Por qué la impresión 3D ya no domina la industria: Desafíos y perspectivas futuras

La impresión 3D fue llamada la tecnología de la nueva revolución industrial hace muchos años, entonces ¿por qué la voz sobre la impresión 3D se está volviendo más silenciosa ahora? ¿Es la impresión 3D realmente una tecnología que puede liderar la tendencia industrial? ¿Qué obstaculiza la posibilidad de que la impresión 3D logre la producción a gran escala?

Definición de impresión 3D

La impresión 3D, también conocida como "Fabricación Aditiva", es una tecnología emergente de prototipado rápido. A diferencia de los procesos de fabricación sustractiva tradicionales, la impresión 3D es una tecnología en la que los materiales se depositan o unen capa por capa para construir objetos tridimensionales basados en archivos de datos de diseño.

La tecnología de impresión 3D en el sentido moderno nació en Estados Unidos a mediados de la década de 1980. Charles Hull (fundador de 3D Systems) y Scott Crump (fundador de Stratasys) son pioneros en la tecnología de impresión 3D.

A finales de la década de 1980 y principios de la de 1990, un grupo de pequeñas y medianas empresas tecnológicas estadounidenses, representadas por 3D Systems y DTM, desarrollaron sucesivamente estereolitografía (SLA), sinterizado selectivo por láser (SLS) y modelado por deposición fundida (FDM). y otras rutas técnicas principales, después de más de 20 años de precipitación y mejora continua, se han vuelto cada vez más maduras.

La mayor diferencia entre la impresión 3D y la fabricación tradicional radica en el proceso de formación de productos. En la fabricación tradicional, todo el proceso de fabricación generalmente necesita pasar por el proceso de apertura de molde, fundición o forja, corte y ensamblaje de componentes. La impresión 3D elimina el proceso complicado, sin molde, moldeo en una sola vez. Por lo tanto, la impresión 3D puede superar algunos diseños que no se pueden lograr en la fabricación tradicional y hacer estructuras más complejas.

¿Por qué la impresión 3D no ha logrado la producción en masa?

La razón por la que la impresión 3D no puede lograr la producción a gran escala es que las condiciones para la producción a gran escala aún no están disponibles. Y la impresora 3D es esencialmente una sola máquina, es una forma de la cadena industrial existente, no un sistema de integración de capacidad de fabricación directa.

De hecho, hace 20 o 30 años, la tecnología de impresión 3D ha sido capaz de hacer productos a partir de materiales como resina. En los últimos años, la gama de materiales que puede procesar la impresión 3D se ha expandido para incluir materiales metálicos (tecnología de sinterizado por láser), y ha reorganizado con éxito tecnologías de proceso que existían hace décadas, como combinar tecnología de la información, haces láser, etc. para procesamiento de superficie de productos o piezas y fabricación aditiva.

Pero en cuanto al desarrollo actual, el desarrollo de la tecnología de impresión 3D depende de la mejora continua de la calidad de componentes clave como láseres y pistolas de electrones.

Aplicación de la impresión 3D en la industria

En la fabricación industrial, las principales aplicaciones de las impresoras 3D son dos.

1. Algunas piezas o productos terminados con estructuras complejas son principalmente productos terminados con altos requisitos de precisión y detalles de proceso, incluyendo piezas pequeñas y componentes grandes.

Es decir, la mayoría de las tecnologías de impresión 3D pueden superar las restricciones geométricas estructurales. Y por lo tanto, en el procesamiento de componentes a gran escala de ciertas estructuras, no solo se reduce la dificultad del proceso comparado con los tradicionales, sino que también se reduce el coste.

Por ejemplo, la llamada Fabricación Aditiva por Láser, tradicionalmente, el bastidor del fuselaje del F-22 está hecho de forjados de aleación de titanio. Debido a la tecnología de superposición de LAM, ahorra el 90% de materias primas muy costosas, y no requiere moldes de fabricación especiales. El coste de procesamiento, que originalmente equivalía a 1~2 veces el coste del material, ahora solo necesita el 10% del original. Se estima aproximadamente que el coste de procesar una estructura compleja de aleación de titanio de 1 tonelada es de unos 25 millones de yuanes, y el coste de LAM es solo mucho menor que el del proceso tradicional.

2. Productos de emergencia o de fabricación rápida para ciertas industrias.

El más simple es el militar, dando al equipo de mantenimiento mecánico para procesar algunos productos terminados in situ para garantizar el mantenimiento de la plataforma mecánica en situaciones de emergencia.

En la mayoría de los casos, después de que los tanques y vehículos blindados de batalla terrestre se dañan, más de un cierto porcentaje son abandonados directamente por razones de coste. La impresión 3D puede resolver estos problemas, por supuesto, durante la marcha, cuando la logística es ajustada, sin mencionar la producción rápida de algunos suministros.

Por ejemplo, lo más famoso en el campo médico es usar impresión 3D para imprimir modelos de alta precisión para asistir al tratamiento. Por ejemplo, Stratasys Solidoodle 2 puede usarse para imprimir modelos de órganos internos o tejidos de pacientes para asistir en la formulación de planes quirúrgicos precisos. Sin necesidad de extremidades externas compatibles con tejido biológico, la impresión 3D médica permite una personalización profunda.

Los dispositivos médicos in vitro incluyen modelos médicos, dispositivos médicos como prótesis, audífonos, plantillas para cirugía dental, etc. Según estadísticas de la organización estadounidense Amputee Coalition, alrededor de 2 millones de personas en Estados Unidos están usando actualmente prótesis impresas en 3D.

Razones por las que la impresión 3D no puede escalar

1. La eficiencia del modelo de producción

La eficiencia del moldeo integrado de monómeros definitivamente no es comparable a la eficiencia de "procesamiento de piezas clasificadas + ensamblaje en la industria", porque este último moviliza la capacidad de producción de todo el sistema de fabricación, y el procesamiento de semi-productos y clasificación puede mejorar la eficiencia del proceso. Casi al máximo, es equivalente a la formación de una línea de montaje en toda la industria.

Sin embargo, con el moldeo integrado del cuerpo único, el flujo de trabajo está completamente fijo, y no se puede formar tal efecto industrial, y el cuerpo actual de la impresora 3D no puede soportar cargas de alta intensidad a largo plazo. Además, el coste y la dificultad de mantenimiento de la producción de una sola máquina son mucho más altos que el proceso tradicional de distribuir la cadena industrial uniformemente.

2. Aplicabilidad de materiales de impresión 3D

Lo primero es el problema de proceso causado por la aplicación de materiales.

Porque se necesitan hacer polvos metálicos especiales con antelación; la densidad de productos metálicos impresos es baja, hasta el 98% de la densidad de fundiciones, y en algunos casos inferior a las propiedades mecánicas de forjados, por supuesto, en algunos componentes, como grandes componentes de aleación de titanio (como la industria aeroespacial relativamente caliente) pueden cumplir plenamente las propiedades mecánicas, pero la situación general es discutible; algunos productos impresos tienen mala calidad superficial y precisión de 2-10 μm, lo que requiere post-procesado como rectificado y pulido; el material de soporte es difícil de eliminar al imprimir piezas con superficies curvas complejas.

3. Coste más alto que el mecanizado CNC tradicional

Por supuesto, este coste se debe principalmente al coste de mantenimiento de la única máquina funcionando a alta carga durante mucho tiempo como se mencionó anteriormente, resultando en alto coste de producción a gran escala.

También está el coste de materiales. El modelo de personalización profunda de tipo de pieza en realidad no es un modelo de producción de bajo coste con un mercado amplio.

¿La impresión 3D también disruptará la producción?

La impresión 3D no puede convertirse en un método de producción principal debido a su incapacidad para lograr la producción en masa. Pero esto no significa que la impresión 3D no se convertirá en una mejor parte del procesamiento y una nueva tendencia en el procesamiento de productos en el futuro.

El problema principal ahora es que la industria actual de impresión 3D necesita ubicar con precisión el tipo de mercado y la audiencia de sus productos, y promover el mercado dentro de la industria. La fabricación aditiva tiene que desarrollar un nuevo mundo en su propio nuevo campo. Es decir, las ventajas y conceptos de la fabricación totalmente aditiva, desarrollando sus propias aplicaciones y mercados propietarios.