Retos y alcances de la Manufactura Aditiva

Durante el International Manufacturing Show de hace cuatros años la manufactura aditiva (AM por su sigla en inglés) contó con un pabellón exclusivo, donde las empresas expositoras demostraron en vivo algunos de los procesos de manufactura aditiva e impresión 3D para la fabricación de piezas de producción. El año pasado, también en la IMTS de Chicago, la manufactura aditiva tuvo un lugar destacado en la exposición y ya existen varias conferencias y eventos dedicados a esta tecnología.

Pero, ¿qué es la manufactura aditiva? Según Pete Zelinski, Editor de la revista Additive Manufacturing, la AM es un proceso por el cual un archivo 3D es convertido en un objeto físico mediante la adición, capa por capa, de material. Este material puede ser resina, metal, plástico, entre otros. El termino más comúnmente usado como su sinónimo es ‘Impresión 3D’.

“En lugar de moldear una pieza o mecanizarla, la manufactura aditiva involucra tecnologías que funden el material, algunas veces usando un láser, en el caso de los metales, con el fin de construir una pieza capa por capa”, afirma Zelinski.

De acuerdo con Raúl Barriga, Gerente Nacional de Ventas y Coordinador de Proyectos de Manufactura Aditiva en Renishaw México, “la AM es el proceso de creación de objetos tridimensionales, capa por capa, a partir de un modelo digital 3D. Para ayudar a estandarizar la AM, el Comité ASTM F42 sobre Tecnologías de la manufactura aditiva clasificó sus tecnologías en siete categorías, que incluyen fotopolimerización, extrusión de material, fusión de lecho de polvo, inyección de material, inyección de aglomerante, laminado de láminas y deposición de energía dirigida”.  

Para Timothy W. Simpson, Profesor de Ingeniería, Diseño y Manufactura de la Universidad Estatal de Pennsylvania y Codirector del Centro de Procesamiento de Materiales Innovadores por Deposición Digital Directa (CIMP-3D), “la manufactura aditiva proporciona diseño y libertades de materiales para fabricar piezas que son imposibles o demasiado caras de fabricar con los procesos de manufactura tradicionales, como el fresado y la fundición. Aunque el diseño para la manufactura aditiva (DFAM) tiene sus limitaciones, también permite nuevas oportunidades.

Costos y tiempos de producción de la manufactura aditiva

Un factor importante que le ha brindado ventajas a la manufactura aditiva son los costos de producción.

“El costo es solo un factor que potencialmente impulsa esta aceptación. La calidad y el tiempo (velocidad) son los otros dos factores principales, y la AM puede ayudar a mejorar todos estos factores cuando se usa de manera efectiva. Por ejemplo, las estructuras superpuestas se pueden usar para crear componentes más livianos con mejores relaciones de resistencia a peso. Esto mejora la calidad de la pieza al tiempo que reduce el costo de la AM al usar menos material y tiempo de construcción para hacer la pieza. Esto puede incluso permitir una sustitución de material, mejorando la vida útil y la durabilidad de la pieza. En aplicaciones médicas como los implantes, estas estructuras mejoran la osteointegración, lo que mejora la fuerza de unión y ayuda a los pacientes a recuperarse más rápido. Con el tiempo, esto lleva a menos revisiones de implantes, menos reemplazos y, en última instancia, menos cirugías”, explica Timothy W. Simpson.

La optimización de la topología también se puede utilizar para crear estructuras ligeras para estructuras aeroespaciales. ¿Pero, por qué el peso ligero es bueno en estas aplicaciones?

De acuerdo con Timothy W. Simpson, “ahorrar 1 kilogramo de peso en un avión ahorra 3,000 dólares al año en costos de combustible. En aplicaciones espaciales, los ahorros aumentan a 10,000 dólares por kilogramo de peso ahorrado, así la empresa puede intercambiar los ahorros de peso para transportar más carga útil, haciendo que el lanzamiento sea más rentable.

Las empresas también ahorran dinero porque mejoran su relación de compra por vuelo de uso de material, que en algunos casos he visto tan alta como 80 a 1. Se necesita menos material para hacer un componente optimizado para la topología, lo que reduce los costos de material y el tiempo de construcción, y se produce menos chatarra”.

El tiempo de entrega es otra de las ventajas que se le ha encontrado a la manufactura aditiva, especialmente para prototipos funcionales y piezas de repuesto.

“Esto les da a las compañías una ventaja de velocidad, mejorando la flexibilidad y la agilidad al reducir el tiempo de desarrollo del producto y el tiempo de fabricación. La impresión de piezas de repuesto bajo pedido puede reducir los costos de inventario en las empresas y mejorar la logística y el apoyo en las operaciones militares, especialmente en ubicaciones remotas, anota Timothy W. Simpson.

También la producción de bajo volumen y la manufactura de componentes personalizados son otras de las ventajas que se le han encontrado a la manufactura aditiva.

De acuerdo con Raúl Barriga, la manufactura aditiva da lugar a una serie de ventajas sobre los procesos tradicionales. “La AM ofrece altos grados de personalización de los productos con poco impacto en la complejidad y costos reducidos en fabricación en piezas con geometrías complejas, ya que las herramientas y el componente de costo asociado para estos no existen para los procesos de AM. Claro que es solo para producciones de bajo número de piezas, pues el desperdicio de material es muy reducido, además de que el tiempo y los costos asociados con los materiales y el inventario se reduce significativamente. Por otra parte, se pueden producir piezas heterogéneas e individualizadas (para algunas tecnologías), mientras que hacerlo con procesos de fabricación tradicionales puede tener un costo prohibitivo. También se utiliza para aplicaciones donde se requiere reducir peso. Esta tecnología fomenta la innovación, ya que ofrece un corto tiempo de respuesta para la creación de prototipos y reduce drásticamente el umbral de producción de productos de usuario final de pequeño volumen”.

¿Cómo funcionan los equipos de manufactura aditiva para hacer piezas en metal?

Existen diferentes métodos para convertir polvos metálicos en una pieza sólida. De acuerdo con Edmundo Pérez, Ejecutivo de Ventas CNC y Especialista en Manufactura Aditiva en Hemaq, “el método más popular es mediante sinterizado de polvo de metal mediante rayo láser y, recientemente, el bound metal deposition, que permite obtener piezas en un menor tiempo o en geometrías complejas, ya sea que el producto sea un prototipo o pieza de uso final”.

De acuerdo con Raúl Barriga, los procesos actuales de fabricación de manufactura aditiva de metal consisten en la materia prima metal y un medio que permita aglutinar el metal o fusionar el metal con alguno de estos procesos: Binder Jet, sinterización selectiva de láseres, fusión selectiva con láser, fusión con haz de electrones, Laser Engineered Net Shaping y prensado isostático.

Actualmente, la manufactura aditiva se utiliza para obtener piezas en un menor tiempo o en geometrías complejas, ya sea que el producto sea un prototipo o pieza de uso final.

“Cualquier geometría puede ser impresa; inicialmente se pensaba en piezas prototipo, pero actualmente se pueden imprimir piezas de uso final. Una de sus limitaciones son los materiales usados, ya que no están cubiertos todos los materiales, ni plásticos ni metálicos, limitante que no existe en la manufactura sustractiva”, refiere Edmundo Pérez de Hemaq.

Pero, ¿reemplazará la manufactura aditiva procesos convencionales como el mecanizado? Según Edmundo Pérez, hoy esta tecnología es más un complemento que un reemplazo, aunque en algunos procesos ya se ha convertido en sustituto.

“El principal obstáculo para que se convierta en un reemplazo son los costos de producción en 3D, en el momento que se vuelva más económica se convertirá en una opción más seria de reemplazo”. Por su parte, Raúl Barriga considera que la manufactura aditiva es un proceso alterno. “Es complementario de los tradicionales o los que conocemos actualmente, y que nos dará la factibilidad de crear nuevos productos y nos permitirá poder innovar y mejorar la calidad de vida, como es la intención de los procesos productivos”.  

De acuerdo con los especialistas del tema, los beneficios de la manufactura aditiva son diversos, y el reto radica en la propuesta de valor, ya que puede variar según la aplicación, la empresa y la industria en que se emplea. Entender las oportunidades y las restricciones es importante para aprovechar al máximo esta nueva tecnología para garantizar que le dé un valor al producto final que se esté produciendo.

Ventajas de la manufactura aditiva para el diseño de piezas

Los métodos de diseño afectan directamente los costos de manufactura, ya que cada característica del componente tiene un impacto en la producción. Por ello, hay que considerar el tamaño, la forma, la complejidad, el acabado de la superficie, los recubrimientos, la dureza y las tolerancias dimensionales. Para Mike Lynch, Fundador y Presidente de CNC Concepts Inc., en cada uno de estos aspectos es fácil detectar las distinciones que rigen el costo de fabricación relacionado.

“En general, los componentes grandes y complejos son más difíciles de producir que los componentes pequeños y simples. Los acabados finos comúnmente requieren tiempos de mecanizado más largos que los acabados gruesos. Las piezas duras son más difíciles de mecanizar que las blandas. Las piezas de trabajo hechas con tolerancias menos estrictas requieren procesos más elaborados que los que requieren una precisión precisa. Dadas estas realidades, los ingenieros de diseño deben hacer todo lo posible para garantizar que los diseños sean apropiados para los equipos de manufactura que se utilizan. Desafortunadamente, muchos ingenieros de diseño tienen poca o ninguna experiencia en fabricación, por lo que es posible que no comprendan completamente los procesos involucrados. La mayoría, por ejemplo, no ha trabajado realmente en un taller, por lo que no tienen conocimiento de primera mano del impacto negativo que una decisión de diseño inapropiado puede tener en los costos de manufactura”, refiere Lynch.

Como es bien conocido, en el sector metalmecánico la manufactura sustractiva se realiza mediante las máquinas-herramienta tradicionales, que mediante procesos de mecanizado realizan cortes y desbastes en partes de metal para darle forma final a un componente.

De acuerdo con Mike Lynch, los ingenieros de diseño siempre han tenido el beneficio de una diversidad extrema en los métodos de manufactura sustractivos.

“Hay un proceso de fabricación sustractivo incluso para la técnica de diseño más compleja. Si bien casi todo es posible con la manufactura sustractiva, las expectativas de diseño inadecuado siempre tienen un precio más alto. Además, los ingenieros de diseño tradicionalmente han dependido de otra persona, una persona de manufactura, para descubrir cómo producir los atributos de las piezas de trabajo diseñadas. Esto significa que el ingeniero de diseño puede no ser consciente de que una técnica de diseño aumenta los costos de fabricación. El diseño para la manufactura aditiva es muy diferente. Estas son las primeras máquinas que requieren que los ingenieros de diseño entiendan el proceso para crear diseños exitosos. De hecho, puede ser el ingeniero de diseño, especialmente para la creación de prototipos, el que configura y ejecuta los equipos de manufactura aditiva, y estas máquinas a menudo están cerca del departamento de ingeniería de diseño”.  

Lynch refiere que existen varios ejemplos de lo que un ingeniero de diseño necesita entender para un proceso de impresión 3D de fabricación de filamentos fusionados (FFF) versus un proceso de mecanizado CNC:

• La creación de un perfil de impresión (determinando las temperaturas de impresión, la altura de la capa y el relleno, entre otras configuraciones) puede compararse con la comprensión de las prácticas básicas de mecanizado para crear procesos de mecanizado exitosos.

• La creación de un programa de corte para la impresora 3D se puede comparar con el uso de un sistema de Manufactura Asistida por Computadora (CAM) para crear programas de mecanizado CNC en código G.

• La calibración de la impresora 3D (nivelación de la cama y altura de la boquilla) puede compararse con la asignación del programa cero.

• La determinación de la necesidad de saltos y balsas se puede comparar con la determinación de la necesidad de dispositivos especiales de sujeción de la pieza de trabajo.

• Asegurarse de que la adhesión del modelo a la superficie producida se pueda comparar con lo que se necesita para hacer un setup de un sistema de sujeción.

• Las consideraciones que rodean las estructuras de soporte (y cómo limitar la necesidad de ellas) se pueden comparar con las consideraciones que rodean a los dispositivos de sujeción, como los tailstocks y los puntos de apoyo.

• El cambio del filamento puede compararse con la preparación y medición de conjuntos de herramientas y la introducción de compensaciones.

• La determinación y la aplicación de espacios libres para el acoplamiento de componentes se pueden comparar con los ajustes de tamaño para las piezas mecanizadas.

Aunque estas comparaciones se limitan a las impresoras 3D FFF, otros problemas similares afectan las formas de la manufactura aditiva (como la resina y los tipos de metal). De acuerdo con Lynch, si un ingeniero de diseño no comprende completamente las tecnologías que envuelven el tipo de equipo de manufactura de aditivos que se está utilizando, se encontrarán con muchas impresiones fallidas.

De manera similar, si un ingeniero de diseño no comprende completamente las tecnologías que rodean a cualquier tipo de equipo de manufactura sustractivo, los costos de fabricación probablemente sean más altos de lo que deberían ser.

Lynch concluye que, si el enfoque requerido para la manufactura aditiva pudiera aplicarse a la manufactura sustractiva, un ingeniero de diseño podría especificar exactamente cómo deben usarse las máquinas-herramienta requeridas para producir sus diseños. Esto requeriría que un ingeniero de diseño sepa tanto de los métodos de fabricación sustractivos como de los aditivos.

Las limitaciones de la manufactura aditiva

De acuerdo con Pete Zelinski, Editor de Additive Manufacturing, la manufactura aditiva como una opción de producción todavía está en una etapa temprana. El número de usuarios y aplicaciones va en aumento, pero aún es pequeño.

“Con el tiempo las maquinarias para manufactura aditiva serán más rápidas y el procesamiento de diversos materiales será comprendido más a fondo. Sin embargo, lo que realmente está ayudando al desarrollo de la manufactura aditiva es el involucramiento de los diseñadores al entender las libertades creativas y las posibilidades que se abren con la manufactura aditiva”.

Para Zelinski, la mejor forma de proyectar el alcance de la manufactura aditiva es como un proceso complementario, que permite es expandir los rangos de diseño que la manufactura en general puede producir. “Sin duda, la manufactura aditiva será parte del futuro. ¿Qué participación del mercado de manufactura podrá tener? ¿Qué tan rápido podrá avanzar? Es algo que no podemos decir. Aún así, con seguridad veremos que la manufactura aditiva ganará un lugar como proceso de producción junto con el moldeo por inyección, el mecanizado y otros procesos”.

Para Raúl Barriga, de Renishaw, el espectro de la manufactura aditiva es muy amplio, desde piezas con peso reducido, preparadas para soportar esfuerzos mecánicos en alguna dirección en particular o piezas hechas a medidas, como prótesis. Sin embargo, él considera que una de las limitaciones de esta tecnología puede ser el hecho de que, al ser un proceso alterno de fabricación, se piense que todo puede ser fabricado por este método.

Por su parte, Edmundo Pérez, de Hemaq, considera que la manufactura aditiva es más un complemento que un reemplazo, aunque en algunos procesos ya se ha convertido en sustituto. Para él, el principal obstáculo para que se convierta en un reemplazo son los costos de producción en 3D, y prevé que cuando esta tecnología se vuelva más económica se convertirá en una opción más seria de reemplazo.

Ofertas y beneficios de los equipos de manufactura aditiva

En México existen varios proveedores de equipos para manufactura aditiva. Renishaw y Hemaq han ofrecido varias opciones desde que esta tecnología incursionó en el país. Los sistemas de manufactura aditiva de Renishaw utilizan tecnología de fusión de cama de polvo metálico para construir componentes complejos directamente desde modelos 3D.

Modelos como la máquina AM400 son ideales para prototipado y media producción, y también cuentan con equipos de producción como la RenAM500M y la RenAM500Q.

Para estos equipos, la cámara de vacío patentada de Renishaw funciona creando primero un vacío antes de volver a llenarlo con gas argón de alta pureza. Según Raúl Barriga, este método garantiza un entorno de construcción de alta calidad, así como un uso mínimo de argón para la generación de la atmósfera. Es adecuado para todos los metales calificados, incluidos titanio y aluminio.

“Todos los sistemas Renishaw AM se benefician de nuestro filtro patentado SafeChange y del sistema de manejo de polvo a través de la guantera, lo que ayuda a minimizar el contacto del usuario con los materiales y las emisiones del proceso. Nuestro sistema de fabricación industrial, el RenAM 500M y el RenAM500Q, se beneficia aún más del tamizado y recirculación automáticos de polvo, afirma el Ing. Barriga.

Por su parte, Hemaq cuenta con equipos de impresión 3D y materiales que crean objetos físicos directamente de datos digitales, tanto de la marca Stratasys que ofrece equipos de manufactura aditiva de termoplásticos de ingeniería, y Desktop Metal, con equipos de manufactura aditiva en metal.

A continuación, presentamos algunos de los equipos de manufactura aditiva disponibles en el mercado.