Revolucionando la fabricación: 4 aplicaciones innovadoras de la impresión 3D a gran escala

La impresión 3D a gran escala está emergiendo lentamente como una solución rentable y flexible para fabricar piezas y componentes de gran tamaño. Dicho esto, con la mayoría de las impresoras 3D disponibles actualmente desarrolladas para piezas más pequeñas, ¿cuál es el panorama para las tecnologías de impresión 3D que pueden imprimir piezas más grandes como álabes de turbina y alas de avión completas?
 

El artículo de hoy explorará las tecnologías de impresión 3D a gran escala disponibles actualmente, así como las aplicaciones actuales que demuestran el poder de la impresión 3D a gran escala.

¿Qué es la impresión 3D a gran escala?

Como tecnología de fabricación, la impresión 3D está encontrando cada vez más su lugar. La tecnología se utiliza en aplicaciones tan diversas como cojinetes divididos, componentes automotrices, implantes médicos y calzado. Sin embargo, lo que estas aplicaciones tienen en común es que las piezas producidas son todas de tamaño relativamente pequeño.

 

Admitidamente, la impresión 3D de gran formato sigue siendo una tecnología de nicho. Sin embargo, tiene el potencial de resolver muchos desafíos que enfrentan los fabricantes al producir piezas más grandes.

 

Componentes de tamaño considerable, como las alas de los aviones, son pesados y voluminosos y requieren configuraciones más largas y herramientas más grandes para producirse. Esto se traduce en última instancia en mayores costos de fabricación y plazos de entrega más prolongados.

 

La impresión 3D podría ayudar a los fabricantes a producir piezas grandes de manera más rápida y rentable. Con la complejidad de diseño que ofrece la impresión 3D, dichas piezas también podrían beneficiarse de ventajas clave como la reducción de peso y el rendimiento mejorado. Finalmente, si los componentes grandes pueden imprimirse en una sola ejecución, en lugar de imprimirse en partes y luego ensamblarse, esto también tiene la ventaja adicional de reducir los tiempos de ensamblaje.

Tecnologías de impresión 3D a gran escala

Cuando se trata de impresión 3D a gran escala, hay una serie de tecnologías que cumplen con los requisitos. A continuación se muestran algunas de las tecnologías de impresión 3D a gran escala disponibles comercialmente que debe conocer.

Impresión 3D de gran formato para plásticos

Fabricación Aditiva de Gran Área (BAAM)

 

 

Una de las tecnologías de impresión 3D más grandes disponibles actualmente es la Fabricación Aditiva de Gran Área (BAAM). Desarrollada por el Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL) en asociación con Cincinnati Inc., BAAM apareció por primera vez en IMTS 2014, donde se utilizó para imprimir en 3D un automóvil completo.

 
La impresora 3D, que utiliza un extrusor colocado en un sistema de pórtico, puede crear piezas de hasta 6 x 2,4 x 2 m utilizando materiales termoplásticos como ABS, PPS, PC, PLA y PEI.

 
Desde su introducción, BAAM se ha utilizado en varias aplicaciones, desde prototipos a escala real de un casco de submarino hasta vehículos autónomos impresos en 3D.

 
Fabricación Aditiva a Gran Escala (LSAM)

 

 

La tecnología de Fabricación Aditiva a Gran Escala (LSAM), desarrollada por la empresa estadounidense Thermwood, es otra que se centra exclusivamente en la producción industrial.

 
Presentada por primera vez en 2016, una impresora 3D LSAM tiene un volumen de construcción de 10 x 40 pies (aprox. 37 m²) y puede imprimir objetos tanto horizontal como verticalmente.

 
Una de las características únicas de la impresora 3D LSAM es su enfoque híbrido para producir piezas, combinando tecnologías aditivas y sustractivas.

 
Comprende un pórtico de impresión 3D y un segundo pórtico de acabado: este último es, en realidad, un enrutador CNC de cinco ejes. Esta combinación significa que todos los pasos para la producción de piezas pueden realizarse en la misma máquina, acelerando el proceso de fabricación.

 
La impresora 3D LSAM también cuenta con un diseño de tornillo extrusor fabricado con aleaciones de acero especiales. Con este diseño, su cabezal de impresión puede imprimir a temperaturas de hasta 450 °C, lo que permite fabricar piezas grandes que requieren termoplásticos compuestos de alta temperatura.

 
La máquina LSAM de Thermwood se ha desarrollado para la producción de utillaje industrial, como moldes y accesorios de producción para industrias que incluyen la automotriz y la aeroespacial.

 
Impresoras 3D a gran escala de BigRep

 

 

Un nombre conocido en el mundo de la impresión 3D de gran formato, BigRep fue fundada en 2014 con el objetivo de hacer que la impresión 3D a gran escala sea tan fácil y asequible como sea posible.

 
La compañía introdujo su primera máquina, la BigRep ONE v1, en el mismo año, y la máquina presume de un volumen de construcción bastante grande de 1 metro cúbico y tiene un precio de alrededor de 40.000 dólares.

 
Cinco años desde el lanzamiento de la impresora 3D BigRep ONE original, la BigRep ONE (ahora en su tercera iteración) aún se clasifica como una de las máquinas con menor precio por volumen disponibles.

 
La línea de impresoras 3D de BigRep llena el vacío del mercado entre las pequeñas impresoras 3D de escritorio y las impresoras industriales más grandes y costosas, y se dirige a pequeñas y medianas empresas de diseño y fabricación.

Impresión 3D de metal a gran escala

Fabricación Aditiva por Haz de Electrones (EBAM)

 

En el mundo de la impresión 3D de metal, Sciaky ofrece algunas de las impresoras 3D de metal más grandes, impulsadas por su tecnología de Fabricación Aditiva por Haz de Electrones (EBAM). Por ejemplo, el sistema EBAM 150 tiene un impresionante volumen de construcción de 3708 x 1575 x 1575 mm.

 
EBAM utiliza un proceso similar a la soldadura, donde un haz de electrones se utiliza para fundir metal en forma de alambre. Esto significa que la tecnología es adecuada para procesar una amplia gama de materiales soldables, desde titanio hasta Inconel y acero inoxidable.

 
Sciaky posiciona su sistema AM como una alternativa más rápida y asequible a las forjas y fundiciones a gran escala. El sistema patentado de Control de Bucle Cerrado de la compañía permite la fabricación de piezas de metal con propiedades y microestructuras mejoradas para aplicaciones en el ejército, la marina y la aeroespacial.

 
Fabricación Aditiva por Arco de Alambre (WAAM)

 

De manera similar a EBAM, la Fabricación Aditiva por Arco de Alambre (WAAM) también utiliza alambre como materia prima, pero funde los materiales con la ayuda de un arco eléctrico. WAAM puede fabricar piezas de hasta 10 m de longitud, utilizando aleaciones metálicas como titanio, níquel, acero inoxidable, aluminio y aleaciones de bronce.

 
WAAM se puede utilizar para producir piezas grandes de metal, como recipientes a presión y paneles para el fuselaje de aviones. Además de la producción de piezas finales, la tecnología es una opción ideal para operaciones de reparación y mantenimiento de componentes específicos como álabes de turbina, así como moldes y matrices.

Impresión 3D de arena de gran formato

 

Quizás el fabricante más conocido de impresoras 3D de arena de gran formato es voxeljet, que ha estado activo en esta área desde 2002.

 
En 2011, voxeljet presentó la VX4000, que es una de las impresoras 3D de arena más grandes hasta la fecha, con un volumen de construcción de 4 x 2 x 1 m.

 
Junto a voxeljet, ExOne ofrece sistemas profesionales de impresión en arena, con un volumen de construcción máximo que alcanza 2,2 x 1,2 x 0,7 m.

 
Tanto las impresoras 3D de Voxeljet como de ExOne utilizan un proceso llamado Inyección de Aglutinante (Binder Jetting), donde un agente aglutinante líquido se deposita selectivamente sobre una capa de arena para unir las partículas de arena.

 
La impresión 3D en arena es particularmente beneficiosa para la industria de la fundición, ya que ofrece una forma más rápida y rentable de crear moldes y núcleos de arena grandes y complejos para la fundición de metales.

3 industrias que pueden beneficiarse de la impresión 3D a gran escala

Como hemos visto, ser capaz de imprimir en 3D piezas grandes ofrece a las empresas una serie de beneficios. A continuación, veremos cómo tres industrias diferentes pueden aprovechar la impresión 3D a gran escala para acelerar la producción, agilizar la entrega, reducir el desperdicio de material y crear geometrías inalcanzables con la fabricación tradicional.

Aeroespacial

Para la industria aeroespacial, la impresión 3D, en gran medida, se ha utilizado para producir piezas y utillaje de tamaño pequeño y mediano, ayudando a los fabricantes a ahorrar tiempo y reducir costos.

 
Sin embargo, la impresión 3D de gran formato también ofrece oportunidades únicas para el sector. Los beneficios incluyen la reducción de largos plazos de entrega y desperdicio de material.

 
Típicamente, producir piezas estructurales grandes con métodos tradicionales como forjado y mecanizado puede llevar hasta un año. Además de los largos plazos de entrega, los métodos sustractivos tradicionales también pueden generar mucho desperdicio de material, hasta un 80 % en algunos casos.

 
La impresión 3D a gran escala, por otro lado, puede utilizarse para producir piezas en una fracción del tiempo y con menor desperdicio de material. Más importante aún, la tecnología puede imprimir componentes de varias partes como una sola pieza, una técnica conocida como consolidación de piezas. Con este enfoque, los tiempos de ensamblaje pueden reducirse significativamente.

Enfoque: Lockheed Martin imprime piezas aeroespaciales en 3D

 

Una de las tecnologías de impresión 3D de gran formato más utilizadas dentro de la industria aeroespacial es la tecnología EBAM de Sciaky. Una razón clave para su uso en aplicaciones aeroespaciales es su capacidad para producir piezas de alto rendimiento de hasta 6 m de altura y 1,2 m mucho más rápido de lo que sería posible con técnicas de fabricación tradicionales.

 
La empresa aeroespacial y de defensa global, Lockheed Martin, fue de las primeras en utilizar EBAM, habiendo usado la tecnología desde 2014. Con esta capacidad de impresión 3D de gran formato, la empresa puede imprimir en 3D cúpulas de titanio gigantes, cada una de 116 cm de diámetro, para sus tanques de combustible de satélites.

 
Calificadas el verano pasado, las cúpulas impresas en 3D se desarrollaron como parte de un programa de desarrollo de varios años para crear tanques de alta presión para transportar combustible a bordo de satélites. El tanque de combustible del satélite consiste en un cilindro de titanio fabricado tradicionalmente que forma el cuerpo y dos cúpulas impresas en 3D que sirven como tapas. Las tres piezas se sueldan juntas para formar el recipiente final del tanque.

 
Al aprovechar la capacidad de EBAM para depositar la cantidad exacta de material necesaria, Lockheed Martin pudo reducir el desperdicio de material en un 80 %. Además, la alta velocidad de deposición del sistema EBAM, que puede alcanzar hasta 11 kg por hora, permitió al fabricante entregar las cúpulas en tres meses en lugar de dos años, una asombrosa reducción del 87 % en el tiempo de entrega.

 
Lockheed Martin cree que estos tanques son un paso hacia la transformación de la forma en que la empresa diseña y entrega tecnología espacial. Y la impresión 3D de gran formato juega un papel clave para ayudar a la empresa a moverse en esa dirección.

Enfoque: Bell Helicopters usa impresión 3D para crear utillaje de álabes grandes

 

Mientras que Lockheed Martin ha encontrado casos de uso para la impresión 3D de metal a gran escala en la producción de piezas finales, la impresión 3D de polímeros está cambiando el juego para la producción de utillaje en Bell.

 
En la industria aeroespacial, producir utillaje puede ser un proceso largo y costoso. Buscando superar estos desafíos, Bell recurrió a la tecnología LSAM de Thermwood para producir moldes grandes para álabes de helicópteros.

 
Los requisitos clave para el utillaje eran un buen acabado superficial, tolerancias estrictas y la capacidad de resistir el procesamiento en autoclave, una técnica que ayuda a fortalecer las piezas compuestas que estarán expuestas a presión y temperatura elevadas.

 
LSAM era ideal para tal aplicación por dos razones principales. Primero, permitió fabricar la herramienta de 6 m de largo a partir de un material PESU reforzado con carbono de alto rendimiento, que puede soportar altas presiones y temperaturas. Segundo, dado que LSAM es una tecnología híbrida, una pieza puede imprimirse en 3D y acabarse sin necesidad de una segunda máquina, lo que ayuda a acelerar aún más el proceso de producción.

 
Estos beneficios permitieron a Thermwood fabricar la herramienta en solo unos días, en lugar de los meses que llevaría con los procesos tradicionales.

 
Además, la tecnología aditiva hizo posible diseñar estructuras de soporte internas de manera que no tocaran el lado posterior de la cavidad del molde. Como resultado, el aire podía fluir libremente debajo de toda la pieza formada en el autoclave, lo que ayuda a curar la pieza de manera más consistente.

 
Este logro apunta a las nuevas posibilidades de diseño que la impresión 3D a gran escala desbloquea para componentes aeroespaciales grandes y técnicamente complejos.

Construcción

Si bien la impresión 3D en la industria de la construcción está todavía en una etapa muy temprana de adopción, la tecnología ofrece un potencial prometedor para el sector.

 
Por ejemplo, una de las tendencias emergentes para la impresión 3D dentro de la industria de la construcción es el encofrado prefabricado impreso en 3D.

 
En la construcción, el encofrado se refiere a un molde temporal en el que se vierte y forma el hormigón. Los encofrados se utilizan para crear desde puentes hasta cimientos y paredes de un edificio.

 
Típicamente, el encofrado puede producirse manualmente usando madera. Sin embargo, el encofrado de madera no es particularmente duradero y a menudo comienza a descomponerse después de 15 a 20 coladas. Además, el proceso manual limita inevitablemente el alcance de las formas y geometrías posibles a lo que es humanamente posible producir.

 
En tal escenario, la impresión 3D a gran escala puede simplificar significativamente el proceso de creación de encofrados, al tiempo que permite una mayor complejidad y durabilidad para estructuras de moldes grandes.

Enfoque: Los moldes prefabricados impresos en 3D transforman la fachada de un edificio de varios pisos

 

Un ejemplo reciente del uso de encofrado impreso en 3D involucra un proyecto de renovación a gran escala para un edificio residencial y comercial de 42 pisos en la ciudad de Nueva York.

 
Gate Precast, una empresa que había estado trabajando en la nueva fachada del edificio, descubrió que crear moldes de madera para el proyecto sería una tarea importante que podría llevar hasta 9 meses completarse. Los moldes requeridos eran grandes, algunos de ellos midiendo hasta 2,6 x 1,7 x 0,5 m, lo que se sumaba a los largos tiempos de producción.

 
Para acelerar el proceso, la compañía decidió experimentar con la impresión 3D, asociándose con el Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL) para usar su tecnología BAAM.

 
Gracias a BAAM, la empresa pudo imprimir moldes entre 8 y 11 horas cada uno, con 8 horas adicionales de mecanizado para lograr el acabado superficial deseado. Los moldes se fabricaron con ABS reforzado con fibra de carbono, un termoplástico común mezclado con fibras de carbono picadas para mayor resistencia.

 
El resultado es un molde fuerte que puede soportar hasta 200 coladas de hormigón en su vida útil, en comparación con 15-20 coladas para un molde de madera.

 
La compañía cree que sin los moldes impresos en 3D y BAAM, habría sido imposible crear los encofrados dentro del plazo requerido para este proyecto.

 
En este caso, la impresión 3D aportó valor produciendo moldes más duraderos y complejos en un plazo más corto.

 
Dicho esto, si bien este enfoque para crear moldes de encofrado tiene sus ventajas, la impresión 3D no va a reemplazar al encofrado de madera. Sin embargo, este proyecto demuestra que la impresión 3D de piezas grandes ofrece una serie de beneficios para la industria de la construcción, dando a los arquitectos una alternativa viable de fabricación de moldes prefabricados.

Fundición

La impresión 3D de gran formato está cobrando cada vez más relevancia en la industria de la fundición. El negocio de la fundición implica la producción de piezas fundidas de metal mediante la fusión y vertido de metal en moldes y núcleos especialmente formados.

 
Cuando se trata de procesos de fundición de metal, la tecnología puede ayudar a evitar los aspectos costosos y que consumen mucho tiempo de la creación de modelos, núcleos y moldes.

 
Tomemos la fundición de metal convencional como ejemplo. Para pasar de un dibujo a producir moldes y modelos precisos y, finalmente, a la pieza fundida terminada, puede llevar meses. Las fundiciones también suelen tener que almacenar moldes en inventarios, lo que puede ser costoso en el caso de moldes más grandes o de uso poco frecuente.

 
La escasez de fabricantes de modelos y moldes cualificados es otro desafío al que a menudo se enfrentan las fundiciones.

 
La impresión 3D puede utilizarse como una herramienta dentro de la industria de la fundición de metal para ayudar a abordar los desafíos anteriores. Una de las ventajas de la tecnología radica en el proceso de construcción de moldes considerablemente simplificado. Dado que la impresión 3D solo requiere un archivo de diseño, se puede eliminar el proceso manual de fabricación de moldes y el ensamblaje de núcleos complejos.

 
Optimizar la producción de esta manera permite a una fundición crear moldes y modelos en unos pocos días en lugar de semanas y meses. Además, la impresión 3D puede utilizarse para producir moldes bajo demanda, ayudando a una empresa a minimizar su inventario físico y, por lo tanto, los costos de almacenamiento.

Enfoque: Teignbridge fabrica hélices con modelos de fundición impresos en 3D

 

Teignbridge se especializa en la fabricación de hélices personalizadas y sistemas de propulsión de embarcaciones para remolcadores, yates de lujo, arrastreros y transbordadores. Desde su fundación hace 40 años, la empresa ha estado utilizando el proceso de fundición en varias etapas en la producción de sus productos.

 
Una de las etapas implica hacer un modelo, un modelo del objeto final. El modelo se coloca en una caja de arena para crear un molde. A menudo, este es un proceso laborioso y que consume mucho tiempo y primero requiere fresar un modelo a partir de un bloque de madera o poliestireno.

 
Para reducir el tiempo necesario para crear un modelo, Teignbridge decidió optar por la impresión 3D FDM de gran formato, utilizando la impresora 3D BigRep ONE de BigRep.

 
Tener una impresora 3D con un sobre tan grande internamente permite a Teignbridge imprimir el modelo de plástico completo de una sola vez y aporta beneficios tangibles de tiempo de ciclo reducido y mano de obra.

 
Por ejemplo, cuando se utiliza un enfoque tradicional para hacer un modelo, un operador CNC cualificado puede pasar hasta 20 horas en el fresado, ensamblaje de secciones y post-procesamiento. La impresión 3D, en cambio, permite a Teignbridge automatizar el proceso de fabricación de modelos, reduciendo la mano de obra en un 90 %.

 
En la fundición de metal, la impresión 3D se utiliza cada vez más como una forma alternativa de producir modelos y moldes.

 
Además de la impresión 3D FDM de gran formato, las empresas también tienen una opción de impresión 3D en arena. Las impresoras 3D de arena eliminan el paso de fabricación del modelo al crear un molde de arena directamente.

 
Aunque los sistemas de impresión 3D en arena pueden ser tan grandes como 4000 x 2000 x 1000 mm, tienden a ser bastante costosos. Dicho esto, las empresas están comenzando a reconocer las ventajas de los modelos y moldes impresos en 3D, ya que hacen que el proceso de fundición sea más rápido, más flexible y rentable.

Grandes oportunidades con la impresión 3D a gran escala

La impresión 3D de gran formato sigue siendo una tecnología de nicho. Una de las razones clave puede residir en el hecho de que muchas empresas aún no son conscientes de los beneficios y posibilidades de la fabricación aditiva en general, y mucho menos de su aspecto de gran formato. Como resultado, las empresas luchan por encontrar un caso de negocio apropiado.

 
Esto se complica porque muchos sistemas de impresión 3D de gran formato siguen siendo prohibitivamente caros. Como resultado, las empresas que querrían experimentar con la tecnología para encontrar la aplicación adecuada no pueden permitírsela.

 
Afortunadamente, esto comienza a cambiar, ya que el mercado de la impresión 3D a gran escala crece continuamente, proporcionando algunas opciones más asequibles como las impresoras 3D de BigRep.

 
En última instancia, la tecnología para imprimir piezas más grandes tiene el potencial de expandirse a otros mercados y aplicaciones. El sector automotriz podría ser uno de ellos.

 
Los fabricantes de automóviles podrían utilizar la impresión 3D de gran formato para prototipar piezas más grandes, como alerones y paneles de carrocería, que son difíciles de imprimir con las máquinas actuales.

 
"Cualquier vehículo está compuesto por muchos componentes pequeños que encajan bien dentro de los envolventes de construcción de las máquinas actuales", dice Harold Sears de Ford Motor Company, hablando con AMFG en una entrevista reciente. "Pero también hay muchos componentes más grandes que simplemente no encajan hoy. Así que nos gustaría ver a los fabricantes considerar otros sistemas que tengan un envolvente de construcción más grande".

 
Claramente, la demanda de impresión 3D de gran formato está ahí, impulsada por los beneficios de reducción de plazos de entrega y costos. Ahora, la industria necesita continuar avanzando la tecnología para satisfacer esa necesidad, permitiendo que otras industrias se abran a oportunidades más grandes, tanto literal como figurativamente.