Fabricación aditiva e impresión 3D explicadas: Claves y aplicaciones

Hay mucha confusión sobre lo que significan los términos fabricación aditiva e impresión 3D.

Y no es sorprendente. Al fin y al cabo, ambos términos se refieren a procesos muy similares.

Tanto la fabricación aditiva como la impresión 3D describen un proceso de crear objetos construyendo gradualmente capas finas de material.

En este artículo explicaremos exactamente qué son la fabricación aditiva y la impresión 3D, cómo se relacionan y para qué se usan.

¿Para qué se usa la fabricación aditiva en impresión 3D?

En manufactura tradicional, las piezas a menudo se mecanizan a partir de bloques mayores de material. Es decir, se sustrae material del bloque inicial para formar la pieza. Naturalmente, esto causa mucho desperdicio. Si has visto un video de un torneador convirtiendo un bloque sólido de metal o madera en una pieza terminada, probablemente te impresionó la cantidad de material desperdiciado.

Por el contrario, en la fabricación aditiva, las piezas se hacen construyendo capas de material para formar la pieza final. ¿Cómo funciona? Depende del tipo de fabricación aditiva usado.

Según la Sociedad Americana de Ensayos y Materiales (ASTM), hay siete categorías de fabricación aditiva:

1. Fotopolimerización en cuba (VAT Photopolymerization) — los objetos se construyen con capas de resina fotopolímera líquida, curada con luz ultravioleta.
2. Fusión de lecho de polvo (Powder Bed Fusion) — los objetos se construyen con capas de polvo de material fundido (o "fusionado") usando calor o láser potente. Técnicas comunes incluyen sinterizado láser selectivo (SLS).
3. Inyección de material (Material Jetting) — cada capa se construye usando un cabezal de impresión que deposita gotas de material líquido sobre una superficie de construcción donde se solidifican rápido. Una vez completa, cada capa se cura con luz ultravioleta.
4. Laminación de láminas (Sheet Lamination) — los objetos se construyen con láminas o cintas de metal unidas mediante soldadura ultrasónica. La laminación no es completamente aditiva, pues el material sobrante suele eliminarse con técnicas tradicionales como mecanizado CNC.
5. Extrusión de material (Material Extrusion) — el material se extrae por una boquilla, se calienta y deposita en capas sobre una plataforma. Aquí no se necesita proceso adicional para curar capas, pues cada capa se deposita en estado fundido.
6. Deposición de energía dirigida (Directed Energy Deposition) — DED abarca técnicas aditivas complejas para reparar o añadir material a componentes existentes. En la mayoría de implementaciones, material fundido se deposita por una boquilla sobre la superficie objetivo, donde se solidifica. El principio es similar a extrusión de material, salvo que la boquilla debe moverse en múltiples direcciones para adaptarse a superficies objetivo de distinta forma.
7. Inyección de aglutinante (Binder Jetting) — también conocido como Impresión 3D.

Como este artículo se centra específicamente en impresión 3D para fabricación aditiva, examinaremos esta última de cerca.

¿Cuál es el proceso de Fabricación Aditiva (Impresión 3D)?

La impresión 3D usa dos materiales:

1. Un material base en polvo, usualmente plástico, metal o cerámica, y;
2. Un aglutinante, que actúa como adhesivo entre capas de polvo. La mayoría de aglutinantes vienen en forma líquida.

El término impresión 3D viene de la similitud visual de la inyección de aglutinante con la impresión 2D. En una impresora de inyección de tinta estándar, el cabezal recorre horizontalmente los ejes X e Y para depositar gotas de tinta sobre papel.

De forma similar, para construir un objeto con impresión 3D, el cabezal se mueve horizontalmente por los ejes X e Y de la máquina y deposita capas alternadas de material de construcción y aglutinante. Tras completar cada capa, la plataforma que sostiene el objeto desciende fraccionalmente para permitir la siguiente capa.

Según el tamaño del objeto, pueden requerirse cientos, miles o incluso decenas de miles de capas. Para hacerte una idea, mira este video timelapse de una torre Eiffel impresa en 3D.

Importancia del software de Fabricación Aditiva e Impresión 3D

Todas las técnicas de fabricación aditiva, incluida la impresión 3D, dependen de técnicas de diseño digital como Diseño Asistido por Computadora (CAD). De hecho, el propósito entero de la impresión 3D es convertir diseños digitales en objetos reales.

En el pasado, ingenieros usaban software CAD combinado con rigurosas técnicas de modelado por simulación para diseñar objetos robustos y efectivos en el mundo real. Pero había un problema. Técnicas de manufactura tradicional como mecanizado CNC y moldeo por inyección vienen con ciertas limitaciones, que hacen imposible producir esos objetos "perfectos".

Aquí es donde entra la relación armoniosa entre CAD e impresión 3D. Una de las ventajas más importantes de la impresión 3D es que permite producir diseños digitales en el mundo real sin las restricciones de técnicas de manufactura tradicionales.

CAD e impresión 3D permiten que la manufactura sea dirigida por el diseño, mientras que históricamente el proceso de diseño tenía que dirigirse por lo posible con técnicas de manufactura convencionales. Esto da a ingenieros mucha más libertad de diseño que nunca y ha facilitado grandes avances en varias industrias.

Aunque la mayoría de software CAD comerciales han introducido un módulo para Fabricación Aditiva, construir tu propia aplicación CAD personalizada para Fabricación Aditiva es bastante fácil con los SDKs 3D de Spatial. Consulta www.spatial.com para saber más.

Aprende sobre la diferencia entre Fabricación Aditiva e Impresión 3D

1. Los 7 tipos principales de Fabricación Aditiva
2. 6 Avances médicos de la Impresión 3D
3. Cómo aprovechar totalmente CAD en el proceso de Fabricación Aditiva

Beneficios de la Impresión 3D en Fabricación Aditiva frente a técnicas tradicionales

Por supuesto, la libertad de diseño no es la única ventaja de la impresión 3D sobre técnicas tradicionales. Otras ventajas clave incluyen:

• Producir estructuras complejas pero ligeras con materiales de fabricación aditiva e impresión 3D.

Ya notamos que la impresión 3D permite construir objetos imposibles con técnicas tradicionales. Pero también cabe destacar que, al construirse capa a capa, piezas altamente complejas pueden construirse en una sola pieza. Al mismo tiempo, por la gama de materiales disponibles, incluso piezas complejas impresas en 3D pueden ser ligeras y de alta resistencia a tracción.

• Es más barata para producciones unitarias.

Una gran ventaja de la impresión 3D es que no requiere moldes ni utillaje especial de montaje. Como resultado, pequeños lotes de objetos únicos pueden producirse fácil y mucho más barato.

• Menos desperdicio.

Como ya se señaló, la impresión 3D es una técnica de manufactura aditiva, mientras que muchas técnicas tradicionales implican extracción de material. Este hecho por sí solo significa que la impresión 3D genera mucho menos desperdicio que otras técnicas comunes.

• Time-to-market más rápido.

Simplemente, ninguna otra técnica permite a fabricantes diseñar y construir objetos tan rápido como la impresión 3D. Esto es especialmente valioso para construir y testar prototipos. Por esto la impresión 3D se ha vuelto sinónimo de una de sus aplicaciones más comunes: el prototipado rápido.

Impresión 3D para Fabricación Aditiva en construcción de prototipos rápidos

El prototipado rápido es, simplemente, la producción rápida de un objeto, pieza o modelo físico.

Cualquier técnica de manufactura puede usarse en prototipado rápido, desde técnicas tradicionales como mecanizado CNC hasta modernas como soldadura 3D. Por razones obvias, sin embargo, tecnologías aditivas como la impresión 3D son las más usadas.

Como implica el nombre, el prototipado rápido se usa principalmente para construir una serie de prototipos que pueden testarse y descartarse rápido hasta hallar el mejor diseño. Este enfoque iterativo de diseño y manufactura siempre ha sido popular y solo se ha vuelto más efectivo con la evolución de procesos de fabricación aditiva.

El prototipado rápido combinado con impresión 3D tiene tres beneficios distintos para fabricantes:

• Es altamente rentable. La mayor parte del proceso está automatizado, así que se requiere poco personal. Igualmente, materiales y procesos de manufactura son más baratos de configurar que con técnicas alternativas.
• Velocidad. El prototipado rápido ayuda a fabricantes a producir y descartar diseños más rápido que nunca, aprendiendo de cada iteración y acercándose al producto final. Esto se traduce en time-to-market (TTM) más rápido, a menudo una ventaja competitiva significativa.
• Riesgo reducido. Los errores en manufactura pueden ser extremadamente costosos. Por el bajo coste y tiempo para producir prototipos adicionales, el prototipado rápido reduce drásticamente el riesgo de errores costosos en la fase de producción en serie.

¿Para qué se usa la impresión 3D?

En este punto, aparte de manufactura, la mayor parte del bombo y atención mediática para la impresión 3D ha rodeado sus aplicaciones de consumo. Es innegablemente "genial" que cualquiera con un portátil y menos de mil dólares pueda diseñar y construir casi cualquier objeto que imagine.

Sin embargo, el verdadero valor de la impresión 3D está en sus aplicaciones comerciales. Algunas de las principales industrias que aprovechan la impresión 3D incluyen:

Aviación y aeroespacial — La impresión 3D tiene beneficios obvios para la aviación. Notablemente, permite a firmas aeronáuticas construir prototipos rápido y a bajo coste usando materiales fuertes y ligeros. Ahora mismo, la impresión 3D se usa para fabricar desde elementos de acabado interno como mesas de respaldo de asiento y reposacabezas hasta componentes de motor y armamento.

Con el desarrollo de impresoras 3D cada vez mayores, podemos esperar ver aún más componentes construidos con impresión 3D en el futuro próximo —¡quizás hasta un motor de avión completo!

Salud — En el pasado, la disponibilidad de implantes y prótesis ha sido un obstáculo sustancial y costoso para la atención al paciente. Sin embargo, desde hace años, la impresión 3D se usa en el desarrollo de una amplia variedad de guías de corte quirúrgico, prótesis e incluso implantes específicos para cada paciente.

A medida que los materiales han evolucionado, la industria ha podido usar impresión 3D para construir productos cada vez más ligeros, fuertes y seguros reduciendo tiempos de entrega y coste.

Automoción — Desde hace décadas, la industria automotriz usa impresión 3D y otras técnicas de fabricación aditiva para producir prototipos. Inicialmente, este era el único uso viable, pues los materiales no eran lo bastante robustos para uso real.

Pero a medida que los materiales han evolucionado, la impresión 3D ha tomado un papel mayor. Ahora, la técnica se usa rutinariamente para producir variedad de moldes, herramientas de termoformado, agarres, plantillas y fijaciones necesarias durante la manufactura. Es decir, la impresión 3D se usa para aumentar otras técnicas de manufactura.

Pero no acaba ahí. La impresión 3D también es invaluable para producir piezas personalizadas como carrocerías y componentes internos que adaptan vehículos específicos.

Arquitectura — La industria arquitectónica confía en modelos a escala para mostrar a clientes e inversores el aspecto final de un proyecto. Históricamente, estos modelos se construían a mano y requerían cientos de horas-hombre. Naturalmente, la impresión 3D lo cambió todo.

Como los proyectos arquitectónicos ya se diseñan con software, son candidatos naturales para impresión 3D. Ahora, completado un archivo CAD, puede enviarse directo a impresión, ahorrando enorme tiempo y garantizando réplica exacta del modelo.

¿Qué sigue para la impresión 3D y la fabricación aditiva?

Hasta ahora, la adopción comercial generalizada se ha limitado a industrias ya reconocidas por estar a la vanguardia tecnológica —manufactura, aviación, automoción y salud, en particular.

Sin embargo, con hardware y materiales mejorando constantemente, no hay duda de que la impresión 3D seguirá creciendo en los próximos años.

Desde casas impresas en 3D a coches, no pasará mucho hasta que casi todo lo que usamos a diario pueda construirse con esta técnica aparentemente de ciencia ficción.