Superando los 10 principales retos de la fabricación aditiva para producción en 2020 — Perspectivas de expertos

Actualizado en 2020

La flexibilidad de diseño, eficiencia de material y producción de bajo volumen hacen de la fabricación aditiva (FA) una opción atractiva para muchas empresas. Sin embargo, para aprovechar plenamente la FA en un entorno de producción, deben abordarse varios obstáculos.

Desafíos tecnológicos

1. Velocidades de producción lentas

La velocidad sigue siendo un factor crítico, especialmente para industrias de alto volumen como automoción y bienes de consumo. Las impresoras 3D tradicionales a menudo van por detrás de la fabricación convencional en rendimiento.

«La pieza final es el rendimiento o la velocidad de las máquinas. [Automoción] los volúmenes de producción son considerablemente diferentes de los de aeroespacial o médico. Así que tenemos que buscar sistemas capaces de producir piezas en minutos o segundos en lugar de días y horas. Cualquier cosa que podamos hacer para impulsar la tecnología hacia velocidades de construcción más rápidas definitivamente nos ayudará también».

Harold Sears, Líder Técnico de Tecnologías de Fabricación Aditiva en Ford

Los fabricantes están invirtiendo fuertemente en soluciones de alta velocidad. EOS, por ejemplo, está desarrollando Laser Pro Fusion, que usará hasta 1 millón de láseres diodo en un solo sistema SLS, reduciendo potencialmente los tiempos de construcción drásticamente. En impresión metálica, la Impresión Multinivel Concurrente (MCP™) de Aurora Labs permite deposición simultánea de múltiples capas —30 capas en una sola pasada, con meta de 100 capas el próximo año. Su impresora PMP1 ha alcanzado 350 kg/día, una mejora de velocidad del 2000 % respecto al año pasado.

Aunque estas tecnologías aún están en desarrollo, la trayectoria sugiere que la FA cumplirá las demandas de velocidad de producción en el futuro próximo.

2. Desarrollo de materiales e inconsistencias

«La industria de fabricación aditiva definitivamente necesita soluciones para más materiales. La impresión 3D es teóricamente capaz de producir piezas de alta complejidad y funcionalidad, ya sea mecánica, biológica, eléctrica. Pero hacer que eso suceda se reduce a tener suficientes opciones de material».

Simon Fried, Co-fundador de Nano Dimension

La FA ha dado zancadas significativas en materiales poliméricos y compuestos. Grandes empresas químicas —Arkema, BASF, DuPont— están desarrollando polímeros reforzados con carbono que rivalizan con la resistencia del metal. Markforged presentó Onyx FR, el primer compuesto retardante de llama para FA. Las materias primas metálicas también progresan, aunque el ciclo es más largo. A pesar del crecimiento, la industria aún carece de una base de datos de materiales completa, llevando a propiedades inconsistentes y repetibilidad difícil.

Organismos de normalización como ISO y ASTM están estableciendo especificaciones para polvos metálicos (níquel, titanio, acero inoxidable), y colaboraciones como America Makes con Stratasys y NIAR han producido una base de datos ULTEM 9085 para FDM. Estos esfuerzos ayudarán a las empresas a abastecer y cualificar materiales de forma fiable.

3. Postprocesamiento manual

Mientras el prototipado puede tolerar acabado manual, la producción exige automatización. Las piezas de FA metálica requieren retirada de polvo, tratamientos térmicos de alivio de tensiones, retirada de soportes, mecanizado CNC y a veces prensado isostático en caliente para eliminar porosidad.

«Con FA metálica, muchos pasos están involucrados para asegurar calidad. Esto incluye retirar adecuadamente el polvo y pasar por un ciclo de calentamiento de alivio de tensiones para que las piezas no se deformen y distorsionen por el estrés residual de calor acumulado en las piezas cuando se retiran de la placa de construcción. A menudo se requiere mucho tiempo para cortar y desbastar las estructuras de soporte. Otros pasos incluyen mecanizado CNC y otros trabajos de acabado, así como prensado isostático en caliente, que ayuda a asegurar que la pieza no contenga porosidad».

Terry Wohlers, Fundador y Presidente de Wohlers Associates

Soluciones de postprocesamiento automatizado están surgiendo —equipos de limpieza de DyeMansion, sistemas de alisado superficial de AMT y unidades de retirada de soportes de PostProcess Technologies. En metal, la línea de producción totalmente automatizada de Digital Metal demuestra cómo la robótica puede manejar cajas de construcción, postprocesamiento y manipulación de piezas, eliminando mano de obra manual.

Aunque el progreso es incremental, la expansión de flujos de trabajo automatizados es esencial para producción FA de alto volumen.

Desafíos de software

4. Capacidades limitadas de preparación de datos

«El diseño y la preparación de datos siguen siendo un cuello de botella en esta industria mientras el énfasis se pone en sistemas de hardware de mayor productividad, excluyendo soluciones de software inteligentes de esta ecuación».

Yves Hagedorn, Director Gerente en Aconity3D

Las herramientas CAD tradicionales no fueron diseñadas para los requisitos únicos de la FA —materiales graduados, estructuras de celosía, modelado de porosidad. Los diseñadores a menudo exportan a STL, importan a Netfabb, luego envían a la máquina, creando silos de datos y errores.

«Oímos de muchos de nuestros clientes que trabajan con flujos de trabajo muy desconectados. Hacen el proceso de diseño en una herramienta CAD, luego traducen eso a un archivo STL e importan en un procesador de construcción, como Netfabb. Desde ahí, se envía a la máquina y la máquina recopila datos sobre eso. Así que terminas con estos silos de datos que no están bien conectados».

Robert Yancey, Director de Estrategia de Industria de Fabricación y Producción en Autodesk

Los principales proveedores CAD están integrando funciones FA —PTC's Creo 6.0 ahora soporta diseño y preparación de impresión en un entorno, y ha adquirido la firma de diseño generativo Frustum. GrabCAD de Stratasys y 3DXpert de 3D Systems también agilizan la conversión de datos. La meta es permitir a los diseñadores iterar dentro del sistema CAD sin intercambios de archivo engorrosos.

Desafíos de garantía de calidad

5. Variación pieza a pieza

«Otra cosa grande que la industria necesita abordar para ser más ampliamente aceptada es la variación pieza a pieza […] La razón es que la consistencia del material que sale del sistema no es necesariamente lo que quieres. Tienes que diseñar para la pieza más débil que podrías obtener, lo que significa que no estás aprovechando plenamente algunas de las capacidades de la FA».

Zachary Murphree, VP de Alianzas Tecnológicas en VELO3D

Las variaciones provienen de la química del material —tamaño de partícula, forma, contaminación— y del control de proceso. Sistemas de control de bucle cerrado, con sensores y cámaras integradas, pueden detectar desviaciones en tiempo real y ajustar parámetros, reduciendo defectos como atrapamiento de polvo, microgrietas o falta de fusión.

«Creo que ese es el Santo Grial de la FA porque con control en proceso puedes reaccionar casi inmediatamente a deficiencias dentro de tu proceso».

Yves Hagedorn, Director Gerente en Aconity3D

Actualmente, solo un pequeño porcentaje de impresoras cuentan con control de bucle cerrado, pero la tendencia crece conforme la FA entra en entornos de producción.

6. Falta de estándares a nivel de industria

«Sería increíblemente beneficioso para todas las partes interesadas si la industria tuviera mejores estándares en general, estándares universalmente entendidos y aceptados. Con estándares, las empresas pueden comparar manzanas con manzanas y tomar decisiones inteligentes que puedan implementarse dentro de un ecosistema integral de proveedores, fabricantes y usuarios».

Avi Reichental, Fundador de XponentialWorks

Los estándares son esenciales para asegurar calidad de material, proceso y producto. ISO y ASTM ya han emitido 28 estándares FA para 2018, con muchos más previstos. Esfuerzos colaborativos —como la asociación Oerlikon-Boeing para piezas de titanio y el Centro de Excelencia de Fabricación Aditiva de ASTM— aceleran la estandarización en diseño, materia prima, proceso, postprocesamiento, prueba y cualificación.

Desafíos de fuerza laboral

7. Falta de comprensión y experiencia

«[El] elemento de fuerza laboral es realmente crítico ahora. No hay suficientes ingenieros, gerentes, ejecutivos que comprendan realmente la tecnología lo suficiente para trabajar y desarrollar una estrategia para obtener lo que necesitan».

John Barnes, Fundador de The Barnes Group Advisors

Cerrar la brecha de conocimiento es vital. Muchas empresas ahora ofrecen programas de formación, cursos en línea y centros de excelencia para capacitar ingenieros. Consultoras y conferencias industriales también difunden mejores prácticas. La clave es emparejar la tecnología correcta con la aplicación correcta, evitando el error de forzar diseños tradicionales en procesos FA.

Desafíos financieros

8. Hacer la inversión inicial

Adoptar FA implica más que comprar impresoras; requiere software, materiales, formación, equipos de postprocesamiento, certificación y actualizaciones de instalaciones. El coste inicial puede ser desalentador.

«El coste del equipamiento necesita bajar para desbloquear la tecnología para mercados más amplios».

Armin Wiedenegger, Estrategia y Desarrollo de Negocio para Fabricación Aditiva en voestalpine High Performance Metals GmbH

Sistemas de entrada económicos están surgiendo. La impresora de compuestos de Markforged cuesta unos $15,000 y logró retorno en seis meses para Dunlop Systems, ahorrando £40,000 al año. Impresoras metálicas de Desktop Metal, Markforged y Xact Metal llegan hasta $150,000, una fracción de sistemas de gran escala. Construir un caso de negocio en torno a victorias rápidas —reducciones de coste, recortes de plazos, ahorros de peso— puede atraer inversión y demostrar ROI.

Desafíos de flujo de trabajo e integración

9. Ecosistema FA fragmentado

«Todo el ecosistema FA está fragmentado: hay muchas pequeñas soluciones y empresas que tienes que unir para crear un flujo de trabajo y solución extremo a extremo».

Dave Conover, Tecnólogo Jefe de Fabricación Aditiva en Ansys

La integración a través de diseño, construcción, postprocesamiento y cadena de suministro es esencial para escalabilidad. Asociaciones —como la integración de RIZE y SOLIDWORKS de Dassault Systèmes, y la oferta de cadena de valor completa de Henkel (materiales personalizados, impresoras Loctite, servicios de impresión)— simplifican flujos de trabajo. La consolidación mediante colaboración de ecosistema acelera la adopción.

10. Falta de infraestructura digital

La producción FA eficiente requiere una columna vertebral digital adaptada a sus flujos de trabajo únicos. Las soluciones TI de fabricación tradicional a menudo se quedan cortas. Software dedicado de gestión de flujo de trabajo FA rastrea solicitudes, imprimibilidad, analíticas de máquina, programación, postprocesamiento y comunicación con proveedores.

Un sistema centralizado proporciona trazabilidad, planificación de producción y sincronización de datos, permitiendo integración sin fisuras en un entorno de fabricación digital.

La industria en evolución

En la última década, la FA ha evolucionado de herramienta de prototipado a tecnología de producción viable. Innovaciones en velocidad, ciencia de materiales, automatización, estándares y desarrollo de fuerza laboral están impulsando este cambio. A medida que las empresas colaboran, estandarizan e invierten estratégicamente, la fabricación aditiva continuará madurando y expandiéndose across sectores.

Lea nuestra anterior Recopilación de Expertos sobre el futuro de la impresión 3D industrial para más insights.