8 desafíos que la fabricación aditiva debe resolver para ser viable para la producción

La fabricación aditiva ha recorrido un largo camino desde los días de la creación rápida de prototipos. Desde su aparición en la década de 1980, las tecnologías de impresión 3D han encontrado aplicaciones innovadoras y están ayudando a reducir los costos de producción y los tiempos de entrega, mejorar el rendimiento del producto y hacer viable la personalización masiva a escala. Sin embargo, AM se enfrenta a desafíos clave cuando se trata de producción a gran escala. En este artículo, describimos los 8 desafíos que enfrenta la industria y los pasos que se están tomando para abordarlos.

1. Identificación de un caso comercial

Hacer el caso comercial para la fabricación aditiva es un desafío que enfrentan muchas empresas, particularmente con los altos costos involucrados para comenzar. Los beneficios financieros a largo plazo de la fabricación aditiva son claros e incluyen:

• Menores costos de herramientas
• Capacidad para producir geometrías complejas de forma rentable
• Personalización rentable

Sin embargo, el hecho es que se requerirá una inversión inicial en la tecnología, desde el hardware hasta los materiales y posiblemente el equipo de posprocesamiento.

Para aquellos que buscan la impresión 3D de metal, por ejemplo, las máquinas AM de metal pueden costar fácilmente más de $ 100,000, sin incluir los costos de materiales y el equipo de posprocesamiento.

Hacer la transición para integrar AM en los flujos de trabajo de fabricación existentes puede, por lo tanto, parecer difícil de justificar. El retorno de la inversión de AM debe ser igual o superior a otros métodos de producción disponibles, como explica Tim Weber, director global de HP Metal Jet:

“Los fabricantes de impresoras 3D deben tener una economía superior que nos permita competir , no con otras empresas de fabricación aditiva, sino con métodos tradicionales como fundición por inversión, moldeo por inyección de metal y CNC ”.

Sin embargo, hay una serie de pasos que pueden y ya se están tomando para abordar esto.

Una pequeña barrera de entrada es contratar los servicios de las oficinas de servicios de impresión 3D y aprovechar su experiencia para identificar las aplicaciones de impresión 3D más pertinentes para su negocio.

Además de identificar las áreas donde la impresión 3D será un activo, los fabricantes también deben evaluar los costos para comprender si la impresión 3D o los métodos tradicionales (moldeo por inyección, mecanizado CNC, etc.) serían los más adecuados para una aplicación en particular. .

Por otro lado, a medida que la industria madura, se esperan menores costos de maquinaria, materiales y operación. Estos desarrollos facilitarán, con el tiempo, la transición de AM hacia la producción en serie.

2. Volúmenes de producción

Para admitir los altos volúmenes (y los cortos plazos de entrega) necesarios para la producción en serie, los flujos de trabajo de fabricación aditiva deben ser rápidos y escalables. Actualmente, la mayoría de los sistemas de AM carecen de la velocidad requerida para la producción en masa, particularmente en comparación con los métodos de fabricación convencionales.

Si bien los fabricantes de hardware AM están desarrollando sistemas más rápidos para abordar esto, el tiempo de impresión por pieza es solo una pieza del rompecabezas. Todos los pasos previos y posteriores al procesamiento también determinan el rendimiento potencial y también deben tenerse en cuenta.

El posprocesamiento, por ejemplo, es un cuello de botella clave. Casi todas las piezas impresas en 3D requerirán algún tipo de posprocesamiento, que representa del 30 al 60% del proceso de producción general. Será necesario encontrar formas de automatizar la etapa de posprocesamiento, y empresas como PostProcess Technologies ya están proponiendo soluciones de posprocesamiento.

Mejorar los tiempos de construcción de AM, automatizar cada etapa del flujo de trabajo de AM y minimizar los pasos de posprocesamiento son, por lo tanto, pasos cruciales necesarios para escalar AM a operaciones de mayor volumen.

3. Repetibilidad

La necesidad de repetibilidad en lo que respecta a la producción en serie no puede subestimarse. Sin embargo, la producción constante de piezas fiables es un desafío continuo al que se enfrenta AM. El uso de la misma configuración, por ejemplo, puede dar lugar a diferencias en la producción de la misma pieza.

La lista de factores que pueden afectar la calidad de una pieza final es extensa e incluye:orientación de la pieza dentro de la plataforma de construcción, calibración de la máquina, calidad del material y cómo se retiran las piezas de una construcción.

Todas las variables de proceso involucradas en el proceso deben estar estrictamente definidas y controladas para permitir una impresión exitosa todas y cada una de las veces, lo cual no es poca cosa.

La buena noticia es que la industria está tomando medidas para permitir la fabricación aditiva predictiva y reproducible. Por ejemplo, los fabricantes de sistemas AM están desarrollando nuevas máquinas equipadas con monitoreo en proceso y sistemas de control de retroalimentación de circuito cerrado para permitir un mayor control sobre el proceso de fabricación.

4. Disponibilidad de material

El desarrollo de materiales ha recorrido un largo camino desde los filamentos patentados de antaño. Actualmente, las tecnologías de impresión 3D se pueden utilizar con una amplia gama de materiales, incluidos metales, cerámica, polímeros y compuestos.

Y, sin embargo, la disponibilidad de materiales adecuados sigue siendo una de las mayores barreras para utilizar la fabricación aditiva como método de producción. La diversidad de materiales es limitada, con solo un conjunto relativamente pequeño de materiales compatibles disponibles.

Una razón de esto radica en la naturaleza patentada de muchos materiales imprimibles en 3D. Si bien hacer que los materiales sean propietarios puede ayudar a una empresa a establecer su monopolio, obliga a los clientes a comprar sus materiales directamente a los fabricantes de impresoras 3D.

La certificación de materiales AM es el segundo obstáculo. Se requiere certificación para garantizar que los materiales AM cumplan los mismos estándares que los métodos tradicionales, y puede ser un proceso costoso y que requiere mucho tiempo.

Dicho esto, el mercado de materiales AM está evolucionando rápidamente, y la gran mayoría de los fabricantes ahora están abiertos al desarrollo de nuevos materiales por parte de terceros. Algunas empresas, como Ultimaker y HP, están adoptando activamente un enfoque de plataforma abierta, lo que permite la colaboración con algunos de los proveedores de materiales más importantes. Estos desarrollos, a su vez, permitirán una innovación de materiales más rápida.

En una entrevista reciente con AMFG, el presidente de Ultimaker, John Kawola, dice:“En el pasado, la mayoría de las tecnologías de impresión 3D se limitaban a unos pocos materiales, principalmente para la creación de prototipos. Las empresas más grandes en ese espacio, como 3D Systems, EOS y Stratasys, no tenían cientos de científicos de materiales en su personal; tenían algunos y desarrollaron materiales para sus plataformas individuales.

"Pero una vez que proporcionas un incentivo para que las empresas de plásticos más grandes se involucren, estas aportan toda su sabiduría colectiva al mercado, lo que creo que ayuda a todos".

5. Seguridad

La seguridad se está convirtiendo cada vez más en una preocupación clave para las empresas que buscan adoptar la fabricación aditiva.

Al igual que otras tecnologías digitales de la Industria 4.0, la impresión 3D es vulnerable a los riesgos de seguridad y los ciberataques. El potencial de datos robados o manipulados, por ejemplo, podría comprometer la propiedad intelectual de una empresa.

La seguridad se volverá particularmente importante a medida que los nuevos modelos comerciales que incluyen inventarios virtuales y producción descentralizada bajo demanda continúen ganando terreno. Sin embargo, alcanzar esta etapa requerirá el desarrollo de soluciones personalizadas para garantizar la seguridad y la protección de IP en todo el ecosistema de AM.

A partir de ahora, estas soluciones se encuentran en las primeras etapas de adopción. Empresas como AMFG y LEO Lane están marcando asociaciones estratégicas. Otros están presentando patentes y lanzando iniciativas para adaptar tecnologías de seguridad como blockchain para la fabricación aditiva.

Abordar las preocupaciones de asegurar el hilo digital no solo elevará el nivel de confianza en la impresión 3D como tecnología de producción, sino también Permitir una mayor trazabilidad a lo largo de la cadena de suministro.

6. Estandarización

La falta de un conjunto completo de estándares para la fabricación aditiva sigue siendo una de las barreras clave para que la tecnología se generalice.

En industrias altamente reguladas como la aeroespacial y de defensa, médica y automotriz, las piezas impresas en 3D destinadas al uso final deben cumplir requisitos estrictos. La certificación y la estandarización serán clave para generar esta confianza y establecer enfoques de certificación sólidos. Actualmente, muchas de las pautas de fabricación existentes se aplican solo a los métodos de fabricación tradicionales, y será necesario desarrollar o adaptar nuevos estándares para AM.

Sin embargo, el camino hacia la estandarización de AM es largo. Afortunadamente, algunas de las organizaciones de desarrollo de estándares más grandes, como ISO y ASTM International, ya han comenzado el proceso de desarrollo de estándares para toda la industria.

Gracias a sus esfuerzos, ya hay más de 25 estándares aprobados con 19 estándares adicionales en desarrollo (a finales de 2018). ASTM International también invierte mucho en proyectos de investigación centrados en la FA, buscando cerrar las brechas entre la I + D, la estandarización y la comercialización más amplia de la industria.

7. Entrenamiento

Quizás la barrera más importante para la adopción de AM es la brecha actual de habilidades. Un informe de 2016 de Deloitte concluye que nueve de cada diez fabricantes están luchando para contratar trabajadores con las habilidades adecuadas. La escasez de habilidades, entonces, es una que enfrenta la manufactura en su conjunto.

Las tecnologías avanzadas como la fabricación aditiva requieren un nuevo conjunto de habilidades. Tomemos como ejemplo el diseño para la fabricación aditiva (DfAM):herramientas como el diseño generativo y la optimización de la topología requerirán que los ingenieros reconsideren los enfoques convencionales del diseño. Otras áreas incluyen el mantenimiento de máquinas, el manejo de materiales y el conocimiento de posprocesamiento.

La educación y la formación serán la solución para hacer la transición. Las empresas deben invertir activamente en la educación de su fuerza laboral, brindando a los empleados la oportunidad de aprender e impulsar la innovación a través de estas tecnologías avanzadas.

8. Flujos de trabajo de un extremo a otro

La impresión 3D es una de las tecnologías importantes en el establecimiento de "fábricas inteligentes".

Sin embargo, la realidad es que la mayoría de las empresas luchan por establecer un proceso de gestión de flujo de trabajo de AM de extremo a extremo. Un cuello de botella radica en el uso de diferentes paquetes de software para pasar del diseño a la pieza terminada. Esto crea un proceso desconectado, lo que reduce en gran medida la eficiencia.

Afortunadamente, existe un número creciente de soluciones para abordar este cuello de botella. Por ejemplo, ha surgido un software de automatización del flujo de trabajo para abordar los problemas de los procesos de flujo de trabajo desconectados. El uso de una plataforma para administrar todo el ecosistema de AM, desde las solicitudes hasta el control de posproducción, permite tanto la automatización de las tareas rutinarias manuales como una mayor trazabilidad en cada etapa del proceso de AM.

Mirando hacia el futuro

La fabricación aditiva ha experimentado un rápido desarrollo en los últimos años, y 2019 no parece ser una excepción. Sin embargo, si bien se están logrando avances en la industrialización de la AM, todavía queda un camino por recorrer antes de que la tecnología se pueda utilizar de manera viable como método de fabricación de piezas finales a escala. Será necesario reducir los costes, centrarse más en la formación y las empresas deberán encontrar el valor de la tecnología para sus aplicaciones. A medida que la tecnología y la industria maduren y se aborden estos desafíos, la tasa de adopción de AM solo aumentará.