La impresión 3D en metal evoluciona rápidamente:cómo aprovechar de forma segura las nuevas tecnologías

¿Qué es la impresión 3D en metal?

En primer lugar, lo básico:existen múltiples métodos de fabricación aditiva de metales, incluido el más extendido DMLS (sinterización directa por láser de metales), así como el método más recientemente popular de inyección de aglutinante metálico. En DMLS, el polvo metálico se funde (o sinteriza) directamente mediante un láser capa por capa para crear piezas. Sin embargo, el chorro de aglutinante metálico aplica capas adhesivas en una bandeja de polvo metálico, lo que permite separar las piezas impresas de la materia prima cuando estén terminadas sin tener que quitar las estructuras de soporte. A partir de aquí, las piezas se pueden hornear y sinterizar o infundir con un metal (como el bronce) para alcanzar su forma final. Esto permite una mayor producción en masa de piezas metálicas una vez finalizada la optimización del diseño inicial.

Cómo está evolucionando la fabricación aditiva de metales

Las interrupciones de la cadena de suministro de los últimos años han aumentado drásticamente la popularidad de un campo que ya está en rápido crecimiento, especialmente para las empresas médicas y aeroespaciales. Las predicciones de 2018 y 2019 de Deloitte y PwC predijeron que la impresión 3D continuaría ganando popularidad en parte porque el metal y otros materiales no plásticos estaban disponibles para su uso en la impresión 3D. PwC predijo específicamente el crecimiento de toda una cadena de suministro de fabricación aditiva de metales, incluidas las empresas que producen las impresoras y el software, los proveedores de materiales de impresión y las empresas de servicios. Esto se ha hecho realidad en nichos de mercado a medida que se ofrece más tecnología para complementar la impresión en metal 3D, una señal de la madurez del sector.

Si bien la impresión 3D en metal se limitó al principio a impresoras DMLS industriales masivas, ha evolucionado hacia máquinas más complejas y más pequeñas que permiten una mayor gama de producción. Están saliendo al mercado más impresoras 3D de metal pequeñas, incluidos modelos de inyección de aglomerante metálico. Ocupan menos espacio en una fábrica y cuestan mucho menos, lo que rompe la barrera de entrada para las empresas que desean iniciar la fabricación aditiva de metales. Al mismo tiempo, los fabricantes de impresoras industriales más grandes están creando camas de impresión más grandes para permitir que se creen más piezas por impresión. También agregan continuamente más y más láseres a las impresoras DMLS grandes, lo que aumenta la velocidad y la consistencia de una impresión, lo que hace que sea más fácil de predecir.

Predecir los resultados de la fabricación aditiva de metales también es cada vez más fácil. Si bien originalmente el usuario solo podía ver cómo quedaría la pieza imprimiéndola, las impresoras más nuevas tienen un mejor software para predecir los resultados del diseño. Conceptos como los gemelos digitales, que simulan cómo quedará una pieza impresa en 3D antes de que comience la impresión, también ayudarán a evitar que se produzcan errores a medida que avanzan. Algún día, estos gemelos también podrán trabajar en múltiples programas y máquinas mientras una pieza pasa por numerosos procesos de fabricación.

El material metálico en sí está cada vez más disponible para la fabricación aditiva. Se ha pronosticado que los costos de los filamentos metálicos y del polvo disminuirán. Además, han llegado al mercado algunas impresoras que utilizan material de moldeo por inyección de metal encapsulado en polímero, que es menos costoso que los metales de impresión 3D tradicionales. Al mismo tiempo, las empresas ya están mostrando un creciente interés en metales de alto rendimiento como los metales refractarios como el tungsteno. En el futuro habrá más metales de alto rendimiento disponibles para aplicaciones industriales, incluidas aleaciones de alta entropía. Sin embargo, los plásticos de fabricación aditiva continúan evolucionando y eventualmente pueden reemplazar a los metales en algunas propiedades como una alternativa más barata a las aleaciones costosas y raras.

Ventajas de la impresión 3D en metal

¿Por qué está ganando tanto terreno la fabricación aditiva en metales? Como verá en la siguiente sección, diferentes industrias encuentran valiosos diferentes aspectos. Sin embargo, en general, este nuevo método de producción permite:

• uso eficiente de energía y materiales
• Creación bajo demanda de una pieza en el punto de uso
• cadenas de suministro acortadas
• más libertad en el diseño
• menos configuración que para cualquier otro tipo de fabricación (esto incluye una mayor flexibilidad y menos gastos que múltiples juegos de herramientas).

Aplicaciones de fabricación aditiva de metales

La impresión 3D en metal se ha vuelto más popular en mercados donde los plazos cortos son importantes, así como donde se utilizan muchos metales costosos para fabricar piezas pequeñas. Las empresas aeroespaciales y de defensa fueron algunas de las primeras en adoptar la impresión metálica 3D, seguidas de cerca por las industrias médica y dental. Estas industrias adoptaron por primera vez la impresión 3D en metal porque aborda los factores que hacen que las piezas estándar para estos sectores cuesten más que en otros sectores.

Las piezas aeroespaciales son históricamente caras por varias razones, incluidos los materiales raros utilizados, la necesidad de plazos de entrega cortos y la precisión adicional necesaria para garantizar que funcionen según las especificaciones. También deben ser lo más ligeros posible. La fabricación aditiva de metales aborda todos estos factores de una manera menos costosa que los procesos de fabricación más tradicionales. Una pieza metálica impresa en 3D puede pesar hasta un 70% menos que una pieza idéntica producida con otros métodos. Dado que una impresora utiliza sólo el material que necesita, el desperdicio de materiales costosos como el titanio y la aleación de níquel se mantiene al mínimo en comparación con los procesos de fabricación sustractivos. Al mismo tiempo, se reducen los ya ajustados plazos de entrega para productos como las turbinas de motores a reacción y es posible una mayor precisión con menos esfuerzo (y, por tanto, menor coste). Además, los sistemas complejos en el sector aeroespacial se pueden rediseñar, simplificar y probar más fácilmente mediante la impresión 3D, ya que la impresión puede reducir la cantidad de componentes necesarios y acelerar el tiempo para crear un sistema prototipo complejo.

Los fabricantes médicos y dentales también utilizan la impresión 3D por su capacidad para crear piezas precisas y ligeras con plazos de entrega cortos. Sin embargo, estos campos también necesitan alcanzar un alto grado de personalización a un costo menor, lo cual es necesario para productos como articulaciones artificiales de cadera e implantes dentales.

Además, las empresas de automoción han estado utilizando de forma limitada la fabricación aditiva de metales para piezas de alta gama. Al igual que en el sector aeroespacial y de defensa, la impresión en metal ofrece a las empresas automotrices un rediseño más fácil de los sistemas para aumentar el rendimiento. También permite reducir el peso de los componentes metálicos para mejorar la eficiencia del combustible y crear piezas de repuesto especializadas. Sin embargo, la mayoría de las piezas automotrices son menos costosas que las piezas aeroespaciales o médicas, y la fabricación aditiva aún tiene que alcanzar la velocidad de otros procesos, por lo que la impresión 3D solo es adecuada en determinadas situaciones para estos fabricantes.

En el futuro, industrias como la minería y el petróleo y el gas también podrían adoptar la impresión 3D en metal, ya que este proceso puede ayudar con la velocidad de entrega, un factor esencial para estos campos. Según un informe, el 83 % de las empresas de petróleo y gas están pensando en adoptar la impresión 3D o la fabricación bajo demanda de piezas de repuesto.

Ejemplos de fabricación aditiva de metales

¿Cómo se ve esto en términos concretos? En el sector aeroespacial, la NASA y SpaceX han utilizado la fabricación aditiva de metales para fabricar piezas de naves espaciales. La NASA utilizó esta técnica para crear una turbobomba para motor de cohete que contenía un 45% menos de piezas. En el caso de SpaceX, las piezas impresas en 3D entraron en la cámara de combustión del motor de su nave SuperDraco.

También hay ejemplos de fabricación aditiva de metales en el campo médico. En 2016, la FDA había aprobado implantes metálicos impresos en 3D para procedimientos médicos, y desde entonces se han utilizado no solo en implantes de cadera, sino también para una caja torácica artificial personalizada y un implante de cráneo. Xometry ha ayudado a construir nuevos prototipos de robots quirúrgicos a través de su impresión 3D y otros servicios de fabricación, creando piezas médicamente validadas.

Hay algunos ejemplos notables de otras empresas que adoptan esta tecnología; Ford instaló recientemente un robot autónomo para controlar las impresoras que crean piezas de uso final para poder aumentar la producción de impresión. Mientras tanto, Volkswagen ha implementado la impresión Binder Jet en su planta central en Alemania. Varios proveedores de petróleo y gas también están experimentando o implementando la impresión 3D de metal, incluido PGV, que ha estado imprimiendo piezas como soportes de herramientas y pistones a pedido lo suficiente como para reducir los tiempos de entrega entre un 50 y un 80 % y el inventario físico en un 50 %.

Desventajas de la fabricación aditiva de metales

Para tener éxito en más industrias, la impresión 3D en metal aún tendrá que superar algunos obstáculos. Ambos tipos de impresión están limitados en la cantidad de piezas que se pueden imprimir simultáneamente por el tamaño de la placa de construcción. Para DMLS, el posprocesamiento necesario para eliminar las estructuras de soporte requiere mucho tiempo y añade costos. La inyección de aglutinante no tiene estructuras de soporte, lo que permite una producción más rápida en lotes más grandes. Sin embargo, ninguno de los métodos ha alcanzado todavía la velocidad y el rendimiento de los procesos de fabricación más tradicionales, como el estampado o la forja. Debido a esto, es esencial elegir cuidadosamente qué piezas producir utilizando este método para garantizar que proporcione un beneficio económico.

Si bien la impresión 3D en metal ofrece varios beneficios, sólo tiene sentido implementarla en determinadas circunstancias. Es importante investigar si su empresa se beneficiará del uso de este proceso de fabricación y, en segundo lugar, si debe subcontratar el proceso o incorporarlo internamente.

Cualquier empresa puede comenzar a utilizar piezas impresas en 3D, pero aquellas que no pueden realizar una inversión inicial en el equipo y los procesos de soporte a menudo recurrirán a fabricantes de aditivos externos para fabricar las piezas. Las empresas que quieran crear instalaciones internas de fabricación aditiva deberán tener en cuenta equipos y capacitación adicionales para impresoras DMLS (como eliminación de estructuras de soporte y procedimientos de seguridad DMLA) e impresoras de inyección de aglutinante (como horneado y sinterización o infusión de piezas impresas).

Para determinar si vale la pena la impresión 3D, pregúntese:

• ¿Qué piezas que produce actualmente se beneficiarán de la impresión 3D?
• ¿Cuál será el beneficio en costos?
• ¿Qué impacto tendrá la impresión 3D en su estrategia empresarial?
• ¿Qué impacto tendrá este proceso en sus cadenas de suministro?
• ¿Qué consideraciones regulatorias deberá tener en cuenta?

Cualquier empresa que quiera empezar a utilizar la fabricación aditiva debería primero formar un equipo para hablar con personas de varios departamentos para saber quiénes son las partes interesadas y qué piezas deben imprimirse en 3D primero. Si ha determinado que su empresa puede seguir adelante con la incorporación de la impresión 3D, hay que tomar más decisiones sobre si utilizar un fabricante de impresión 3D o configurar este proceso en su propia empresa.

Las empresas que invierten en costos iniciales para la impresión 3D encontrarán que ahorran dinero a largo plazo y tendrán más control sobre el proceso. Aunque un buen fabricante de aditivos brindará protección de la propiedad intelectual y seguridad cibernética, este control adicional puede resultar atractivo para las empresas que quieran evitar compartir información. Las empresas que deseen fabricar internamente deben considerar si su producción se centralizará desde una ubicación o se distribuirá desde varias ubicaciones. Muchas empresas que deciden adoptar la impresión 3D internamente también comenzarán con fabricantes de aditivos externos para obtener asesoramiento sobre lo que es posible y transferir conocimientos a sus propios empleados antes de configurar sus propias impresoras. 

Las empresas que pueden beneficiarse más de la subcontratación permanente serán aquellas que no tienen presupuesto para el costo inicial de comprar e instalar todo el equipo y la capacitación necesarios. Además, también se beneficiarán las empresas que quieran producir un volumen reducido o que simplemente quieran experimentar con tiradas cortas de productos. Finalmente, si es necesario probar o analizar piezas, puede ser más fácil trabajar con un fabricante de aditivos que pueda hacerlo por usted. Cualquier empresa que quiera subcontratar la impresión 3D debe decidir si las piezas impresas en 3D provienen de fabricantes de equipos originales, proveedores de nivel 1 u otros.

Cómo diseñar para impresión 3D en metal

Ya sea que esté diseñando piezas nuevas para imprimirlas en 3D o creando piezas que ya produce con un proceso de fabricación, es vital diseñar piezas específicamente para el proceso de impresión en lugar de trasladar diseños de otros procesos. De lo contrario, las piezas impresas, en el mejor de los casos, costarán más y, en el peor, no funcionarán tan bien como las mismas piezas fabricadas mediante otros procesos.

Cubrimos más detalles sobre el diseño para impresión 3D en nuestras guías detalladas sobre diseño de inyección de aglomerante metálico, diseño DMLS y diseño de impresión 3D en general. Sin embargo, brevemente, hay algunos puntos que es importante recordar:

• El espesor de la pared debe ser de al menos 0,7 mm (0,024 pulgadas) en elementos autoportantes y de al menos 1,2 mm (0,048 pulgadas) en elementos sin soporte o que soportan carga. El espesor de la pared también debe permanecer uniforme.
• Mantenga al menos un espacio de 0,5 mm (0,020 pulgadas) entre las características de la pieza.
• Elimine los huecos confinados en el diseño de la pieza, ya que es donde el material atrapado o las estructuras de soporte pueden permanecer y bloquear el material que debe salir durante el posprocesamiento.
• Redondear las esquinas para reducir los puntos de tensión y aumentar el rendimiento de la pieza a lo largo de su vida útil.
• Tenga cuidado con los voladizos, ya que son delicados en las piezas impresas en 3D, especialmente las grandes y pesadas.

Servicio de impresión 3D en metal de Xometry

Con avances en la impresión de metales que van desde nuevas impresoras hasta materiales y software, este campo ofrece oportunidades interesantes para las cadenas de producción y suministro, sin importar el tamaño de la empresa. Sin embargo, es esencial garantizar que este proceso se aplique a los puntos débiles que otros métodos de fabricación no pueden abordar. Si ve la fabricación aditiva en metales como una solución para su empresa, podemos ayudarle. Consulte nuestra página de capacidades sobre impresión 3D en metal para ver cómo podemos ayudarlo, o vaya directamente a nuestra página de cotización instantánea para obtener sugerencias mejoradas por IA sobre la mejor manera de crear sus productos. Una vez que envíe su archivo y sus requisitos, obtendrá una cotización y un plazo de entrega de un minuto. 

Descargo de responsabilidad

El contenido que aparece en esta página web tiene fines únicamente informativos. Xometry no ofrece ninguna representación ni garantía de ningún tipo, ya sea expresa o implícita, en cuanto a la exactitud, integridad o validez de la información. No se debe inferir que ningún parámetro de rendimiento, tolerancias geométricas, características de diseño específicas, calidad y tipos de materiales o procesos representan lo que entregarán terceros proveedores o fabricantes a través de la red de Xometry. Los compradores que buscan cotizaciones de piezas son responsables de definir los requisitos específicos de esas piezas. Consulte nuestros términos y condiciones para obtener más información.

Dean McClements

Dean McClements es un Licenciado en Ingeniería Mecánica con honores y cuenta con más de dos décadas de experiencia en la industria manufacturera. Su trayectoria profesional incluye puestos importantes en empresas líderes como Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace y Hyster-Yale, donde desarrolló un profundo conocimiento de los procesos de ingeniería y las innovaciones.

Lea más artículos de Dean McClements