Tendencias e importancia de la impresión 3D en la manufactura

La impresión 3D o manufactura aditiva como se ha decidido denominar al proceso de deposición de material capa por capa para generar prototipos, productos, e incluso herramientas, es con seguridad una de las tecnologías con mayor potencial de desarrollo en los próximos años a nivel mundial. Es importante tener una idea general de los diferentes procesos que existen en el mercado para saber qué tipo de sistema de manufactura aditiva es el correcto para cierto tipo de proyecto y sobre todo para saber qué esperar al decidirse por esta opción que aún está en temprano desarrollo.

Hoy en día se aceptan tres tipos de producción por medio de manufactura aditiva: El prototipado rápido (Rapid prototyping), que permite la producción de modelos funcionales o no funcionales. La fabricación rápida de herramientas (Rapid tooling) la cual incluye manufactura de partes para herramental (moldes, troqueles, etc.) con beneficios de tiempo y costos. Esto permite la fabricación de geometrías complejas, no realizables por métodos sustractivos convencionales como el fresado o el torneado, (por ejemplo: sistemas de enfriamiento de contorno en moldes de inyección). El tercer tipo es el de la manufactura rápida (Rapid manufacturing), que se concentra en la fabricación de componentes funcionales con una ventaja de costos y tiempo para fabricación de series pequeñas o piezas únicas. Manufactura de geometrías complejas (Por ejemplo, construcción ligera, joyería, accesorios deportivos, etc.).

Productos plásticos funcionales hechos capa por capa
Los primeros procesos de manufactura aditiva en el área del prototipado rápido, fueron dados por los fabricantes de maquinaria de estereolitografía. Este es un proceso en el cual un rayo láser solidifica una resina epóxica siguiendo una geometría determinada por un archivo CAD, capa por capa. Fabricantes como Stratasys fueron pioneros en la llamada impresión 3D y ahora amplía las fronteras de su tecnología hacia equipos de producción en escala industrial. Es decir, hacia la manufactura rápida. La empresa ha desarrollado tecnologías para producción de corridas cortas o de piezas personalizadas, que están siendo empleadas en aplicaciones donde el valor agregado es alto y el volumen de producción aún es bajo. Entre ellas se cuentan piezas para interiores aeroespaciales, piezas automotrices, implantes médicos, productos personalizados y productos deportivos. Partes para moldes de prueba o de pocas piezas. Se debe tener en cuenta que estos procesos tienen una precisión varios ordenes de magnitud menor que los procesos de corte CNC. Por esta razón, características de la pieza como agujeros, guías para sellos, etc. pueden necesitar un reproceso por algún método tradicional antes de ser puestos en funcionamiento.

Ahora es posible producir también en materiales como el ABS, poliamida y policarbonato. Y la tendencia lleva a que cada vez más fabricantes puedan usar materia prima plástica tal como es utilizada para procesos como la inyección o la extrusión. En esta dirección va el siguiente caso de la empresa alemana Arburg con su tecnología Freeformer, con la cual pueden generarse piezas de gran complejidad de materiales termoplásticos en una mesa de trabajo a través de la deposición de pequeñas gotas de material. Esta tecnología tiene la ventaja de que se alimentan gránulos convencionales (pellets), donde una unidad de plastificación los funde como lo hace una máquina de inyección. Posteriormente, una unidad de dosificación genera gotas de material, (diámetros entre 0.18 y 0.3 mm), capa por capa, para generar una geometría final (Imagen 1) .

La Freeformer permite además combinar diferentes materiales, a través de una segunda unidad de plastificación. De esta forma es posible combinar materiales suaves al tacto con materiales duros, o terminar una pieza con un sello. La unión entre ambos materiales es de buena calidad, gracias a que hay una interfaz de gotas de material fundido que permiten una excelente adherencia en la interfaz. Este tipo de tecnologías sigue trabajando en el mejoramiento de la calidad superficial de las piezas que produce. En la mayoría de los casos, la rugosidad sigue siendo bastante alta.

Piezas metálicas complejas, prótesis y partes para herramental con manufactura aditiva
En el caso de la fabricación de herramientas y la manufactura de piezas de geometrías complejas metálicas y plásticas el procedimiento que más se ha desarrollado es el de la conformación de material sólido a partir de polvos usando la energía de un rayo láser. La imagen 2 describe esquemáticamente el funcionamiento del proceso, en el que se deposita una capa de polvo metálico sobre la plataforma usando un peine dispersador. El material se sinteriza/funde localmente con el uso de un láser guiado por un escáner y un sistema óptico. Una vez se ha generado la geometría deseada en una capa, la plataforma desciende y se dispersa la siguiente capa de polvo.

Este es el principio de funcionamiento de máquinas de manufactura aditiva de fabricantes como EOS, Concept Laser, Renishaw, entre otros. La tecnología que usan estas máquinas se denomina comúnmente SLS o SLM, sinterizado láser selectivo o fundición láser selectiva, respectivamente, según la traducción de sus abreviaturas en inglés. Desde el punto de vista comercial y práctico, las diferencias entre ambos procesos son vagas, pues no usan un único proceso de consolidación.

La diferencia principal radica fundamentalmente en los mecanismos que se usan para que las partículas permanezcan unidas. Cuando se requiere tener piezas con densidad completa (sin porosidad y sin necesidad de post-procesamiento para densificar), se usan los procesos de fundición completa o SLM. Gracias a los progresos relativamente recientes en cuanto a la densidad energética de los rayos láser con fuentes de estado sólido, pueden obtenerse piezas con un 99.9% de densidad. Los procesos de SLS, no funden el material completamente, sino que lo calientan lo suficiente para que se generen procesos difusivos entre las partículas de polvo y se unan por medio de los cuellos que se forman entre ellas. La porosidad en este tipo de piezas es mayor y debe compensarse luego con procesos de compresión, tal como sucede en las piezas sinterizadas tradicionales.

La tendencia actual por la individualización de los productos y el incremento en su complejidad, ha hecho que se deban pensar nuevas formas de fabricar los productos, tomando lo mejor de las tecnologías disponibles. En el caso de la individualización de los productos, es importante reconocer que en el caso de la manufactura aditiva los costos de realizar las piezas son prácticamente independientes del número de piezas a fabricar. Esto no sucede de esta manera en el caso de la manufactura tradicional, donde la producción de una sola pieza, puede ser incluso más costoso que una fabricada por manufactura aditiva, pero a medida que sube el número, se pueden hacer uso de procesos que permiten su masificación y la reducción de sus costos por unidad. Pensando en la complejidad de los productos, también hay diferencias entre los procesos tradicionales y la manufactura aditiva. Aquí una pieza de baja complejidad, es mucho más rentable ser producida por los primeros procesos, pero a medida que sube su nivel de dificultad geométrica, ser realizada por procesos aditivos resulta más económico.

El proceso de SLM permite el uso de polvos estandarizados con un proceso extenso de calificación de calidad para poder asegurar que con la cantidad de energía recomendada por los fabricantes de las máquinas se puedan obtener piezas con una densidad muy cercana al 100% tras el sinterizado. Estas piezas se van fabricando capa a capa con espesores que van entre 20 y 150 µm, y hoy en día permiten realizar piezas que llegan a un volumen de hasta 120 dm3. Cada día se agregan más materiales a la lista de posibles candidatos a ser fabricados por sinterización láser selectiva. Entre ellos están varias aleaciones de aceros de herramientas, algunos tipos de aceros inoxidables, aluminio, aleaciones de cromo-cobalto para aplicaciones médicas y dentales y aleaciones de titanio y níquel. Las propiedades mecánicas alcanzadas por las piezas son, según los proveedores, iguales a las de los materiales convencionales. Fabricantes como la firma EOS GmbH de Alemania ha desarrollado máquinas y procesos especiales para hacer fabricación aditiva de piezas de oro para joyería de alto costo.

En el momento, varios desarrolladores de software de simulación están trabajando en herramientas digitales para predecir las propiedades mecánicas de las piezas fabricadas por manufactura aditiva dependiendo de parámetros como potencia del láser, tamaños de partícula, espesor de capa, etc. Industrias como la aeronáutica, donde cada vez se usan más piezas fabricadas de esta manera, pueden beneficiarse enormemente de poder predecir el comportamiento de sus partes para diferentes condiciones.

Otra tendencia interesante y muy necesaria es la de la implementación de sistemas de seguridad industrial más estrictos para el manejo de los polvos metálicos. Las partículas de polvo tienen generalmente entre 25 y 150 µm por lo que pueden levantarse rápidamente en una corriente de aire y ser respiradas por los operarios de la máquina al momento de limpiar el área de trabajo o de cernir el material que no se solidificó. Los metales utilizados no son metabolizables por el organismo en estos tamaños y pueden acumularse en los tejidos dando origen a posibles enfermedades. Para esto, el trabajo en las máquinas se realiza con máscaras especiales y las máquinas cuentan con sensores que miden la presión de las atmósferas controladas en el interior y detectan posibles fugas, entre otras. Fabricantes como Concept Laser están desarrollando módulos de mecanizado que incluyen las estaciones de cernido del polvo de manera automática para que el operario tenga el menor contacto posible con el polvo.

Otros procesos de manufactura aditiva de metales
Aunque las máquinas de SLM son las más populares, estas no son las únicas que ofrecen la fabricación de piezas complejas de manera aditiva. Una tecnología que está generando cada vez mayor interés es la de adición de material por soldadura. En este proceso el material de adición se agrega en forma de polvo o de hilo y se agrega únicamente el material necesario en la zona de fusión y se funde de manera sincronizada con un rayo láser. De esta manera se evita tener toda una capa de polvo sobre una mesa de trabajo de la cual solo se sinteriza una parte.

Una aplicación de este interesante principio fue mostrada por Mazak en la feria EMO 2015 en Milán, el pasado mes de octubre. Esta máquina está basada en un centro de mecanizado multitarea de la serie Integrex, que permite fabricar piezas complejas basadas en un eje de rotación horizontal, uniendo procesos de corte tradicionales como torneado o fresado multi-eje con la adición de material mediante un cabezal intercambiable para soldadura láser. Se mostraron ejemplos de aplicaciones aeronáuticas o para el sector energético, en las cuales las piezas rotacionalmente simétricas se pueden prefabricar por corte tradicional y solo las piezas de materiales especiales y formas complejas se hacen mediante manufactura aditiva. Un desarrollo similar fue presentado por DMG Mori, con su máquina Lasertec, que permite combinar los procesos de fresado en 5 ejes, con el de la adición de material por soldadura láser. De gran interés en estos desarrollos está la combinación de varias aleaciones en una misma pieza dependiendo de las propiedades locales necesarias. Como ejemplo, puede generarse una turbina en la que el eje es fabricado en acero inoxidable mediante procesos de torneado y fresado y luego los álabes, que van a recibir los gases calientes, son generados por soldadura láser en aleaciones de titanio que resisten altas temperaturas.

Panorama: Enfocarse en la cadena de manufactura y no en cada proceso individual
Es muy probable que aún en los próximos 10 años no se vea un cambio drástico de la participación de la manufactura aditiva como reemplazo definitivo de los métodos tradicionales de fabricación. Se espera, según lo dijo el director del Centro para la Manufactura Aditiva de Aachen, ACAM, el Dr.-Ing. Kristian Arntz, el pasado 1 de diciembre durante un seminario especializado en fabricación de herramental en el instituto de máquinas herramienta y producción WZL, “Aun cuando la participación en el volumen de ventas de máquinas de manufactura aditiva ha estado creciendo, su porcentaje con respecto a las máquinas de procesos de corte tradicionales como fresado es mínimo. La disponibilidad de sistemas en el mercado, el conocimiento del proceso y la aceptación en el mercado todavía no alcanzan ni de cerca la posición de las tecnologías tradicionales“.

Al preguntarle a los productores de herramental alemanes en un estudio hecho por el mismo instituto de investigación en 2014, se determinó que la importancia dada a procesos tradicionales como el fresado de 3 y 5 ejes o la electroerosión de penetración era alto y cada uno de ellos llevaba entre un 20 y un 30% de la participación en la fabricación de los moldes, dados o troqueles. En contraste, hoy menos del 2% de la participación la tenían procesos como el SLM, considerando su trascendencia como baja. Viendo hacia el futuro, para el 2025 los industriales creen que una mejora en los procesos de fresado duro de 5 ejes va a ser mucho más importante que el mismo desarrollo de las tecnologías de manufactura aditiva, la cual sube su trascendencia en el proceso a un nivel medio, pero su participación no superaría mucho más del 5% aun.

Un tema crucial es el de los costos de las materias primas en polvo para SLM, que aún son varias veces más altos que el costo del material en barra o placa para procesos convencionales. Aun cuando se han reducido sus precios en más de un 25% con respecto a sus niveles a comienzos del milenio gracias a los efectos de un aumento de escala en la economía, un acero para herramientas puede costar cerca de 150 y 200 Euros/kilo, mientras en forma de barra o chapa, se puede llegar a valores actuales de entre 30 y 40 Euros/kilo.

Una de las estrategias usadas actualmente para reducir el precio de la pieza final, a través de reducir el uso de materia prima en polvo y reducir el tiempo de fabricación SLS, es el de adicionar únicamente el material de la pieza que no podría fabricarse de otra manera. La base de la pieza, en caso de ser posible, se fabrica de manera tradicional de manera más sencilla. A esto se le denomina fabricación híbrida.

Conclusiones
El uso de la manufactura aditiva sigue siendo un compromiso entre la fabricabilidad de la pieza, el tiempo de trabajo considerado como la suma de los procesos intermedios y los nuevos tiempos de ciclo o la vida útil de las piezas fabricadas.

Entre más compleja sea la pieza, más económicamente viable será el uso de las tecnologías de manufactura aditiva. Desde la academia, se hace necesario el desarrollo de métodos para determinar exactamente qué cadena de procesamiento es la más adecuada cuando se compara con y sin el uso de la manufactura aditiva. Los métodos de manufactura aditiva permiten la fabricación de geometrías muy complejas que no serían posibles, o serían muy caros de realizar con los procesos convencionales. Las cadenas de procesamiento no se acortan hoy en día significativamente, debido a que se necesita un procesamiento final usando los procesos convencionales para darle la funcionalidad final a la pieza (acabado superficial, tratamiento térmico, etc.). Debe tenerse en cuenta que el acabado superficial que deja el proceso de sinterizado/fundición láser es bastante burdo (25 – 35 µm Rz). Un punto clave del desarrollo de la manufactura aditiva es la automatización de estos procesos y de cómo se complementan y se incluyen de manera inteligente y optimizada en las cadenas.

En resumen, la manufactura aditiva (o coloquialmente, la impresión 3D) es un complemento y no un reemplazo de tecnologías tradicionales. Es importante que los diseñadores de piezas y de procesos tengan en cuenta las ventajas de cada una de las tecnologías, nuevas y tradicionales, para sacar provecho de ambas para el resultado final. La flexibilidad geométrica y eficiencia de consumo de material de la manufactura aditiva, con la precisión, calidad superficial y reproducibilidad de los procesos de corte tradicionales.