La impresión 3D de metal evoluciona rápido: Cómo aprovechar nuevas tecnologías de forma segura

¿Qué es la impresión 3D de metal?

Primero, lo básico: hay múltiples métodos de fabricación aditiva de metal, incluyendo el más extendido DMLS (sinterizado directo de metal por láser) y el método más recientemente popular de inyección de aglutinante metálico (metal binder jetting). En DMLS, el polvo de metal se funde (o sinteriza) directamente por un láser capa por capa para crear piezas. Sin embargo, la inyección de aglutinante metálico deposita adhesivo en una bandeja de polvo metálico, permitiendo que las piezas impresas se tamicen del material bruto al terminar sin tener que remover estructuras de soporte. Desde aquí, las piezas pueden hornearse y sinterizarse o infusionarse con un metal (como bronce) para alcanzar su forma final. Esto permite una producción más en masa de piezas metálicas una vez terminada la optimización inicial del diseño.

Cómo evoluciona la fabricación aditiva de metal

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

Mientras que la impresión 3D de metal se limitó primero a impresoras DMLS industriales masivas, ha evolucionado a máquinas más complejas y pequeñas que permiten un rango mayor de producción. Más impresoras 3D de metal pequeñas, incluyendo modelos de inyección de aglutinante metálico, están llegando al mercado. Estas ocupan menos espacio en una fábrica y cuestan mucho menos, rompiendo la barrera de entrada para empresas que quieren empezar fabricación aditiva de metal. Al mismo tiempo, fabricantes de impresoras industriales más grandes están creando camas de impresión más grandes para permitir más piezas creadas por impresión. También están añadiendo continuamente más y más láseres a impresoras DMLS grandes, lo que aumenta la velocidad y consistencia de una impresión, haciéndola más fácil de predecir.

Predecir los resultados de la fabricación aditiva de metal también se está volviendo más fácil. Mientras que originalmente el usuario solo podía ver cómo resultaría la pieza imprimiéndola, las impresoras más nuevas tienen mejor software para predecir resultados de diseño. Conceptos como gemelos digitales, que simulan cómo resultará una pieza impresa en 3D antes de que la impresión empiece, también ayudarán a prevenir errores a medida que continúan avanzando. Algún día estos gemelos también podrán trabajar a través de múltiples programas y máquinas a medida que una pieza pasa por numerosos procesos de fabricación.

El material metálico en sí está volviéndose más disponible para fabricación aditiva. Se ha predicho que los costos de filamento y polvo metálico caerán. Además, algunas impresoras han llegado al mercado que usan material de moldeo por inyección de metal encapsulado en polímero, que es menos costoso que metales de impresión 3D tradicionales. Al mismo tiempo, las empresas ya muestran un interés creciente en metales de alto rendimiento como metales refractarios como el tungsteno. En el futuro, más metales de alto rendimiento estarán disponibles para aplicaciones industriales, incluyendo aleaciones de alta entropía. Sin embargo, los plásticos de fabricación aditiva continúan evolucionando y pueden eventualmente reemplazar metales para algunas propiedades como alternativa más barata a aleaciones costosas y raras.

Ventajas de la impresión 3D de metal

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

• uso eficiente de energía y material
• creación bajo demanda de una pieza en el punto de uso
• acortamiento de cadenas de suministro
• más libertad en diseño
• menos configuración que cualquier otro tipo de fabricación (esto incluye mayor flexibilidad y menos gasto que múltiples juegos de utillaje)

Aplicaciones de fabricación aditiva de metal

La impresión 3D de metal se ha vuelto más popular en mercados donde los plazos cortos son importantes, así como donde hay muchos metales costosos usados para hacer piezas pequeñas. Empresas aeroespaciales y de defensa fueron de las primeras en adoptar impresión 3D de metal, seguidas de cerca por las industrias médica y dental. Estas industrias adoptaron primero la impresión 3D de 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 costosas por varias razones, incluyendo materiales raros usados, la necesidad de plazos de entrega cortos y la precisión extra requerida para asegurar que rindan según especificaciones. También necesitan ser lo más ligeras posible. La fabricación aditiva de metal aborda todos estos factores de manera menos costosa que procesos de fabricación más tradicionales. Una pieza de metal impresa en 3D puede pesar hasta un 70% menos que la pieza idéntica producida por otros métodos. Como una impresora usa solo el material que necesita, el desperdicio de materiales costosos como titanio y aleación de níquel se mantiene al mínimo comparado con procesos de fabricación sustractivos. Al mismo tiempo, plazos de entrega ya ajustados para productos como turbinas de motores a reacción se reducen y precisión adicional es posible con menos esfuerzo (y por tanto costo). Además, sistemas complejos en aeroespacial pueden rediseñarse, simplificarse y probarse más fácilmente a través de impresión 3D, ya que la impresión puede reducir el número de componentes requeridos y acelerar el tiempo para crear un sistema de prototipo complejo.

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

Adicionalmente, empresas automotrices han usado fabricación aditiva de metal para piezas de alta gama en medida limitada. Como en aeroespacial y defensa, la impresión en metal ofrece a negocios automotrices rediseño más fácil de sistemas para aumentar rendimiento. También permite reducción de peso de componentes metálicos para mejorar eficiencia de combustible, y creación de piezas de repuesto especializadas. Sin embargo, la mayoría de piezas automotrices son menos costosas que piezas aeroespaciales o médicas, y la fabricación aditiva aún no ha alcanzado la velocidad de otros procesos, por lo que la impresión 3D solo encaja en ciertas situaciones para estos fabricantes.

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

Ejemplos de fabricación aditiva de metal

¿Cómo se ve esto en términos concretos? En aeroespacial, NASA y SpaceX han usado fabricación aditiva de metal para hacer piezas de naves espaciales. NASA usó la técnica para crear una turbobomba de motor de cohete que contenía 45% menos piezas. En el caso de SpaceX, piezas impresas en 3D entraron en la cámara de combustión del motor SuperDraco.

También hay ejemplos de fabricación aditiva de metal en el campo médico. Para 2016 la FDA había aprobado implantes impresos en 3D de metal para procedimientos médicos, y se han usado desde no solo en implantes de cadera, sino para una jaula torácica artificial personalizada e implante de cráneo. Xometry ha ayudado a construir nuevos prototipos de robots quirúrgicos a través de sus servicios de impresión 3D y otras manufacturas, creando piezas validadas médicamente.

Hay algunos ejemplos notables de otras empresas adoptando esta tecnología; Ford instaló recientemente un robot autónomo para controlar impresoras creando piezas de uso final para poder escalar la producción de impresión. Mientras tanto, Volkswagen ha implementado impresión por inyección de aglutinante en su planta central en Alemania. Múltiples proveedores de petróleo y gas también están experimentando con o implementando impresión 3D de metal, incluyendo PGV, que ha estado imprimiendo piezas como deslizadores de herramientas y pistones bajo demanda lo suficiente para reducir plazos de entrega en 50-80% e inventario físico en 50%.

Desventajas de la fabricación aditiva de metal

Para calar en más industrias, la impresión 3D de metal aún necesitará superar algunos obstáculos. Ambos tipos de impresión están limitados en la cantidad de piezas que pueden imprimirse simultáneamente por el tamaño de la placa de construcción. Para DMLS, el post-procesado requerido para remover estructuras de soporte consume tiempo y añade costo. La inyección de aglutinante no tiene estructuras de soporte, permitiendo producción más rápida en lotes mayores. Sin embargo, ningún método ha alcanzado aún la velocidad y producción de procesos de fabricación más tradicionales como estampado o forjado. Por esto, es esencial elegir cuidadosamente qué piezas producir usando este método para asegurar que proporcione un beneficio económico.

Aunque la impresión 3D de metal ofrece varios beneficios, solo tiene sentido implementarla en ciertas circunstancias. Es importante investigar si su empresa se beneficiará de usar este proceso de fabricación, y segundo, si debería externalizar el proceso o traerlo internamente.

Cualquier empresa puede empezar a usar piezas impresas en 3D, pero las que no pueden hacer una inversión inicial en equipo y procesos de soporte a menudo usarán fabricantes aditivos de terceros para hacer piezas. Empresas que quieran crear instalaciones de fabricación aditiva internas necesitarán contar con equipo adicional y capacitación para impresoras DMLS (como remoción de estructuras de soporte y procedimientos de seguridad DMLA) e impresoras de inyección de aglutinante (como horneado y sinterizado o infusión de piezas impresas).

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

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

Cualquier empresa que quiera empezar a usar fabricación aditiva debería primero formar un equipo para hablar con gente en varios departamentos para saber quiénes son los interesados y qué piezas deberían imprimirse en 3D primero. Si ha determinado que su empresa puede avanzar incorporando impresión 3D, hay más decisiones sobre si usar un fabricante de impresión 3D o establecer este proceso en su propia empresa.

Empresas que invierten en costos iniciales para impresión 3D encontrarán que ahorran dinero a largo plazo, y tendrán más control sobre el proceso. Aunque un buen fabricante aditivo proporcionará protección de propiedad intelectual y ciberseguridad, este control adicional puede atraer a empresas que quieren evitar compartir información. Empresas que deseen fabricar internamente deberían considerar si su producción será centralizada desde una ubicación o distribuida desde múltiples ubicaciones. Muchas empresas que deciden llevar la impresión 3D internamente también empezarán con fabricantes aditivos de terceros para obtener consejos sobre qué es posible y transferir conocimiento a sus propios empleados antes de configurar sus propias impresoras.

Empresas que pueden beneficiarse más de externalización permanente incluirán aquellas sin presupuesto para el costo inicial de comprar y configurar todo el equipo y capacitación necesario. Adicionalmente, empresas que quieran producción de bajo volumen o que simplemente quieran experimentar con tiradas cortas de productos también se beneficiarán. Finalmente, si las piezas deben probarse o analizarse, puede ser más fácil trabajar con un fabricante aditivo que pueda hacerlo por usted. Cualquier empresa que quiera externalizar impresión 3D debería decidir si las piezas impresas en 3D vienen de OEMs, proveedores de nivel 1 u otros.

Cómo diseñar para impresión 3D en metal

Ya sea que esté diseñando nuevas piezas para ser impresas 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 portar diseños de otros procesos. De lo contrario, las piezas impresas en el mejor caso costarán más, y en el peor no rendirán tan bien como las mismas hechas con otros procesos.

Cubrimos más detalles sobre diseño para impresión 3D en nuestras guías profundas de diseño para inyección de aglutinante metálico, diseño DMLS y diseño general de impresión 3D. Sin embargo, brevemente, hay algunos puntos importantes que recordar:

• El grosor de pared debe ser al menos 0.7 mm (0.024 pulgadas) en características auto-soportadas, y al menos 1.2 mm (0.048 pulgadas) en características no soportadas o que soportan carga. El grosor de pared también debe permanecer uniforme.
• Mantenga al menos 0.5 mm (0.020 pulgadas) de espacio entre características de la pieza.
• Elimine huecos confinados en el diseño de la pieza, ya que aquí es donde material atrapado o estructuras de soporte pueden permanecer y bloquear material que necesita salir durante el post-procesado.
• Redondee esquinas para reducir puntos de tensión y aumentar el rendimiento de la pieza durante su vida útil.
• Tenga cuidado con voladizos, ya que estos son delicados en piezas impresas en 3D, especialmente los grandes y pesados.

Servicio de impresión 3D de metal de Xometry

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

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Dean McClements

Dean McClements es graduado en Ingeniería Mecánica con honores (B.Eng) y cuenta con más de dos décadas de experiencia en la industria manufacturera. Su trayectoria incluye roles significativos en empresas líderes como Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace y Hyster-Yale, donde desarrolló una profunda comprensión de los procesos e innovaciones de ingeniería.

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