Por qué la impresión 3D está revolucionando la fabricación moderna

Ha habido una tremenda cantidad de exageración en torno a la fabricación aditiva (e impresión 3D) en los últimos años. ¿Pero la tecnología es realmente factible para todos los fabricantes? Depende.

Desde partes del cuerpo hasta casas, la impresión 3D, también conocida como aditiva en el sector manufacturero, ha pasado rápidamente de ser una moda tecnológica digna de titulares para consumidores a un medio viable y accesible para construir cosas, como implantes médicos, piezas de automoción y aviación, y prototipos de plástico para diseñadores industriales.

¿Qué es exactamente la fabricación aditiva? MIT Technology Review la describe como la versión industrial de la impresión 3D donde una máquina "construye un objeto añadiendo capas ultradelgadas de material una por una". En lugar del trabajo de mecanizado tradicional que sustrae o elimina elementos del material existente (como en el trabajo de metal convencional, fresado y mecanizado CNC), la fabricación aditiva construye desde cero.

¿Cuáles son los beneficios de la fabricación aditiva? Ofrece a las empresas opciones más amplias para innovar y adaptar la fabricación a las necesidades internas de herramientas y de piezas y materiales de los clientes, y para reducir costos "disminuyendo la cantidad de material perdido durante la fabricación, mejorando el rendimiento del producto y/o reduciendo las entradas de mano de obra", según Deloitte University Press en un artículo que detalla aplicaciones 3D para herramientas.

Impresión 3D: La adopción de la fabricación aditiva está en aumento

Según un estudio de PwC y The Manufacturing Institute, aproximadamente dos tercios de los fabricantes ya han adoptado la tecnología de alguna forma, y más de la mitad ya la están usando para prototipado, un salto significativo desde solo dos años antes, con el 35 por ciento de los fabricantes probando la tecnología.

Y como sugiere la encuesta, los fabricantes asumen que el crecimiento rápido en torno a la aditiva solo aumentará su velocidad. Más de la mitad de los fabricantes esperan que la fabricación aditiva se use para producción de alto volumen dentro de los próximos cinco años, en comparación con solo el 38 por ciento hace solo dos años.

El mercado de la fabricación aditiva para metales respalda estos hallazgos. Según la investigación "Fabricación Aditiva con Polvos Metálicos 2017" de SmarTech Publishing, el mercado de sistemas de fabricación aditiva y materiales de polvo metálico superó los 950 millones de dólares en 2016 y se espera que crezca a 6.6 mil millones para 2026.

Desafíos de la impresión 3D, fabricación aditiva: Tiempo y costo

A pesar de la tremenda exageración en torno a la fabricación aditiva, hay algunas limitaciones que entender. Primero, la fabricación aditiva puede ser lenta para producir. Producir el tipo de volumen que se logra con el mecanizado CNC en metales no es una comparación manzana con manzana.

"Para los metales, es un tema diferente", dice Gordon Styles, fundador y presidente de Star Rapid, en una entrevista con Engineering.com. "No tiene sentido imprimir en 3D nada que esté diseñado para mecanizado CNC; naturalmente será mucho más lento de imprimir porque el tiempo de impresión es relativo al volumen de material. La mayoría de las piezas de metal diseñadas para CNC son voluminosas y por lo tanto toman mucho tiempo en una impresora 3D."

Varias empresas están trabajando para acelerar el proceso, señala Styles. Pero esa tecnología mejorada incitará otro desafío considerable para las empresas: el costo. La fabricación aditiva puede ser costosa, por lo que es importante entender todas las "palancas de costo", encuentra Jason T. Ray, consultor de estrategia industrial de fabricación avanzada.

"Debido a la novedad de la AM [fabricación aditiva] y los altos costos de inversión inicial requeridos para comprar las máquinas, los casos de uso a menudo se convierten en un martillo buscando clavos, en lugar de un proceso impulsado por costo-beneficio", señala Ray en el artículo "Calculando el costo de la fabricación aditiva" para la revista Disruptive. "Cuando esto sucede, el énfasis en el rediseño se reduce, y las empresas terminan produciendo componentes que fueron diseñados originalmente para métodos de fabricación tradicionales y así solo capturan una fracción de los beneficios de uso final asociados con la AM."

Pero como encontró un informe de la Universidad de Nottingham, ese podría no ser el caso para siempre. Su teoría: A medida que la tecnología de las máquinas se vuelve más avanzada, el caso económico para adoptar la aditiva en la producción se vuelve más factible. Sin embargo, mientras las máquinas se mantengan iguales, el costo seguirá siendo alto.

"Aunque estamos limitados hoy, dentro de 10 años veremos cientos de materiales disponibles", dijo Styles a Engineering.com. "El problema no es realmente la disponibilidad de materiales, es el tiempo y esfuerzo requerido para cambiar materiales. Hoy toma alrededor de 24 horas cambiar una máquina para un nuevo material."

Sin embargo, hay algunos casos en los que el mecanizado CNC podría ser más costoso que la fabricación aditiva. Pero solo hay una forma segura de averiguarlo.

"La mejor manera es simplemente obtener una cotización para los dos procesos de su proveedor de servicios de prototipado rápido", explica Styles. "Una regla general, sin embargo, es esta: Si la pieza puede ser mecanizada por CNC, entonces probablemente sea más barato mecanizarla por CNC, y en el 90 por ciento de los casos, esto es cierto."

Para colmo, Styles también destaca el hecho de que algunos materiales aditivos podrían necesitar más trabajo de mecanizado CNC, lo que incluiría la eliminación de soportes. Y lo que es más, el calor presenta probablemente el problema más grande de todos, amenazando con, literalmente, romper los productos.

Impresión 3D en fábricas: Plástico, piezas, herramientas, híbrido

Los desafíos aparte, cuando se hace prototipado en plástico, la fabricación aditiva puede tener algunos beneficios importantes. Cuando se mecaniza por CNC para prototipado con plástico, el problema radica en sus cortadores cilíndricos, que dificultan el mecanizado de esquinas cuadradas internas que son comunes en este tipo de diseños. Con la impresión 3D, las oportunidades de personalización y prueba y error en el prototipado tienen sentido para diseñadores de productos, piezas y herramientas.

La fabricación aditiva es "ideal para bajos volúmenes que necesitan respuesta rápida y se benefician de ahorros en configuración, herramientas y tiempos de preparación similares, aunque los tiempos reales por pieza pueden ser mucho más altos que con un proceso puramente sustractivo", encuentra Bob Warfield, CEO y fundador de CNC Cookbook, en un artículo sobre mecanizado híbrido (donde coexisten procesos aditivos y sustractivos).

El caso de la fabricación aditiva para piezas y herramientas

Los casos de uso reales para la fabricación aditiva merecen atención. Varios de los principales fabricantes industriales están aprovechando al máximo el potencial de la aditiva. Aquí hay varios ejemplos de grandes actores industriales.

GE espera ahorrar dinero en las 25,000 boquillas de combustible para motores a reacción LEAP que produce anualmente de varias maneras. Primero, las técnicas aditivas usan menos material durante la producción. Las técnicas convencionales requerían que 20 piezas fueran meticulosamente soldadas y producían una tonelada de material desperdiciado y desechado, señala MIT Technology Review.

"[L]a decisión de producir en masa una pieza crítica de aleación metálica para ser usada en miles de motores a reacción es un hito significativo para la tecnología", escribe Martin LaMonica de MIT Technology Review. "Y aunque la impresión 3D para consumidores y pequeños emprendedores ha recibido mucha publicidad, es en la fabricación donde la tecnología podría tener su impacto comercial más significativo."

El proceso aditivo aquí usa polvos de metal híbrido que son pulverizados con láser para formar, lo que hace la pieza más ligera, llevando a ahorros de combustible para las aerolíneas. El proceso es más barato de producir para el fabricante, y la nueva pieza reduce el costo del cliente, resultando en un verdadero ganar-ganar.

En herramientas, Deloitte hace un caso convincente para el uso de la aditiva, detallando ejemplos del mundo real donde el prototipado rápido a través de procesos aditivos ha reducido significativamente los plazos de entrega para fundiciones y para la fabricación interna de herramientas. Deloitte describe cómo Ford Motor Company ha aprovechado la aditiva de manera importante para sus motores EcoBoost, soportes de rotor, cubiertas de transmisión y rotores de freno para el Ford Explorer.

"La empresa usa AM para crear rápidamente los moldes y núcleos de arena usados para fundir piezas de prototipo", señala Deloitte. "Esto ha ayudado a Ford a reducir el plazo de entrega hasta en cuatro meses y ha ahorrado a la empresa millones de dólares."

El caso del mecanizado híbrido: Aditivo y sustractivo

Hablando de híbrido, los fabricantes de herramientas de fabricación aditiva han comenzado a desarrollar máquinas híbridas con capacidades tanto aditivas como sustractivas, y son todo un espectáculo. Estas máquinas "híbridas" combinan la libertad geométrica de la impresión 3D con la naturaleza precisa del mecanizado CNC.

"Imagine un caso donde necesite hacer volúmenes extremadamente bajos de piezas extremadamente sofisticadas, por ejemplo, piezas de repuesto para turbinas en una instalación de mantenimiento", escribe Warfield. "Una máquina [híbrida] como esta podría ser ideal."

Sin embargo, con muchas de estas nuevas herramientas, los fabricantes están limitados a producir piezas individuales y a menudo no pueden producir directamente desde archivos digitales, algo que podrían lograr con estrategias puramente aditivas.

"Hay que pensar en la impresión 3D de metal como una tecnología liberadora", enfatiza Styles. "Ahora puede diseñar piezas aparentemente imposibles y aún así hacerlas, pero la clave es mantener el volumen de material al mínimo."

Para los grandes fabricantes, la aditiva está teniendo un impacto. Pero incluso como señala Deloitte, ese impacto necesita ponerse en el contexto correcto de la innovación:

"Actualmente, la AM para la fabricación de herramientas no revoluciona la cadena de suministro o el diseño del producto tanto como mejora la eficiencia y efectividad de las cadenas de suministro y productos. Sin embargo, a medida que la tecnología AM continúa mejorando y el uso de AM para herramientas continúa aumentando, puede ganar la capacidad de impactar las cadenas de suministro y productos de las empresas más directamente al aumentar la capacidad de las empresas para innovar."

¿Ha adoptado su taller la fabricación aditiva por completo? ¿Cuáles son algunos de sus mayores desafíos con la tecnología? Háganoslo saber en los comentarios a continuación.