El caso de la impresión 3D en la fabricación

Ha habido una enorme cantidad de publicidad en torno a la fabricación aditiva (y la impresión 3D) en los últimos años. Pero, ¿la tecnología es realmente factible para todos los fabricantes? Depende.

Desde partes del cuerpo hasta casas, la impresión 3D, también conocida como aditiva en el sector de la fabricación, ha pasado rápidamente de ser una moda tecnológica digna de titulares para los consumidores a un medio viable y accesible de construir cosas, como implantes médicos, piezas de automóviles y de aviación. y prototipos de plástico para diseñadores industriales.

¿Qué es exactamente la fabricación aditiva? MIT Technology Review lo describe como la versión industrial de la impresión 3D en la que una máquina "construye un objeto añadiendo capas ultrafinas de material una a una". En lugar del trabajo de mecanizado tradicional que sustrae o elimina elementos del material existente (como en la metalurgia convencional, el fresado y el mecanizado CNC), la fabricación aditiva se construye desde cero.

¿Cuáles son los beneficios de la fabricación aditiva? Ofrece a las empresas opciones más amplias para innovar y personalizar la fabricación según las necesidades internas de herramientas y piezas y materiales del cliente, y para reducir los costos al "disminuir la cantidad de material perdido durante la fabricación, mejorar el rendimiento del producto y/o reducir la mano de obra", según a Deloitte University Press en un artículo que detalla las aplicaciones 3D para herramientas.

Impresión 3D:la adopción de la fabricación aditiva va en aumento

Según un estudio de PwC y The Manufacturing Institute, aproximadamente dos tercios de los fabricantes ya han adoptado la tecnología de alguna forma, y ​​más de la mitad ya la están utilizando para la creación de prototipos, un salto significativo desde solo dos años antes, con un 35 por ciento de fabricantes probando la tecnología.

Y como sugiere la encuesta, los fabricantes asumen que el rápido crecimiento que rodea al aditivo solo aumentará la velocidad. Más de la mitad de los fabricantes esperan que la fabricación aditiva se utilice para la producción de alto volumen en los próximos cinco años, en comparación con solo el 38 % hace solo dos años.

El mercado de la fabricación aditiva para metales respalda estos hallazgos. Según la investigación "Fabricación aditiva con polvos metálicos 2017" de SmarTech Publishing, el mercado de sistemas de fabricación aditiva y materiales de polvo metálico superó los $950 millones en 2016, y se espera que crezca a $6600 millones para 2026.

Impresión 3D, desafíos de fabricación aditiva:tiempo y costo

A pesar de la tremenda publicidad que rodea a la fabricación aditiva, hay algunas limitaciones que hay que entender. Primero, la fabricación aditiva puede ser lenta de producir. Producir el tipo de volumen que logra con el mecanizado CNC en metales no es una comparación de manzanas con manzanas.

“Para los metales, es un tema diferente”, dice Gordon Styles, fundador y presidente de Star Rapid, en una entrevista con Engineering.com. “No tiene sentido imprimir en 3D nada que esté diseñado para el mecanizado CNC; naturalmente, será mucho más lento imprimir porque el tiempo de impresión es relativo al volumen de material. La mayoría de las piezas de metal diseñadas para CNC son voluminosas y, por lo tanto, requieren mucho tiempo en una impresora 3D".

Varias empresas están trabajando para acelerar el proceso, señala Styles. Pero esa tecnología mejorada provocará otro desafío importante para las empresas:el costo. La fabricación aditiva puede ser costosa, por lo que es importante comprender todas las "palancas de costos", encuentra Jason T. Ray, consultor de estrategia industrial de fabricación avanzada.

“Debido a la novedad de la AM [fabricación aditiva] y los altos costos de inversión iniciales requeridos para comprar las máquinas, los casos de uso a menudo se convierten en un martillo en busca de clavos, en lugar de un proceso impulsado por la relación costo-beneficio”, señala Ray en el artículo “ Calculating the Cost of Additive Manufacturing” para la revista Disruptive. “Cuando esto sucede, se reduce el énfasis en el rediseño y las empresas terminan produciendo componentes que se diseñaron originalmente para métodos de fabricación tradicionales y, por lo tanto, solo obtienen una fracción de los beneficios de uso final asociados con la fabricación aditiva”.

Pero como encontró un informe de la Universidad de Nottingham, ese podría no ser el caso para siempre. Su teoría:a medida que la tecnología de las máquinas se vuelve más avanzada, el caso económico para adoptar aditivos en la producción se vuelve más factible. Sin embargo, mientras las máquinas sigan siendo las mismas, el costo seguirá siendo alto.

“Si bien estamos limitados hoy, dentro de 10 años veremos cientos de materiales disponibles”, dijo Styles a Engineering.com. “El problema no es realmente la disponibilidad de materiales, es el tiempo y el esfuerzo necesarios para cambiar de material. Hoy en día se tarda unas 24 horas en cambiar una máquina por un material nuevo”.

Sin embargo, hay algunos casos en los que el mecanizado CNC puede resultar más costoso que la fabricación aditiva. Pero solo hay una forma segura de averiguarlo.

“La mejor manera es simplemente obtener una cotización para los dos procesos de su proveedor de servicios de creación rápida de prototipos”, explica Styles. "Sin embargo, una regla general es la siguiente:si la pieza se puede mecanizar con CNC, entonces probablemente sea más barato mecanizarla con CNC, y en el 90 por ciento de los casos, esto es cierto".

Para colmo, Styles también destaca el hecho de que algunos materiales aditivos podrían necesitar más trabajo del mecanizado CNC, lo que incluiría la eliminación de soportes. Y lo que es más, el calor presenta probablemente el problema más importante de todos, amenazando, literalmente, con destrozar los productos.

Impresión 3D en fábricas:plástico, piezas, herramientas, híbrido

Dejando a un lado los desafíos, cuando se crean prototipos en plástico, la fabricación aditiva puede tener algunos beneficios importantes. Cuando se mecaniza CNC para la creación de prototipos con plástico, el problema radica en sus cortadores cilíndricos, que dificultan el mecanizado de las esquinas cuadradas internas que son comunes en este tipo de diseños. Con la impresión 3D, las oportunidades de personalización y de prueba y error en la creación de prototipos tienen sentido para los diseñadores de productos, piezas y herramientas.

La fabricación aditiva es "ideal para volúmenes bajos que necesitan una respuesta rápida y se benefician de los ahorros en configuración, herramientas y tiempos de preparación similares, aunque los tiempos reales por pieza pueden ser mucho más altos que con un proceso puramente sustractivo", encuentra Bob Warfield, CEO y fundador de CNC Cookbook, en un artículo sobre mecanizado híbrido (donde coexisten procesos aditivos y sustractivos).

El caso de la fabricación aditiva para piezas y herramientas

Los casos de uso del mundo real para la fabricación aditiva son dignos de atención. Varios de los principales fabricantes industriales están aprovechando al máximo el potencial de los aditivos. Aquí hay varios ejemplos de los principales actores industriales.

GE espera ahorrar dinero en las 25.000 boquillas de combustible para motores a reacción LEAP que produce anualmente de varias maneras. Primero, las técnicas aditivas usan menos material durante la producción. Las técnicas convencionales requerían que se soldaran meticulosamente 20 partes, y producían una tonelada de material desechado y desperdiciado, señala MIT Technology Review.

“[L]a decisión de producir en masa una pieza crítica de aleación de metal para usar en miles de motores a reacción es un hito importante para la tecnología”, escribe Martin LaMonica de MIT Technology Review. “Y aunque la impresión 3D para consumidores y pequeños empresarios ha recibido mucha publicidad, es en la fabricación donde la tecnología podría tener su impacto comercial más significativo”.

El proceso aditivo aquí utiliza polvos de metal híbrido que se rocían con láser para formar, lo que hace que la pieza sea más liviana, lo que genera ahorros de combustible para las aerolíneas. El proceso es más barato de producir para el fabricante, y la nueva pieza reduce el costo del cliente, lo que resulta en un verdadero beneficio mutuo.

En herramientas, Deloitte presenta un caso convincente para el uso de aditivos, detallando ejemplos del mundo real donde la creación rápida de prototipos a través de procesos aditivos ha reducido significativamente los tiempos de entrega para las piezas fundidas y para la fabricación de herramientas internas. Deloitte describe cómo Ford Motor Company ha aprovechado los aditivos de manera importante para sus motores EcoBoost, soportes de rotor, cubiertas de transmisión y rotores de freno para el Ford Explorer.

“La empresa utiliza AM para crear rápidamente los moldes de arena y los núcleos que se utilizan para fundir piezas prototipo”, señala Deloitte. "Esto ha ayudado a Ford a reducir el tiempo de entrega hasta en cuatro meses y le ha ahorrado a la empresa millones de dólares".

El caso del mecanizado híbrido:aditivo y sustractivo

Hablando de híbridos, los fabricantes de herramientas de fabricación aditiva han comenzado a desarrollar máquinas híbridas con capacidades tanto aditivas como sustractivas, y son todo un espectáculo para la vista. Estas máquinas "híbridas" combinan la libertad geométrica de la impresión 3D con la naturaleza precisa del mecanizado CNC.

“Imagine un caso en el que necesite fabricar volúmenes extremadamente bajos de piezas extremadamente sofisticadas, por ejemplo, piezas de repuesto para turbinas en una instalación de mantenimiento”, escribe Warfield. "Una máquina [híbrida] como esta podría ser ideal".

Sin embargo, con muchas de estas nuevas herramientas, los fabricantes se limitan a producir piezas individuales y, a menudo, no pueden producir directamente a partir de archivos digitales, algo que podrían lograr únicamente con estrategias aditivas.

“Hay que pensar en la impresión 3D en metal como una tecnología liberadora ”, enfatiza Styles. "Ahora puede diseñar piezas aparentemente imposibles y aun así hacerlas, pero la clave es mantener el volumen de material al mínimo".

Para los grandes fabricantes, los aditivos están teniendo un impacto. Pero incluso como señala Deloitte, ese impacto debe ubicarse en el contexto correcto de la innovación:

“Actualmente, la FA para la fabricación de herramientas no revoluciona tanto la cadena de suministro ni el diseño de productos, sino que mejora la eficiencia y eficacia de las cadenas de suministro y los productos. Sin embargo, a medida que la tecnología AM continúa mejorando y el uso de AM para herramientas continúa aumentando, puede ganar la capacidad de impactar las cadenas de suministro y los productos de las empresas de manera más directa al aumentar la capacidad de las empresas para innovar”.

¿Ha adoptado su taller la fabricación aditiva por completo? ¿Cuáles son algunos de sus mayores desafíos con la tecnología? Háganos saber en los comentarios a continuación.