La impresión 3D es hasta la fecha, en el contexto de la Industria 4.0, la tecnología digital más disruptiva, capaz (potencialmente) de trastocar los paradigmas tradicionales de fabricación. Se trata de una auténtica revolución, ya que la producción no se realiza más extrayendo material de una pieza sólida, sino que se parte de un modelo 3D (virtual) y luego se “imprime” capa a capa, exactamente (o casi) como ocurre en las impresoras de tinta tan comunes que tenemos en casa o en la oficina. Una revolución entonces que se integra con los procesos vinculados a la fabricación inteligente y al IoT.
Por estas razones, hablamos (más apropiadamente) de Fabricación Aditiva. El proceso de fabricación aditiva tiene como entrada la realización del modelo 3D del objeto (diseño CAD), al que sigue un proceso semiautomático (que ahora llevan a cabo todos los programas de diseño más populares) de conversión del archivo en formato STL, que implica la descomposición del objeto en capas que pueden ser impresas por las impresoras 3D.
Por último, después del proceso de impresión, las actividades de postproducción y acabado son (a menudo, dependiendo del propósito de uso) necesarias para obtener niveles adecuados de acabado y propiedades mecánicas del objeto fabricado.
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Fabricación aditiva e impresión 3D: una nueva revolución
Uno de los elementos peculiares de todas las tecnologías de impresión en 3D es la posibilidad de realizar, en un único proceso de impresión, objetos que tradicionalmente se fabrican en varios componentes individuales, que posteriormente hay que ensamblar. Como ejemplo, las impresoras 3D pueden utilizarse para producir objetos que también incorporan piezas móviles, como la llave de loro de la figura 2.
Aunque aparentemente esta tecnología solo lleva unos años “en el candelero”, ¡la primera patente se remonta a los años 80! Fue inventado por Chuck Hull, todavía hoy presidente de 3D Systems (uno de los líderes del mercado en la producción de impresoras en el sector industrial), que lanzó al mercado el primer modelo de impresora SLA (estereolitografía), que mediante una impresión realizada por un rayo UV permite la solidificación de resinas o fotopolímeros que pasarán a componer el producto deseado.
A todos los efectos, ha sido necesario un proceso de “incubación” de casi 30 años para que la impresión 3D sea técnica y económicamente viable también para aplicaciones de interés en la industria, al margen del mero prototipado rápido.
Cada vez oímos hablar más a menudo de las tecnologías de fabricación aditiva, que en el pasado reciente sólo estaban destinadas a la producción de prototipos. Hoy en día, estas tecnologías son cada vez más una herramienta de producción, pero se plantea la cuestión de si son realmente capaces de aplicarse a la producción extensiva y si este tipo de tecnología tiene alguna limitación de aplicación. A continuación, intentaremos abordar esta cuestión empezando por la definición de fabricación aditiva.
Qué es la fabricación aditiva
Cuando hablamos de fabricación aditiva o manufacturación aditiva, nos referimos a una técnica de producción que, utilizando diferentes tecnologías, permite obtener productos y artefactos a partir de la generación y posterior adición de capas sucesivas de material. Se trata de una clara inversión de las tecnologías de producción tradicionales que parten de la técnica de sustracción del sólido, como el fresado o el torneado. Gracias a esta herramienta de producción, se ha producido una digitalización de la fabricación mediante el diálogo continuo entre los ordenadores y las instalaciones de producción, que también se ha conseguido gracias al desarrollo de Internet.
Cómo funciona el proceso de fabricación aditiva
El proceso de fabricación basado en la fabricación aditiva comienza con un modelo CAD en 3D que es controlado por un software de gestión de máquinas que descompone el modelo en varias capas. Estos guiarán entonces a un impresor para depositar o sintetizar el material. No hay que pensar que estamos ante una tecnología de fabricación innovadora, ya que la fabricación aditiva ya se utiliza en la producción de prototipos desde hace varios años. El posterior desplome del precio de las impresoras ha contribuido al crecimiento de esta técnica de producción, que está experimentando una tendencia vertiginosa. A este ritmo, podría alcanzarse un punto de inflexión que marque una época en la industria manufacturera.
Antecedentes históricos de la impresión 3D
La mayoría de la gente cree que la impresión 3D y la fabricación aditiva son un fenómeno relativamente reciente. En realidad, no es así, ya que los inicios de esta técnica de fabricación se remontan a finales de los años 70, cuando se inventó y lanzó al mercado la primera impresora de inyección de tinta.
El primer paso hacia la nueva tecnología se dio en 1981 cuando Hideo Kodama registró una patente para la creación rápida de prototipos, seguida en 1984 por la invención de la estereolitografía (SLA) por Charles Hull. Esta técnica se basa en el uso de una fuente de luz dentro de un tanque de resina. La acción de la luz hace que la resina se endurezca, generando así el objeto 3D, capa a capa.
Carl Deckard y su patente de SLS
Pasaron unos años y, en 1989, Carl Deckard registró una nueva patente de SLS (Sinterización Láser Selectiva), un proceso de sinterización selectiva que utiliza un haz de luz láser, de entre 200 y 400 KW, en un polvo metálico, capa a capa. La evolución de esta técnica está representada por el DMLS (Sinterización Directa de Metales por Láser), que representa la mejor expresión de la fabricación aditiva de metales, y el SLM (Fusión Selectiva por Láser), siendo este último extremadamente preciso y exacto y encontrando una amplia aplicación en el campo médico.
Mientras tanto, la primera impresora SLA se fabricó en 1992 y Scott Crump inventó una técnica de impresión 3D revolucionaria, el FDM (Modelado por Deposición Fundida). Se basa en el uso de un filamento, formado por polímeros, que se calienta mediante un elemento calefactor y se hace pasar por una boquilla. En este punto, se produce la solidificación capa a capa, dando forma al objeto.
De hecho, el desarrollo de la fabricación aditiva se remonta a 2005, cuando Adrian Bowyer inventó la primera impresora 3D autorreplicante.
Tipos y tecnologías de fabricación aditiva
Pero, ¿cuáles son los principales tipos y tecnologías de la fabricación aditiva? Ya hemos mencionado algunos de los métodos de fabricación aditiva como la SL (estereolitografía) y la FMD, que es también la más utilizada y popular entre las impresoras de consumo. Descubramos ahora los otros métodos que se pueden utilizar:
Impresión por chorro de tinta
La técnica es muy sencilla y consiste en colocar un chorro de yeso o resina en el lecho de la impresora sobre el que se vierte tinta y aglutinante, que se solidifica capa a capa para crear el producto.
DLP: procesamiento digital de la luz
Esta técnica implica el uso de una piscina de polímeros líquidos que se coloca bajo la acción de la luz de un proyector de endurecimiento. A continuación, la placa vuelve a realizar un movimiento descendente con el polímero líquido y, posteriormente, repite la misma operación hasta obtener el producto acabado.
LOM – Fabricación de objetos laminados
Esta técnica se basa en el uso de papel, plásticos o laminados en forma de capas que se pegan y se cortan, ya sea con una cuchilla o con un láser, hasta conseguir la forma deseada.
EBM – Fusión por haz de electrones
Como su nombre indica, se trata de una fusión por haz de electrones. La fusión del material se produce por la acción de una fuente de energía altamente concentrada representada por los electrones.
En cuanto a los materiales que pueden utilizarse en la fabricación aditiva, estamos asistiendo a un aumento continuo del número de materiales, entre los que se encuentran las resinas acrílicas y epoxi y los polímeros termoplásticos.
Diferencias entre la impresión 3D y la fabricación aditiva
Llegados a este punto, parece oportuno precisar la diferencia entre la fabricación aditiva y la impresión 3D. La primera representa una tecnología que garantiza la creación de objetos tridimensionales mediante el uso de impresoras especiales de chorro de materia. La impresión 3D, en cambio, es un proceso de producción real que permite fabricar productos.
Las ventajas para las empresas de fabricación en el uso de la fabricación aditiva y la impresión 3D
Parece casi superfluo subrayar que el uso de las impresoras 3D ha generado ventajas considerables para las empresas de fabricación. La más importante es probablemente la ausencia de restricciones en las formas que se pueden producir. La posterior deposición de la sección, capa por capa, garantiza la creación de formas incluso no convencionales, mientras que cualquier exceso de producción puede superarse utilizando soportes específicos que se retiran al final de la impresión.
Reducción de costos
El uso de una impresora 3D también permite eliminar el problema de los residuos de producción y esto, a su vez, conduce a una reducción significativa de los costes de producción. También hay que hacer necesariamente otras consideraciones al respecto, ya que la reducción de los costes de producción se debe también a otros elementos.
Al imprimir un producto ya ensamblado, se reducen inmediatamente los costes de mano de obra que, en una cadena de producción tradicional, habrían tenido que proceder al montaje de productos semiterminados. Además, otro elemento que no debe subestimarse es la eliminación de los costos de transporte del producto: este se enviará electrónicamente al cliente, que procederá a la impresión en 3D con total autonomía.
Disminución del Time to Market
Pero las ventajas de la fabricación aditiva no acaban ahí. Las aplicaciones de fabricación aditiva permiten disminuir el llamado TTM (Time to Market). Este acrónimo se refiere al tiempo que transcurre entre la concepción del producto y el momento en que se pondrá a la venta en el mercado.
Gracias a esta técnica, se puede crear rápidamente un prototipo de un producto y ponerlo en el mercado en unos pocos ejemplos, recogiendo la opinión de los clientes, realizando los cambios necesarios y, posteriormente, iniciando la producción a gran escala. Otras ventajas para las empresas de fabricación de productos son la flexibilidad y la competitividad.
En el primer caso, de hecho, será posible crear dentro de la producción a gran escala productos con características personalizadas según los requisitos del cliente sin incurrir en costes adicionales.
Esto significa que una empresa que basa su producción en la digitalización para la fabricación se caracterizará por una mayor eficiencia y será mucho más competitiva que sus competidores.
Las ventajas de la fabricación aditiva también están empezando a abrirse camino en el sector privado, donde se pueden fabricar de forma autónoma pequeños objetos para el hogar, juguetes para niños y mucho más con una impresora 3D. A largo plazo, esto podría suponer una grave dificultad para las empresas fabricantes, ya que los clientes podrían abandonar sus pedidos y recurrir a la autoproducción.
El campo del diseño también se ha visto afectado por la revolución que han supuesto las técnicas de fabricación aditiva, aunque se están encontrando grandes problemas, ya que los sistemas tradicionales de diseño CAD no están actualmente actualizados para aprovechar al máximo el potencial de una impresora 3D.
Áreas de aplicación de la fabricación aditiva en Italia y en el mundo
Gracias a la extrema flexibilidad de la tecnología, la fabricación aditiva se aplica principalmente en la manufactura para la producción de prototipos y en los estudios de diseño que pueden producir productos de forma compleja pero fascinante al mismo tiempo.
Pero la fabricación aditiva es cada vez más popular en varios campos de la fabricación.
El sector médico es donde la fabricación aditiva está encontrando aplicación debido a que se pueden probar nuevas formas de tratar enfermedades. En el campo de la odontología, encuentra su mejor expresión a través de la fabricación de prótesis para su uso en pacientes.
Un arquitecto italiano ha utilizado las técnicas de fabricación aditiva para crear prototipos de viviendas de diversas formas y tamaños. Gracias al uso de un adhesivo específico y de polvo de roca, se pueden obtener modelos de viviendas con un ahorro considerable de tiempo y costes de diseño.
El escenario futuro prevé un descenso considerable del coste de las impresoras 3D, lo que llevaría a la realización de muchos objetos pequeños con total autonomía por parte del cliente final. Considere que ya hoy en día, muchos productos de joyería se obtienen directamente de los vendedores.
Por Andrea Bacchetti e Massimo Zanardini
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