En la última década, la fabricación aditiva, también conocida como impresión 3D, ha revolucionado nuestra forma de diseñar y fabricar piezas y productos. Según la norma BS EN ISO/ASTM 52900, la fabricación aditiva se define como el proceso de unión de materiales para fabricar piezas a partir de datos de modelos 3D, normalmente capa por capa, en contraste con los métodos de fabricación sustractiva o formativa. Como tecnología de fabricación, se aplica en múltiples sectores industriales, incluidos el automovilístico, aeroespacial y aeronáutico, sanitario, petróleo y gas, energía, generación de energía, moda, construcción, educación y artes creativas, entre otros. Se estima que el mercado de fabricación aditiva alcanzó los 20.370 millones de USD en 2023, con una tasa compuesta anual de crecimiento (CAGR, por sus siglas en inglés) proyectada superior al 20 % durante la próxima década.
¿Por qué apostar por la fabricación aditiva?
En el futuro previsible, los métodos de fabricación convencionales como la fundición, el forjado, el mecanizado o la fabricación seguirán desempeñando un papel relevante en el entorno industrial. La fabricación aditiva ofrece beneficios complementarios a los métodos tradicionales y se consolidará cada vez más como una herramienta clave en el conjunto de recursos del personal ingeniero. Por su naturaleza, la fabricación aditiva presenta numerosas oportunidades:
1) Creación de prototipos: gracias a su naturaleza sin utillaje y a su capacidad de fabricación rápida, la fabricación aditiva (AM, por sus siglas en inglés) permite a los ingenieros visualizar físicamente y probar piezas prototipo con rapidez. Esta rapidez en la iteración de diseños reduce significativamente el ciclo de desarrollo de nuevos productos.
2) Personalización: la fabricación aditiva permite diseñar y fabricar piezas únicas a medida sin necesidad de costosos utillajes. Esto resulta especialmente útil en el sector sanitario, donde se pueden crear e implantar dispositivos específicos para cada paciente.
3) Piezas de repuesto: en el sector posventa y de servicios, permite producir piezas complejas de bajo volumen cerca del punto de necesidad, con plazos de entrega reducidos y de forma rentable. Frente a la obsolescencia de componentes, la fabricación aditiva ofrece una solución eficaz mediante ingeniería inversa, alargando la vida útil de activos esenciales. En reparación y mantenimiento, posibilita el suministro bajo demanda, lo que reduce el inventario físico y facilita soluciones de almacenes digitales.
4) Mejora del desempeño: la fabricación aditiva ofrece una libertad de diseño sin precedentes, lo que permite a los ingenieros crear piezas o productos que ofrecen un desempeño superior y una reducción de masa. Algunos ejemplos son la mejora de eficiencia en turbinas de gas o motores aeronáuticos, el diseño de intercambiadores de calor compactos y eficientes, o la optimización de moldes de inyección con refrigeración conformada. Estos moldes permiten obtener mejores productos, reducir la cantidad de residuos y logra ciclos de inyección más cortos.
5) Mayor durabilidad: el diseño de piezas adecuadas para entornos de trabajo específicos, la fabricación aditiva contribuye a mejorar la durabilidad. Las piezas pueden soportar mejor el estrés, la fatiga y el desgaste. La integración de las piezas elimina las juntas y las interfaces, lo que se traduce en una mayor vida útil. La adaptación de las propiedades de los materiales, como el uso de materiales biocompatibles para implantes médicos o materiales resistentes a altas temperaturas para motores aeronáuticos, mejora aún más la durabilidad.
Revolucionando sectores: el poder transformador de la fabricación aditiva
La implantación de la fabricación aditiva en distintos sectores demuestra su versatilidad y potencial transformador. Algunos ejemplos destacados: Veamos algunos ejemplos destacados:
1) Piezas únicas en el sector aeroespacial
- Una de las piezas más reconocidas es la boquilla de combustible del motor LEAP, fabricada por General Electric (GE). Esta boquilla de combustible se fabrica mediante tecnología de fusión por láser sobre lecho de polvo, que acumula capas de polvo para crear un objeto en 3D. Con producción de 1000 unidades fabricadas por año, esta pieza consigue unos resultados impresionantes:
i) alrededor del 25 % de reducción de peso
ii) alrededor de 20 piezas consolidadas en una sola. - El complejo diseño de canales internos y la eliminación de uniones mejoran la durabilidad y el desempeño. Este caso marcó un punto de inflexión en el uso del metal en fabricación aditiva y en su adopción en el sector aeroespacial.
2) Piezas de repuesto en energía y petróleo y gas:
- Garantizar el suministro puntual de piezas de repuesto es crucial para los sectores de la energía, el petróleo y el gas. La empresa Sulzer Ltd., fabricante de equipos originales (OEM, por sus siglas en inglés) especializado en la producción de bombas industriales, desarrolló una solución para fabricar impulsores cerrados en solo unos días (en lugar de requerir semanas). Su enfoque combina lo mejor de la fabricación aditiva y de la convencional:
i) El núcleo del impulsor se produce mediante fresado en 5 ejes a partir de una barra de material.
ii) Posteriormente, se crean el disco y los álabes mediante pasos iterativos de Deposición de Metales por Láser (LMD, por sus siglas en inglés) y mecanizado. - Con este método, se puede entregar un impulsor de bomba cerrado en menos de 2 semanas (frente a las 15 a 20 semanas de la fabricación convencional). El acabado mecanizado de las superficies hidráulicas supone una mejora de la eficiencia de hasta el 3 %, lo que se traduce en un importante ahorro de emisiones relacionadas con el funcionamiento de las bombas.
3) Implantes médicos biocompatibles:
- Stryker aprovecha la libertad geométrica que ofrece la fabricación aditiva para crear estructuras porosas que imitan el hueso esponjoso. Su caja lumbar anterior (Monterey AL Interbody System) se fabrica a partir de polvo de aleación de titanio mediante tecnología de fusión por láser sobre lecho de polvo. La estructura porosa, similar al hueso, facilita la actividad osteogénica (formación ósea) y mejora la integración del implante.
4) Flexibilidad e innovación en la cadena de suministro:
- Durante la pandemia de Covid-19, diversos sectores industriales se enfrentaron a importantes dificultades para abastecer piezas críticas de repuesto. Por ejemplo, Sulzer Ltd. en EE. UU. recurrió a la fabricación aditiva para abastecer piezas correspondientes a la primera etapa de los anillos del estator de una turbina de gas GE Frame 3, indispensable para el funcionamiento del sistema. Las opciones convencionales no estaban disponibles debido al cierre de fundiciones. Estas piezas de fabricación aditiva, desarrolladas mediante ingeniería inversa y fabricación aditiva, permitieron mantener operativa la turbina de gas y garantizar el funcionamiento de infraestructuras esenciales durante la crisis. Este caso es evidencia de cómo la fabricación aditiva puede aportar innovación y flexibilidad a la cadena de suministro.
Afrontar los desafías: claves para el futuro de la fabricación aditiva
Al igual que en otros sectores, la fabricación aditiva se enfrenta a diversos retos para su implantación a gran escala. Aprovechar todo su potencial dependerá de abordar los factores clave que impulsarán su desarrollo futuro:
1) Aspectos económicos: la inversión inicial para poner en marcha operaciones de fabricación aditiva puede ser elevada, especialmente si se consideran las operaciones posteriores necesarias para finalizar las piezas. Asimismo, el coste de los materiales empleados puede ser considerable. Por otro lado, la introducción de máquinas de mayor tamaño y velocidad está mejorando progresivamente la viabilidad económica de esta tecnología.
2) Mejorar la brecha de habilidades: para que el sector de la fabricación aditiva crezca, es esencial la educación y la formación de profesionales cualificados. Aunque cada vez más universidades e instituciones educativas ofrecen formación específica en fabricación aditiva, la experiencia práctica aún no se ajusta del todo al ritmo de crecimiento del sector.
3) Propiedad intelectual y datos: la propiedad intelectual y la protección de datos siguen siendo temas de mucho debate en el sector. Dado el carácter digital del proceso, los datos son vulnerables a robos o usos no autorizados. La implantación de soluciones como los almacenes digitales representa un avance en este ámbito. Además, la fabricación aditiva genera un gran volumen de archivos digitales que requieren análisis e interpretación adecuados, así como sistemas eficaces de almacenamiento. El uso de inteligencia artificial y aprendizaje automático está cobrando cada vez mayor protagonismo para abordar este reto.
4) Escalabilidad, fiabilidad y armonización: escalar los procesos de fabricación aditiva de la producción en pequeños lotes a volúmenes más elevados sigue siendo un desafío debido a la limitada transferibilidad de los procesos. La tendencia del sector a diferenciar los equipos de fabricación aditiva ha dado lugar a dificultades en la transferencia de procesos y a una falta de normalización. La armonización entre distintos fabricantes de equipos originales (OEM, por sus siglas en inglés) es esencial para reducir los esfuerzos necesarios para transferir y escalar los procesos. Aunque las máquinas de fabricación aditiva son sistemas complejos, su fiabilidad y disponibilidad están mejorando progresivamente, aunque aún se sitúan por detrás de los procesos convencionales.
5) Marco regulatorio: los primeros sectores en adoptar la tecnología de fabricación aditiva, como el aeroespacial, han logrado avances significativos en el desarrollo de normas y marcos de certificación para piezas y productos fabricados mediante esta tecnología. Los organismos internacionales de normalización trabajan activamente para cerrar las brechas existentes. Actualmente, ya se encuentran disponibles varias normas que cubren distintos aspectos de la fabricación y certificación de piezas mediante fabricación aditiva. El comité AMT/8 de BSI ha liderado el desarrollo de diversas normas en colaboración con ASTM e ISO. Entre las principales normas publicadas, se destacan las siguientes:
- Normas BS EN ISO/ASTM 52900 - Terminología para la Fabricación Aditiva (AM) - Principios Generales - Terminología
- Normas BS EN ISO/ASTM 52901 - Guía Estándar para la Fabricación Aditiva - Principios Generales - Requisitos para Piezas AM compradas.
- Normas BS EN ISO/ASTM 52904 - Fabricación Aditiva - Características y Desempeño del Proceso: Práctica para el proceso de fusión de lecho de polvo metálico para aplicaciones críticas
- Normas BS EN ISO/ASTM 52925 - Fabricación Aditiva de Polímeros - Materiales de Alimentación - Calificación de Materiales para la Fusión de Piezas en Lecho de Polvo por Láser.
- Normas BS EN ASTM ISO/ASTM 52911 series - Fabricación Aditiva - Diseño - Fusión por Láser en Lecho de Polvo de Materiales Metálicos y Polímeros.
En resumen, la fabricación aditiva está en posición de revolucionar el sector industrial, ofreciendo oportunidades sin precedentes en materia de innovación, personalización y sostenibilidad. No obstante, para aprovechar plenamente su potencial, será necesario un esfuerzo conjunto para superar los retos técnicos, económicos y normativos, al tiempo que se fomenta una cultura de innovación y colaboración en todos los sectores.
