Los principales retos de la fabricación aditiva y cómo superarlos

Los procesos de fabricación aditiva (AM) consisten en añadir material hasta que el producto está acabado. La AM es lo contrario de la fabricación sustractiva (SM), los métodos tradicionales del taller mecánico consistentes en cortar un material sólido hasta completar el artículo. La impresión en 3D es la actividad que más a menudo se relaciona con la fabricación aditiva, pero incluye tecnologías como:

• Extrusión: el material se empuja a través de una matriz o un orificio para crear la forma deseada. Los materiales más utilizados en la extrusión son metales, plásticos y materiales compuestos. Algunos ejemplos de productos fabricados por extrusión son tubos, alambres, marcos de ventanas y latas de aluminio.
• Laminación - Combinación de dos o más capas de material. Suele utilizarse para proteger y conservar documentos, fotografías y otros materiales, añadiéndoles resistencia y rigidez. Los materiales se unen mediante calor, presión o adhesivo. El laminado se utiliza en diversos sectores, como la impresión, el envasado y la fabricación.
• Chorro de aglutinante: se incorpora un agente aglutinante al proceso para combinar partículas de polvo de metal, cerámica o materiales compuestos. El polvo se extiende en una capa fina y luego se adhiere selectivamente al agente aglutinante. La inyección de aglutinante es relativamente rápida y puede producir piezas complejas con gran precisión y detalle.
• Inyección de material: tecnología de impresión 3D que utiliza resina fotopolímera líquida curada con luz UV. Similar a la estereolitografía (SLA), la inyección de material inyecta gotas de material en una plataforma de construcción capa por capa, según un archivo de diseño asistido por ordenador (CAD) en 3D. Una vez depositada cada capa, el material se cura con luz UV, produciendo piezas muy detalladas y precisas. La inyección de material puede imprimir en una amplia gama de materiales, incluidas resinas transparentes, similares al caucho y flexibles.
• Deposición directa de energía (DED) - Los haces de alta energía, como los haces de electrones, los haces láser y los arcos de plasma, funden y depositan material de forma controlada para construir una pieza tridimensional capa a capa. Este proceso ofrece varias ventajas sobre los métodos de fabricación sustractivos o formativos convencionales, como una mayor flexibilidad de diseño, tiempos de procesamiento más rápidos y la capacidad de producir piezas con geometrías y formas complejas.
• Fusión de lecho de polvo (PBF): otra tecnología de impresión 3D que desarrolla piezas complejas capa a capa a partir de metal o plástico en polvo. En PBF, un láser funde y fusiona selectivamente pequeñas partículas de material en un lecho de polvo. Este proceso se repite hasta que se produce la pieza en 3D. El PBF puede producir piezas con geometrías complejas y detalles intrincados con gran precisión y repetibilidad.
• Polimerización en cuba - Proceso de polimerización a granel en el que los monómeros se añaden a una cuba o recipiente y se calientan en condiciones estructuradas. El calor hace que los monómeros reaccionen o se polimericen y formen un polímero. Este proceso permite formar polímeros de mayor peso molecular que otros procesos de polimerización.

Este artículo explora los retos (primarios, técnicos, operativos y organizativos) del sector de la fabricación aditiva, cómo superarlos y cómo resolverlos trabajando con un socio experimentado en fabricación aditiva.

Existen varias oportunidades para mejorar el ámbito de la fabricación aditiva. Entre estos retos se incluyen los siguientes:

• Gasto de capital: la inversión inicial en equipos de impresión 3D es considerable, pero no tan grande como la de los métodos tradicionales de fabricación sustractiva. Las condiciones económicas actuales también contribuyen a la aversión a los grandes gastos de capital. Los gastos de capital pueden ser difíciles de justificar con una incursión en una industria nueva y dinámica. Si la intención es acelerar la fabricación de prototipos, los métodos de contabilidad tradicionales suelen tener dificultades para calcular una amortización justificable.
• Mantenimiento - La tecnología de las impresoras 3D (3DP) está evolucionando y las averías no son infrecuentes, incluso con un mantenimiento programado con regularidad. Los tiempos de inactividad y el mantenimiento son costes potenciales que asustan a los inversores. Las piezas esenciales pueden mantenerse en inventario debido a problemas residuales de la cadena de suministro, lo que aumenta los costes de transporte.
• Escasez de mano de obra - Otro reto son los conocimientos técnicos necesarios para gestionar y hacer funcionar los equipos. El mercado tiene una enorme demanda de conocimientos técnicos para supervisar y hacer funcionar los equipos de AM. Es posible que estos conocimientos tengan que desarrollarse internamente con formación externa, lo cual es un proceso lento cuando se intenta justificar la inversión en equipos. Las conversiones de archivos y la experiencia con los equipos son sólo una parte de las necesidades de mano de obra. Dependiendo de la tecnología, es posible que se necesite un operario para cambiar los filamentos a mitad de la impresión, ajustar la configuración, retirar las estructuras de soporte y realizar las operaciones de postprocesamiento.
• Disponibilidad de material - Dada la relativa juventud de las tecnologías de AM, la disponibilidad de material es mucho menor que en los servicios de fabricación tradicionales. Con menos antecedentes de materiales y una selección de materiales más limitada, la AM ofrece un gran número de oportunidades. Afortunadamente, el desarrollo de materiales de AM avanza a un ritmo considerable.
• El entorno de la AM - Para muchos, es necesario un cambio de paradigma para adoptar una tecnología nueva y en rápido desarrollo. Muchos inversores esperan a que el desarrollo tecnológico se estabilice y se solucionen todos los problemas. Estas opiniones acabarán cambiando con el tiempo y la mejora de los materiales y las tecnologías.

Como ocurre con las nuevas tecnologías, aún quedan varios retos técnicos por superar antes de que la mayoría de los fabricantes adopten el sector de la AM. Entre ellos se encuentran los siguientes

• Velocidad de producción lenta: la 3DP es conocida por su lentitud de fabricación, lo que impide que esta tecnología pueda utilizarse en aplicaciones de producción a gran escala. Los fabricantes de equipos son conscientes de esta deficiencia y están buscando métodos para mejorar la velocidad de producción. Las impresoras de sinterización selectiva por láser (SLS) han adoptado dos cabezales de impresión para sinterizar el polvo más rápidamente. Otros prototipos de impresoras pueden imprimir simultáneamente treinta capas en lugar de una. Y algunas impresoras han mejorado la velocidad hasta en un 2.000%.
• Automatización del postprocesado - La mayoría de las piezas impresas en AM y 3D requieren algún tipo de postprocesado. Esto requiere mano de obra adicional y contribuye a los gastos generales por unidad. Algunas operaciones de AM requieren la eliminación de soportes, lijado, limpieza, alisado con vapor, curado, etc. El reto consiste en automatizar estas operaciones con robótica y sistemas automatizados de manipulación de materiales.
• Software - Las capacidades de preparación y diseño de datos son limitadas. Las empresas necesitan la infraestructura digital adecuada para gestionar eficazmente sus operaciones de impresión 3D. El resultado es que la industria ha estado desarrollando software de gestión del flujo de trabajo específico para la impresión 3D. Este software ayuda a gestionar el flujo de trabajo, incluidas las solicitudes, el análisis de imprimibilidad, el análisis de la máquina, la programación de la producción, la gestión posterior al procesamiento y la comunicación con los proveedores.
• Calidad - La variación pieza a pieza es una preocupación para muchas tecnologías de AM. La composición del material es una fuente crucial de variación debido a la contaminación. Parte de esta variación está relacionada con el material, mientras que otro aspecto es el almacenamiento y la manipulación inadecuados. Se necesitan pruebas estandarizadas para garantizar la calidad del material y la manipulación. La capacidad de supervisar la fabricación en tiempo real con cámaras y sensores integrados en una impresora 3D permitirá pasar de un sistema de control de bucle abierto a otro de bucle cerrado. El sistema de bucle cerrado permite supervisar la fabricación en tiempo real y contribuye a la uniformidad de las geometrías, las propiedades de los materiales y los acabados superficiales que favorecen la calidad.  
• Material - La selección de materiales ha aumentado considerablemente, pero aún queda mucho camino por recorrer para que el sector de la AM supere a las tecnologías existentes. Hay deficiencias en la información sobre materiales, ya que no existe una base de datos de materiales completa con parámetros de impresión establecidos y especificaciones claramente definidas. Los fabricantes dudan a la hora de utilizar una tecnología con tales deficiencias informativas.
• Normas - El sector carece de directrices para toda la industria, incluidas normas universalmente entendidas y aceptadas. Algunos actores clave en el desarrollo de normas, como ISO y ASTM International, han creado comités dedicados al desarrollo de normas de AM.

Las nuevas tecnologías carecen de precedentes para adoptar la fabricación aditiva a nivel operativo, y existen pocos modelos empresariales y de cálculo de costes basados en la tecnología AM. La propiedad del diseño digital es otra preocupación legal que asusta a muchas empresas, al igual que la grave escasez de personal cualificado en los campos de la AM.

La buena noticia es que la popularidad y la adopción de la AM están creciendo rápidamente. El rápido desarrollo de nuevos materiales está contribuyendo a que la AM sustituya a muchas tecnologías sustractivas convencionales. El establecimiento de normas de AM aceptadas en todo el mundo también ayudará al sector a aumentar su presencia en la fabricación.

Estas preocupaciones pueden aliviarse asociándose con un socio con experiencia en impresión 3D. Este paso elimina los gastos de capital y la curva de aprendizaje. Una asociación proporciona acceso a más materiales aditivos y a varias opciones de posprocesamiento. Además de las asociaciones directas con fabricantes, varias empresas de fabricación distribuida contratan a fabricantes locales y están disponibles para supervisar estos servicios.