Fabricación aditiva se expande más allá de la impresión 3D de escritorio hacia producción industrial

La impresión 3D está madurando. ¿Es tan revolucionaria como su promesa o solo otra herramienta valiosa en la caja de herramientas de trabajo — o ambas? Hablamos con MakerBot y un consultor de impresión 3D en el Rust Belt para ver dónde están las cosas y hacia dónde se dirigen.

La impresión 3D no ha alcanzado su potencial completo en entornos profesionales y centrados en fabricación, pero hay mucho espacio saludable para crecer allí, dicen ingenieros de fabricación aditiva, consultores y académicos. Y nuevas tecnologías y máquinas están surgiendo que están aprovechando innovaciones en polvos metálicos. Una de las preguntas más grandes sobre la tecnología es si puede moverse de ser favorita de diseño de piezas y prototipado a un pilar en el taller. ¿Alcanzará su ritmo en niveles de producción más altos? Y, ¿cuáles son las barreras para hacer olas más grandes?

Los expertos de la industria dicen que talleres de todos los tamaños están usando estos procesos 3D de una variedad de formas ingeniosas — desde utillaje y moldes personalizados hasta piezas de uso final funcionales con geometría que solo es posible con fabricación aditiva.

"Los talleres CNC han estado usando cosas como MakerBot para imprimir en 3D estructuras complejas que pueden sostener el dispositivo en la fresadora en el ángulo necesario para poder mecanizar la pieza", dice Chris Barrett, presidente de 3DDirections. "Así que los talleres están fabricando plantillas, fijaciones y algo de utillaje de esa manera".

Barrett es químico y físico de oficio pero se aburrió con tubos de ensayo — y encontró su camino a la ciencia de materiales e ingeniería. Porque está basado en Ohio, Barrett estuvo expuesto a la fabricación tradicional y el mundo de tecnologías aditivas y de impresión 3D emergentes. Comenzó su consultoría con una fuerte comprensión de ambos mundos y se enfoca en ayudar a las empresas a aprovechar la tecnología donde tiene más sentido.

Nota: Barrett, como formador para Tooling U-SME, organizó un seminario web el 27 de junio sobre fabricación aditiva en Better MRO, donde describió siete categorías principales de impresión 3D y discutió los pros y contras de cada tipo. La repetición está disponible en el enlace de video arriba. Temas incluidos:

• Fotopolimerización en cuba
  • Contiene estereolitografía (SLA) y procesamiento de luz digital (DLP)
• Fusión de lecho de polvo (PBF)
  • Contiene SLS, sinterizado láser directo de metal (DMLS), SLM, fusión por haz de electrones (EBM)
• Impresión por chorro de aglutinante (BJP)
• Impresión por chorro de material (MJP)
• Laminación de láminas (LOM)
• Extrusión de material
  • Contiene modelado por deposición fundida (FDM)

• Deposición de energía dirigida (DED)

"Hay una serie de formas clave en que los fabricantes y talleres de trabajo están usando impresoras 3D profesionales hoy", dice Dave Veisz, vicepresidente de ingeniería en MakerBot. "Las empresas las usan para organización del lugar de trabajo — para piezas que ayudan a un taller a implementar fabricación esbelta 5S, fijaciones de ensamblaje y medición, pinzas de piezas, calibres, y donde los plásticos de alta resistencia son adecuados... No va a usarlo para aplicaciones de alta fuerza o alta temperatura únicamente exigentes como fijaciones de horno, pero para muchas aplicaciones de fijaciones y herramientas, funciona bien".

Una ventaja crucial de la impresión 3D: La complejidad geométrica es "gratis", dice Veisz. Por ejemplo, digamos que está diseñando una pinza para recoger y colocar una fundición y tiene una forma compleja. Puede generar la inversa de la geometría de la fundición en CAD, modificarla para la aplicación e imprimir una coincidencia perfecta. Dado que el costo y tiempo de impresión 3D está impulsado principalmente por el volumen de la pieza, no hay costo adicional para geometrías difíciles de lograr a través de procesos de fabricación tradicionales.

Impresión 3D de metal, Fabricación Aditiva: ¿Quién la está usando hoy?

La fabricación aditiva usando polvo metálico o termoplásticos de alta temperatura se usa predominantemente en el sector aeroespacial y de defensa — y con buena razón: Estas empresas pueden permitirse invertir dólares de investigación y desarrollo hacia piezas más pequeñas, a veces complejas, que tienen el potencial de reducir costos o acelerar el tiempo de entrega. Piezas incluyen: conductos complejos para sistemas de control ambiental, componentes de túnel de viento y vehículos aéreos no tripulados, tanques para combustible y otros líquidos, piezas sustitutas, y layups compuestos.

"La mayoría de los principales OEM aeroespaciales y de defensa, incluyendo Boeing, Lockheed, GE, Northrop Grumman, los que tienen grandes bases de ingresos, todos están en ello", dice Barrett. "Y las otras empresas que están comenzando a usarlo son firmas biomédicas haciendo implantes de cadera de titanio hoy. Pero lo que se encuentra es el costo".

Los OEM quieren poder licitar el trabajo y subcontratar a fabricantes más pequeños. El desafío es que los estándares no han alcanzado a las piezas de metal impreso todavía. Los estándares de la FAA para piezas aeroespaciales, especialmente para aviones de gran pasaje, pueden ser rigurosamente estrictos. Se necesita mucha investigación para entender qué anomalías menores son aceptables — y cuáles no.

En este momento, un taller de trabajo más pequeño podría imprimir una pieza de metal para un OEM, pero solo puede usar, por ejemplo, un tipo de polvo metálico en su máquina según el estándar en una máquina aprobada — y así las limitaciones son costosas, dice Barrett. Los talleres de trabajo necesitan flexibilidad para obtener ganancias.

Vea cómo un fabricante aeroespacial y de defensa encontró un nicho en trabajo aditivo 3D. Lea "Cómo llevar una pieza impresa en 3D al mercado en aeroespacial".

"La buena noticia es que en los próximos cinco a 10 años, los estándares comenzarán a tener un impacto", dice Barrett. "Actualmente, NIST (Instituto Nacional de Estándares y Tecnología) está haciendo mucha investigación aquí".

Pero no se limita a aeroespacial o implantes. Otros instrumentos médicos se están fabricando, como dispositivos portátiles, carros médicos y guías e instrumentos quirúrgicos, así como piezas para las categorías de energía, transporte y productos de consumo. En petróleo y gas, se están produciendo piezas para rotores y estatores. En automotriz, las empresas están fabricando paneles, interiores personalizados y parrillas. Y para consumidores, piense en forma y ajuste: monturas para gafas y diseños de pre-producción.

¿Necesita una respuesta técnica? Pregunte al Equipo Técnico de Metalworking de MSC en el foro.

El Method de MakerBot apunta al mercado profesional y talleres de trabajo

Una de las empresas que ganó mucha tracción y atención durante la primera adopción de consumo de impresión 3D fue MakerBot. La empresa, que fue comprada por Stratasys en 2013, ha pasado los últimos años enfocada en investigación y desarrollo más allá de los mercados de aficionados y educadores. Stratasys ha estado fabricando piezas 3D para Airbus desde 2015.

El pasado diciembre, MakerBot lanzó una máquina de impresión 3D más avanzada dirigida al mercado profesional llamada Method, que cuesta aproximadamente un tercio de una impresora 3D industrial de nivel de entrada. MakerBot colaboró con Stratasys en el desarrollo de la tecnología usada en la nueva máquina. Method es la primera nueva plataforma de hardware en aproximadamente tres años para MakerBot.

"Realmente es la primera plataforma que hemos desarrollado desde cero como afiliado de Stratasys", dice Veisz. "Es una combinación de propiedad intelectual y vasto conocimiento de Stratasys y el ADN de diseño e ingeniería de MakerBot ... No habríamos podido lograr esta máquina con éxito sin ambas piezas".

El conjunto de características de Method es totalmente diferente, y es más robusto que las máquinas de impresión 3D de escritorio que existen, afirma. Ese conjunto de características incluye doble extrusión de material de modelo sólido y PVA soluble — que es plástico soluble en agua — y un marco mecanizado por CNC de metal, bahías de material con sello seco y una cámara calefaccionada circulante que crea un cojín de aire cálido esencial para crear un entorno controlado. Cada capa que se agrega ve el mismo entorno.

Para ver las cosas en acción, vea este seminario web de integración sobre impresión 3D y mecanizado CNC [Fuente: MakerBot]

"Esto es algo que ve en impresoras 3D industriales que comienzan en decenas de miles de dólares y no ve esto en el mundo de escritorio", dice Veisz. Las impresoras 3D de escritorio utilizan una arquitectura de aficionado que no proporciona precisión dimensional repetible, haciéndolas inadecuadas para muchas aplicaciones de fabricación con tolerancias ajustadas.

Dado que el entorno de impresión en impresoras 3D de escritorio no es tan controlado como en impresoras 3D industriales, la precisión y el tiempo de actividad de la máquina también sufren. En la mayoría de impresoras 3D de escritorio, a medida que avanza en la dirección Z, la pieza está expuesta a un entorno más frío, lo que hace que la capa se debilite y la pieza se deforme de manera diferente.

Con Method, MakerBot afirma dar tolerancias para la pieza terminada en más-menos 0,2 milímetros para los primeros 100 milímetros en los ejes X, Y y Z — y luego se escala en esa misma proporción, 0,002 milímetros por milímetro para cualquier dimensión que supere 100 milímetros.

"Así que no es precisión de mecanizado CNC de precisión, pero ciertamente es lo suficientemente cercano para la mayoría de trabajos de plantillas, fijaciones, herramientas y prototipos", dice Veisz. "Y está en línea con tolerancias de moldeo por inyección de plástico de producción. No ve afirmaciones de precisión dimensional en la mayoría de impresiones 3D de escritorio, y MakerBot no ha hecho afirmaciones sobre precisión de pieza terminada en máquinas anteriores ... Realmente no ve afirmaciones de precisión dimensional para piezas [en la mayoría de impresiones 3D de escritorio] ... Es notable que esta es la primera impresora que hemos lanzado que realmente puede imprimir cualquier geometría debido al soporte soluble, y puede imprimirla a una precisión de pieza consistente debido a las características y controles de la máquina".

¿Está usando impresión 3D para hacer prototipos, plantillas y fijaciones hoy? Hable sobre ello en el foro. [registro requerido]