiriu Link3D en novembro de 2021 por 33,5 millóns de dólares. Do mesmo xeito que Oqton, a plataforma na nube de Link3D rastrexa o traballo e simplifica o fluxo de traballo da fabricación aditiva.
Unha das últimas adquisicións de 2021 é a adquisición de Wohlers Associates por parte de ASTM International. Xuntos están a traballar para aproveitar a marca Wohlers para apoiar unha adopción máis ampla da fabricación aditiva en todo o mundo. A través do Centro de Excelencia en Fabricación aditiva de ASTM, Wohlers Associates continuará a producir informes de Wohlers e outras publicacións, así como a proporcionar servizos de asesoramento, análise de mercado e formación.
A industria da fabricación aditiva madurou e moitas industrias están a usar a tecnoloxía para unha ampla gama de aplicacións. Pero a impresión 3D non substituirá a maioría das outras formas de fabricación. En cambio, utilízase para crear novos tipos de produtos e modelos de negocio. As organizacións usan a fabricación aditiva para reducir o peso das pezas, reducir os prazos de entrega e os custos das ferramentas e mellorar a personalización e o rendemento dos produtos. Espérase que a industria da fabricación aditiva continúe a súa traxectoria de crecemento con novas empresas, produtos, servizos, aplicacións e casos de uso xurdindo, a miúdo a unha velocidade vertixinosa.