Desarrollo de estándares para la impresión 3D:¿Dónde estamos hoy? (Actualización 2020)

El camino hacia la estandarización para las industrias y tecnologías emergentes puede ser largo y arduo. Pero para que una industria desarrolle un mercado fuerte, la necesidad de procesos estandarizados se vuelve cada vez más importante.

La impresión 3D ha alcanzado este momento decisivo:el 46% de las empresas encuestadas por EY esperan aplicar la tecnología para la producción de piezas finales para 2022. Claramente, a medida que la tecnología continúa cambiando hacia la producción, la necesidad de la estandarización es más aguda que nunca.

Los beneficios de la estandarización para la impresión 3D

La estandarización se refiere a las mejores prácticas, regulaciones y puntos de referencia que guían a las industrias y organizaciones. Para una tecnología emergente y disruptiva como la impresión 3D, los estándares pueden proporcionar una base muy necesaria para facilitar una adopción más amplia de la tecnología, especialmente a medida que el mercado continúa creciendo. Los beneficios de una mejor garantía de calidad y coherencia del proceso son claros.

Sin embargo, el camino hacia una mayor estandarización para la fabricación aditiva no es sencillo. Los orígenes digitales de la fabricación aditiva significan que hay factores adicionales a considerar que para la fabricación tradicional, desde el uso de formatos de datos hasta las pautas para los procesos de diseño y producción.

Vemos dos beneficios centrales de la estandarización para 3D impresión:

1. Garantizar la coherencia

Producir constantemente piezas de alta calidad y garantizar un proceso repetible cada vez sigue siendo uno de los desafíos actuales dentro de la fabricación aditiva.

La producción aditiva consiste en una compleja red de variables, desde las materias primas hasta la optimización del diseño y los procesos de fabricación, que a su vez requieren la interacción entre una infraestructura de software y hardware. Cada una de estas etapas debe monitorearse, evaluarse y controlarse para garantizar la repetibilidad y confiabilidad de las piezas impresas en 3D, evitando al mismo tiempo un costoso enfoque de prueba y error.

La estandarización puede ayudar a definir los parámetros para cada paso de la producción de AM, ayudando a crear un proceso consistente en cada paso del camino. De esta manera, una empresa puede comparar la calidad de sus procesos de AM con un conjunto de criterios preliminares. Esto asegura que se logre el resultado de calidad deseado.

2. Cumpliendo con los estándares regulatorios

En industrias altamente reguladas como la médica, automotriz, aeroespacial y de defensa, los problemas con la certificación de productos también pueden retrasar una adopción más amplia de AM. Las piezas producidas con tecnologías aditivas tienen propiedades que pueden ser bastante diferentes de las que se obtienen con la fabricación sustractiva, lo que complica la garantía de calidad y la certificación.

Los estándares de calificación y certificación abren una ruta factible hacia la certificación de productos al proporcionar las pautas según las cuales se evalúan y califican las piezas.

Desafíos para la estandarización

Si bien existen actualmente algunos estándares para la impresión 3D, muchos de los estándares críticos aún están en desarrollo. Hemos delineado algunas áreas donde se necesita la estandarización para la impresión 3D.

1. Materiales

Uno de los desafíos actuales se centra en los materiales específicos de AM, para muchos de los cuales no existen estándares. Los materiales para la fabricación de aditivos metálicos en particular son un área clave de enfoque, particularmente porque son utilizados por industrias altamente exigentes como la aeroespacial y médica.

La falta de estandarización para materiales específicos de AM significa, por ejemplo, que los fabricantes no pueden tomar valores de tensión. Los datos de diseño y control de procesos también son muy limitados debido a la falta de especificaciones de material de impresión 3D, lo que puede afectar la forma en que se crea una pieza.

Una forma de lidiar parcialmente con este problema es adoptar estándares existentes, desarrollados para materiales convencionales, directamente para materiales AM. Sin embargo, aún no se ha determinado hasta qué punto se pueden aplicar estos estándares, ya que el comportamiento mecánico de las piezas AM puede diferir significativamente de sus homólogos de fabricación convencional.

2. Control de procesos

La naturaleza patentada de las variables de proceso de AM plantea otro desafío para la estandarización. Es posible que muchos fabricantes de impresoras 3D no estén dispuestos a compartir datos sobre la optimización de las variables del proceso, lo que afecta las propiedades de una pieza impresa como el historial térmico, la microestructura y la formación de defectos. Aquí, las estrategias de colaboración y plataforma abierta serán clave para abordar este desafío.

3. Certificación

Finalmente, el desarrollo de enfoques de certificación sólidos es un área de enfoque en la estandarización de la impresión 3D. El método actual de garantía y verificación de la calidad consiste en probar las piezas finales, lo que requiere tiempo y recursos adicionales. Para superar este problema, la industria necesita desarrollar procesos integrales de certificación de piezas que permitan un mejor control de calidad en tiempo real.

Lo que dificulta la tarea es el hecho de que los procesos de certificación difieren según la industria y la aplicación. Cómo y cuándo se realizan las pruebas para la certificación es un área que deberá especificarse en cualquier proceso de estandarización.

Desarrollo de un marco estandarizado para la impresión 3D

Hasta ahora, no se ha logrado un consenso mundial sobre las normas para los procesos y productos de fabricación aditiva. Sin embargo, el progreso está tomando forma, con esfuerzos de colaboración realizados por las organizaciones de desarrollo de estándares (SDO) y otros organismos para construir un conjunto completo de estándares para la fabricación aditiva.

Organizaciones de desarrollo de estándares

ISO y ASTM International son dos SDO clave que han formado comités dedicados para apoyar la adopción de la fabricación aditiva en todas las industrias. Basados ​​en gran medida en esfuerzos voluntarios, tanto ISO como ASTM International están trabajando para cubrir todos los aspectos de la fabricación aditiva.

En 2016, establecieron grupos de trabajo conjuntos para actualizar y aprobar una estructura organizativa común para los estándares AM, con el objetivo de armonizar su desarrollo dentro de la industria AM.

Como parte de esta colaboración, ambos SDO anunciaron un marco para los estándares de impresión 3D:la Estructura de estándares de fabricación aditiva . El marco describe las diversas categorías que requieren estandarización, que cubren ampliamente:

• Materiales
• Procesos y equipos
• El tratamiento de las piezas terminadas
  

Desde entonces, la colaboración ha sido fructífera. En mayo de 2020:

• El Comité F42 de ASTM sobre tecnologías de fabricación aditiva ha aprobado 22 normas
• El Comité Técnico 261 de ISO sobre Fabricación Aditiva (ISO / TC 261) ha publicado 15 estándares, con 30 estándares adicionales en diversas etapas de desarrollo.

ASTM también ha lanzado varias rondas de financiamiento para ayudar a respaldar el desarrollo de estándares para la industria de la manufactura. En 2019, se lanzó una nueva ronda de financiación, en beneficio de las mismas instituciones y su investigación, con la incorporación del Clúster Nacional de Innovación en Fabricación Aditiva de Singapur (NAMIC).

Estándares de impresión 3D para polvo metálico fusión de la cama

En 2018, el Comité F42 de ASTM emitió una norma para aumentar el uso de procesos de fusión de lecho de polvo metálico (PBF).

La norma, conocida como F3303, está orientada a fabricación aditiva para los sectores médico, aeroespacial y otros. Describe los pasos para calificar máquinas y procesos basados ​​en tecnologías SLM, EBM y DMLS. Asegurar que los pasos de AM sean fijos y repetibles podría ayudar a superar muchos de los desafíos asociados con la aplicación y aprobación de piezas metálicas impresas en 3D.

En este momento, el enfoque principal de ASTM es desarrollar un estándar para SLM tecnología, actualmente el método de impresión 3D de metal más popular.

Además de ASTM, la Federación de Industrias de Polvo Metálico (MPIF) ha publicado recientemente nueve métodos de prueba estándar MPIF para caracterizar polvos de metal AM.

Dirigido a diseñadores, fabricantes y usuarios de piezas de metal AM, esta colección es otra señal de que las industrias reconocen el papel cada vez mayor de la impresión 3D de metal en el mundo de la fabricación.

Estandarización de la impresión 3D para la industria aeroespacial

Para abordar la estandarización en AM de metales para la industria aeroespacial, la asociación de estándares de ingeniería global SAE International ha emitido recientemente cuatro nuevos estándares de PBF.

El nuevo conjunto de estándares para especificaciones de materiales aeroespaciales (AMS) respalda la certificación de piezas críticas de aeronaves y naves espaciales, y cubre especificaciones de materiales para aleaciones de níquel y requisitos de proceso para impresión 3D con polvos metálicos.

Sin embargo, SAE no se ha detenido solo en eso. Más recientemente, la organización también emitió las primeras especificaciones de polímeros AM para la industria aeroespacial el año pasado. Por ejemplo, la especificación AMS7100 establece los controles y requisitos críticos para producir piezas aeroespaciales fiables, repetibles y reproducibles mediante Fused Deposition Modeling (FDM®) u otro material de extrusión de producción.

El comité F42 de ASTM International también está desarrollando 4 normas adicionales que ayudarán a los fabricantes de piezas de aeronaves a cumplir con los requisitos de seguridad y rendimiento. Los estándares cubren materias primas, propiedades de las piezas terminadas, rendimiento y confiabilidad del sistema, y ​​principios de calificación.

El Colaborativa de estandarización de fabricación aditiva (AMSC)

El desarrollo de estándares apropiados es un factor clave para la adopción generalizada de la fabricación aditiva. Sin embargo, se necesita un enfoque consistente para este desarrollo para facilitar un crecimiento más rápido de la industria.

A la luz de esta necesidad, America Makes, el Instituto de Innovación en Fabricación Aditiva de EE. UU. Y el Instituto Nacional de Estándares de EE. UU. (ANSI) han unieron fuerzas para establecer la Colaboración de Estandarización de la Fabricación Aditiva (AMSC).

Desde 2016, AMSC ha publicado dos versiones de su Hoja de Ruta de Estandarización para la Fabricación Aditiva. La hoja de ruta está diseñada para identificar estándares (aprobados y en desarrollo), evaluar brechas y determinar áreas prioritarias para I + D adicional y estandarización. Más de 300 personas de 175 organizaciones diferentes del sector público y privado apoyaron el desarrollo de la segunda versión de la Hoja de ruta, publicada en julio de 2018.

La hoja de ruta de AMSC proporciona una instantánea del panorama actual de estándares para aditivos industriales. fabricación. Curiosamente, identifica 93 brechas, 18 de las cuales se consideran de alta prioridad para desarrollar más estándares. Las brechas incluyen la necesidad de establecer una guía para resaltar las compensaciones entre las tecnologías aditivas y sustractivas, así como las pautas de diseño específicas del proceso.

A fines de 2019, America Makes y ANSI también lanzaron un portal en línea para rastrear la actividad de estandarización en AM

Aunque es un desafío, rastrear y finalmente salvar las brechas de estandarización es imperativo para AM partes interesadas que buscan desbloquear el potencial de las tecnologías aditivas para la producción.

La importancia de la colaboración

La colaboración y las asociaciones de la industria han sido mecanismos poderosos en la fabricación aditiva, y el desarrollo de estándares no es una excepción. Fomentar la colaboración brinda una excelente oportunidad para aprovechar la experiencia de AM industrial que puede ayudar a expandir el alcance de los estándares de impresión 3D para la industria.

• Por ejemplo, SLM Solutions Group se ha asociado con el Instituto Alemán de Normalización (DIN) para apoyar al Comité Directivo de Fabricación Aditiva recién fundado de este último. A través de su experiencia tecnológica, SLM Solutions tiene como objetivo acelerar la viabilidad comercial de la impresión 3D de metal.

• También se establece la colaboración entre Oerlikon y Boeing para desarrollar estándares para la impresión 3D de metales. Dirigida al uso de AM en la industria aeroespacial y de defensa, la asociación se centra en la estandarización de materiales y procesos para la impresión 3D de metal en polvo de componentes estructurales de titanio.

• El mes pasado, ASTM International invirtió $ 300,000 en proyectos de investigación dentro del Centro de excelencia de fabricación aditiva, que se enfocan en cuatro áreas principales, que incluyen materia prima, calificación de procesos, posprocesamiento y pruebas.

• El lanzamiento del Centro de excelencia de fabricación aditiva este verano también es otro hito para la industria. La nueva instalación, fundada por ASTM International en colaboración con la Universidad de Auburn, la NASA, EWI y el Centro de Tecnología de Fabricación (MTC) con sede en el Reino Unido, se centra en unir la I + D y la estandarización para llenar los vacíos clave de la industria.

Mientras que MTC desarrollará estándares para evaluar la calidad y la reciclabilidad de los polvos metálicos, los investigadores de la NASA se centrarán en las especificaciones para las máquinas y los procesos basados ​​en láser. EWI estudiará el posprocesamiento para ayudar a estandarizar la calidad de la superficie y las métricas de medición. Finalmente, la Universidad de Auburn será responsable de investigar problemas de pruebas mecánicas en metal AM para ayudar a crear pautas sobre el diseño de muestras para probar piezas impresas en 3D.

Con una variedad de partes interesadas clave de la industria reunidas bajo un mismo techo, esta colaboración podría cambiar las reglas del juego para la industria.

Estandarización:dando forma al futuro de la impresión 3D

“Sería increíblemente beneficioso para todas las partes interesadas y constituyentes si la industria tuviera mejores estándares en general, estándares que sean entendidos y aceptados universalmente. Con los estándares, las empresas pueden comparar manzanas con manzanas y tomar decisiones inteligentes que se pueden implementar dentro de un ecosistema integral de proveedores, fabricantes y usuarios ".

Avi Reichental, fundador de XponentialWorks

Si bien la impresión 3D continúa su incursión en la fabricación industrial, la adopción generalizada de la tecnología se ve obstaculizada por desafíos relacionados con la calidad, la consistencia y la certificación de las piezas. La estandarización puede ayudar a abordar algunos de estos desafíos más urgentes.

Para asegurar que la fabricación aditiva continúe en el camino hacia la adopción generalizada, será necesario establecer estándares y pautas. Al mismo tiempo, sin embargo, tales desarrollos llevarán tiempo, posiblemente incluso varios años.

Pero los beneficios son obvios:estándares claros impulsarán el uso de la impresión 3D para la producción al fomentar una terminología común, pruebas eficientes y materiales y procesos consistentes.