Digitalización y manufactura aditiva: claves en la producción industrial

La manufactura aditiva, también conocida como impresión 3D, enfrenta el desafío de una interrupción continua en su cadena de procesos digitales, obstáculo que, según los expertos, se resolverá gradualmente.

Este reto se destaca en el estudio “Un gran avance en la manufactura aditiva: una guía práctica para escalar y superar desafíos clave”, elaborado por el Foro Económico Mundial (FEM), en el que se subraya la importancia de una columna vertebral digital eficiente, especialmente para escenarios de producción como la personalización masiva.

Los especialistas encuestados en el estudio del FEM resaltan una problemática significativa: la falta de interconexión entre el software de diferentes proveedores a lo largo de la cadena de procesos. Esta desconexión conduce a la introducción de pasos intermedios que comprometen la calidad del producto final.

Adicionalmente, señalan que la información generada no se comparte de manera consistente ni está disponible a lo largo de la cadena, lo que representa un obstáculo más hacia la eficiencia y optimización de la manufactura aditiva.

La importancia de la digitalización en la producción

En concordancia con estos hallazgos, Timothy W. Simpson, profesor de Diseño de Ingeniería y Manufactura en la Universidad Estatal de Pensilvania y colaborador de nuestra publicación hermana, Modern Machine Shop, reflexiona sobre el impacto de la digitalización en la manufactura aditiva.

Simpson enfatiza que, para integrar plenamente esta tecnología en los procesos de producción, es crucial adoptar una “mentalidad digital”. Según el profesor, esto implica reconocer que todo el flujo de trabajo en la manufactura aditiva, desde el material inicial hasta el producto terminado, es inherentemente digital.

La manufactura aditiva se está transformando en una poderosa plataforma tecnológica dentro de la Industria 4.0, gracias a su compatibilidad con una serie de tecnologías avanzadas como el diseño basado en datos, la inteligencia artificial para el monitoreo de procesos en tiempo real, y las cadenas de suministro digitales.

Este enfoque, habilitado por un hilo digital que recorre toda la cadena de procesos de manufactura aditiva, captura datos críticos en cada etapa del ciclo de vida del producto, desde el diseño hasta el servicio posventa y el fin de su vida útil. Este flujo continuo de información no solo mejora el rendimiento y la eficiencia, sino que también reduce los costos asociados con las aplicaciones de manufactura aditiva.

Estudio de caso: la manufactura aditiva en la Industria 4.0

El estudio mencionado del Foro Económico Mundial destaca la experiencia de las empresas Trinckle y Aqtor! como ejemplo de la explotación efectiva de esta cadena de procesos digitales. Estas compañías han desarrollado una plataforma de diseño automatizado para la creación de órtesis impresas en 3D, que demuestra la versatilidad de la manufactura aditiva. Esta plataforma, en uso desde 2019, ha facilitado la elaboración de tres productos hasta la fecha, con muchos más en desarrollo, incluida una rodillera fabricada más de 350 veces.

La plataforma permite una amplia gama de niveles de automatización, desde la manipulación simple de parámetros hasta funciones más complejas, como la adaptación automática de las órtesis a los escaneos 3D de los pacientes. Un avance significativo previsto es la incorporación de sensores inteligentes en las órtesis para recopilar datos durante su uso, lo que podría abrir nuevas vías para interactuar con los clientes, como planes de entrenamiento personalizados.

Desde el punto de vista empresarial, la implementación de esta plataforma ha resultado en una notable disminución de la mano de obra necesaria para el diseño, con reducciones de entre el 40 y el 60 % según el producto.

Este caso ilustra cómo la digitalización en la manufactura aditiva no solo optimiza los procesos productivos, sino que también redefine las relaciones con los clientes y crea nuevas oportunidades comerciales. La capacidad de automatizar etapas individuales del proceso de manufactura subraya el potencial de esta tecnología para revolucionar el diseño, producción y venta de los productos.

El proceso de manufactura aditiva: de la idea al producto

En la manufactura aditiva, el proceso para transformar una idea en un producto tangible se inicia con la creación de un modelo sólido 3D o la digitalización de una pieza existente mediante ingeniería inversa, según explica el profesor Simpson.

Este modelo digital sirve como fundamento para la realización de análisis y simulaciones, cruciales para refinar la pieza y asegurar que cumpla con todos los requisitos para su uso final, igual que cualquier otro componente manufacturado por métodos tradicionales.

La siguiente etapa involucra la teselación de la geometría digital y su conversión a un archivo STL, formato que permite su interpretación por el software de preparación de construcción. Ahí se establece la orientación de la pieza digital en un espacio tridimensional sobre una placa de construcción, lo cual resulta esencial para la fabricación de la pieza capa por capa.

Este proceso, que contempla la optimización de factores como el tiempo de construcción, el consumo de materiales, las necesidades de posprocesamiento y la escala de producción, utiliza para ello tanto el software de preparación como herramientas de simulación avanzadas. Estas simulaciones desempeñan un papel fundamental en minimizar los riesgos de fallos constructivos y defectos, para garantizar así la calidad del producto final antes de su fabricación física.

Una vez definida la orientación de construcción y determinados los elementos adicionales del diseño como estructuras de soporte y muestras de prueba, el diseño completo en la placa de construcción se segmenta en capas digitales. Esta etapa culmina con la generación de la trayectoria para las herramientas digitales —tales como láseres, cabezales de impresión y boquillas de deposición— y la definición de los parámetros de proceso necesarios para asegurar una manufactura de alta calidad.

La información que describe la ruta de la herramienta digital se envía al sistema físico de la impresora 3D. Este proceso, completamente automatizado para la mayoría del software de corte y sistemas de manufactura aditiva, es crucial para la precisión y eficiencia de la producción. La impresora se carga con el material de alimentación adecuado, se calibra y se prepara para la construcción.

Una vez que todo está configurado comienza el proceso de manufactura aditiva. Los datos específicos que describen la ruta de la herramienta y los parámetros del proceso asociados generan los movimientos físicos y las operaciones de la máquina necesarios para construir la pieza capa por capa.

La detección de procesos in situ monitorea la construcción y guarda todos los datos para su posterior análisis en caso de que algo salga mal. Esta información es invaluable para los usuarios expertos, quienes a menudo la utilizan para desbloquear parámetros críticos del proceso y maximizar la productividad.

Optimizando el posprocesamiento en la manufactura aditiva

El posprocesamiento, una etapa crucial en la manufactura aditiva, abarca desde la eliminación de estructuras de soporte hasta el acabado de superficies y las pruebas de rendimiento. Su objetivo es garantizar que las piezas impresas en 3D cumplan con todos los requisitos de calidad, rendimiento y dimensionalidad.

Las técnicas de posprocesamiento más comunes incluyen:

• Eliminación del exceso de material: se elimina el material adicional utilizado para soportar la pieza durante la impresión.
• Acabado de superficies: se emplean técnicas como lijado, pulido y granallado para mejorar la calidad de la superficie.
• Tratamientos térmicos: se aplican para mejorar las propiedades mecánicas de las piezas.
• Eliminación de soporte: se retiran las estructuras de soporte utilizadas durante la impresión.
• Mecanizado: se usa para crear superficies de contacto precisas o cumplir con tolerancias estrictas.
• Curado y coloración: se realiza el curado final del material y se pueden aplicar tintes o pintura.
• Inspección y pruebas: se verifican la calidad y el rendimiento funcional de las piezas.

La necesidad de posprocesamiento puede representar hasta el 60 % del costo total de una pieza. Por ello, es crucial considerar las necesidades de posprocesamiento desde las primeras etapas de diseño y planificación de la producción.

Para optimizar este proceso, se desarrollan cada vez más soluciones automatizadas y digitales. Estas van desde sistemas automatizados de eliminación de soportes hasta técnicas avanzadas de acabado de superficies, que pueden suavizar grandes volúmenes de piezas con estándares comparables al moldeo por inyección.

El desarrollo de estas soluciones automatizadas, fundamental para reducir la mano de obra, los costos y el tiempo de producción, impulsa la eficiencia y escalabilidad de la manufactura aditiva.

Si bien el diseño para manufactura aditiva (DfAM) puede reducir la necesidad de posprocesamiento, no la elimina por completo. Optimizar el diseño de las piezas para la impresión 3D puede minimizar el posprocesamiento necesario, pero siempre se requerirá cierto grado de trabajo posterior para garantizar la calidad y el rendimiento.

Por lo tanto, el desarrollo continuo de tecnologías de posprocesamiento automatizado y cadenas de producción integradas es crucial para la viabilidad económica de la manufactura aditiva. Estas tecnologías, que tienen el potencial de reducir significativamente la mano de obra, los costos y el tiempo de producción, hacen que la impresión 3D sea más competitiva con los métodos de fabricación tradicionales.

El uso de datos en el posprocesamiento también es un área de desarrollo importante. Los datos recopilados de cada paso del proceso se pueden combinar en un “hilo digital” que proporciona información completa sobre la pieza. Este hilo digital puede usarse para mejorar la calidad del producto, optimizar el proceso de producción e, incluso, predecir posibles problemas.

Las técnicas de posprocesamiento de datos pueden ser simples o complejas.

• En el caso más simple, se pueden registrar datos como el tiempo y la temperatura durante el tratamiento térmico.
• En casos más complejos se pueden obtener miles de radiografías digitales durante una tomografía computarizada (TC) de la pieza.
• Las imágenes 3D resultantes se pueden usar para inspeccionar la pieza en busca de defectos internos o porosidad.

La digitalización: clave para el futuro de la manufactura aditiva

La integración de la manufactura aditiva (MA) con la cadena de procesos digitales en la producción es crucial para el crecimiento y la viabilidad de esta tecnología. Según el Foro Económico Mundial, solo las empresas con una visión estratégica a largo plazo y un apoyo gerencial constante han logrado integrar completamente la MA como método de producción.

La digitalización a escala de la cadena de procesos es fundamental. Los expertos consultados por el FEM coinciden en la necesidad de mejorar la digitalización y la disponibilidad constante de datos a lo largo de toda la cadena. Esto implica la implementación de formatos de datos adecuados, interfaces estandarizadas, apertura de protocolos e intercambio de metadatos.

La colaboración entre los fabricantes de software y máquinas es vital para mejorar la cadena de procesos del software. Deben trabajar juntos para considerar las capacidades cambiantes de la inteligencia artificial y desarrollar soluciones conjuntas que impulsen la industrialización de la MA.

Al digitalizar la cadena de procesos se podrán desarrollar nuevos modelos de negocio y aplicaciones en los próximos cinco a diez años. Esto conducirá a un crecimiento constante del mercado general de la MA y tendrá un potencial disruptivo en algunas industrias.

La digitalización de la cadena de procesos de la MA ofrece una serie de beneficios, entre ellos:

• Mejora de la eficiencia y la productividad.
• Reducción de costos.
• Mejora de la calidad del producto.
• Mayor flexibilidad y capacidad de respuesta.
• Acceso a nuevos mercados y aplicaciones.

Si bien la digitalización de la manufactura aditiva ofrece muchos beneficios, también presenta algunos desafíos, como:

• Falta de estándares y protocolos comunes.
• Dificultad para integrar diferentes sistemas de software.
• Falta de habilidades y conocimientos.
• Ciberseguridad.

¿Qué significa todo esto para su taller?

El profesor Simpson advierte que las empresas que continúan fabricando piezas a partir de planos en 2D se enfrentan al riesgo de quedar obsoletas en un mercado que avanza rápidamente hacia la digitalización y la manufactura aditiva.

Resalta la importancia de dominar el modelado 3D y el uso de software CAD para aprovechar al máximo las capacidades de las impresoras 3D; además, subraya que, sin estas habilidades, las empresas no podrán innovar ni personalizar productos, y se limitarán a replicar diseños ya existentes.

En este contexto, aquellas empresas con experiencia en CAD y programación CNC poseen una ventaja significativa, sobre todo en sectores altamente regulados como el aeroespacial y el médico. La creación de un hilo digital, que integra datos detallados de mecanizado y acabado, se está convirtiendo en una práctica esencial para el aseguramiento de la calidad y el cumplimiento de estrictos estándares de seguridad, pues facilita un seguimiento exhaustivo del proceso de fabricación que resulta en mejoras de eficiencia y reducción de costos.

Para las empresas que han actualizado o adquirido nuevas máquinas CNC en los últimos cinco años, la captura de datos para cumplir con estas exigencias es más accesible; sin embargo, aquellas que dependen de equipo más antiguo necesitarán adoptar dispositivos de internet de las cosas (IoT) para recopilar los datos demandados por sus clientes.

La implementación de dispositivos plug and play, como interfaces hombre-máquina, tablets y sensores, facilitará esta transición; se recomienda, además, el uso de la nube para el almacenamiento de datos y plataformas IIoT para el análisis y gestión de estos.

En conclusión, la adopción de tecnologías digitales y de manufactura aditiva es fundamental no solo para quienes ya las utilizan o planean hacerlo, sino para todas las empresas que deseen mantenerse relevantes en el marco de la cuarta revolución industrial. Esta realidad, que obliga a una transformación digital en todos los niveles de producción, insta a las empresas a adoptar una mentalidad orientada hacia el futuro para no quedar relegadas.

Perspectivas futuras: la manufactura aditiva en el desarrollo y producción

La manufactura aditiva (MA) es un catalizador para la transformación industrial en los próximos cinco a diez años, con expectativas de evolución hacia una producción en serie y personalización masiva. Esta proyección se basa en la anticipación de reducciones de costos continuas y en la difusión del conocimiento acerca de esta tecnología, lo que podría democratizar su uso en diversos sectores industriales.

Hasta ahora, la MA ha demostrado su valor en la producción a pequeña escala y en la generación de ingresos significativos en nichos de mercado altamente especializados, tales como el consumo, el aeroespacial, el automotriz de alta gama, las industrias médica y ferroviaria.

La adopción inicial de la MA por líderes del mercado y la innovación señala un cambio gradual hacia escenarios de producción más amplios y diversificados. Se contempla un futuro en el que la especialización en novedosas aplicaciones de nicho, potenciadas por el desarrollo de nuevos materiales y tecnologías, expandirá aún más el mercado. Además, la capacidad de la MA para apoyar el ciclo de vida del producto, incluida la producción posventa y a pequeña escala, sugiere un potencial significativo para la industrialización de la producción en serie.

Expertos en el campo prevén un desarrollo lento pero constante hacia una integración total de la MA en los procesos de manufactura, sin esperar cambios disruptivos en el corto plazo; no obstante, la perspectiva cambia con la visión de un retorno de inversión (ROI) a corto plazo, similar al de tecnologías bien establecidas, que podría acelerar la adopción de la MA para la producción en masa.

A largo plazo, se anticipa que la resolución de los obstáculos actuales permitirá escenarios de producción relevantes como el soporte al ciclo de vida extendido. Además, un modelo de negocio disruptivo que emerge en las proyecciones es el del inventario y almacén digital, lo que podría revolucionar las cadenas de suministro al hacerlas más simples, descarbonizadas y resilientes, aunque aún quedan desafíos significativos para habilitar plenamente nuevos modelos como este.