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, a diferencia de las metodologías de fabricación sustractiva y 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. Las estimaciones indican que el tamaño del mercado de la fabricación aditiva alcanzó los 20 370 millones de dólares en 2023, con una tasa compuesta de crecimiento anual prevista superior al 20 % durante la próxima década.
¿Por qué apostar por la fabricación aditiva?
En un futuro no muy lejano, los métodos de fabricación convencionales, como la fundición, la forja y el mecanizado, seguirán siendo una parte importante del entorno industrial. La fabricación aditiva tiene muchas ventajas complementarias con respecto a los métodos convencionales y se convertirá cada vez más en una herramienta importante para los ingenieros. Por su propia naturaleza, ofrece muchas oportunidades.
1) Prototipado: al no requerir utillajes y gracias a su rapidez de fabricación, la fabricación aditiva (AM, por sus siglas en inglés) permite a los ingenieros visualizar y ensayar físicamente prototipos en poco tiempo. Esta capacidad de iterar diseños con mayor agilidad reduce de forma significativa el ciclo de desarrollo de nuevos productos.
2) Personalización: la fabricación aditiva permite diseñar y fabricar piezas únicas a medida sin necesidad de utilizar herramientas de alto coste. Esto resulta especialmente útil en el sector sanitario, donde se pueden crear y ajustar implantes únicos para cada paciente.
3) Piezas de repuesto: en el sector posventa y de servicios, la fabricación aditiva permite producir de manera rentable piezas complejas y de bajo volumen, con plazos de entrega cortos en el lugar donde se necesitan. En el caso de piezas obsoletas, la fabricación aditiva ofrece una solución eficaz para la ingeniería inversa y el suministro de componentes destinados a activos críticos, lo que prolonga su vida útil. En lo que respecta a la reparación y el mantenimiento, la posibilidad de obtener piezas bajo demanda reduce significativamente el inventario físico y permite implantar soluciones de almacenamiento digital.
4) Mejora del rendimiento: la fabricación aditiva permite una libertad de diseño sin precedentes, lo que posibilita a los ingenieros crear piezas o productos con un rendimiento superior y una reducción de peso. Algunos ejemplos son la mejora de la eficiencia de las turbinas de gas o los motores aeronáuticos, el diseño de intercambiadores de calor altamente compactos y eficientes y la optimización de moldes de inyección con refrigeración conformada. Los moldes de inyección fabricados mediante fabricación aditiva pueden dar lugar a productos de mejor calidad, generar menos residuos y acortar los ciclos de inyección.
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 pone de relieve su versatilidad y su potencial transformador. Veamos 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 rendimiento. Este caso marcó un punto de inflexión en el uso del metal en la fabricación aditiva y en su aplicación 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 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.
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. Esto puso de relieve cómo la fabricación aditiva puede aportar innovación y flexibilidad a la cadena de suministro.
Afrontar los desafíos: claves para el futuro de la fabricación aditiva
Al igual que muchos otros sectores, la fabricación aditiva se enfrenta a varios retos para su puesta en marcha a gran escala. Para aprovechar todo el potencial de la fabricación aditiva es fundamental abordar los factores clave para su avance:
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 falta de habilidades: para que el sector de la fabricación aditiva crezca, es esencial mejorar la formación y cualificación de los profesionales. Aunque cada vez más universidades y centros educativos ofrecen actualmente cursos sobre fabricación aditiva, la experiencia práctica aún no se ajusta completamente al potencial de crecimiento de esta industria.
3) Propiedad intelectual y datos: la propiedad intelectual y la protección de datos siguen siendo temas muy debatidos 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 aprendizaje automático y la inteligencia artificial se utilizan cada vez más para hacer frente a 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 rendimiento 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, y fomentar una cultura de innovación y colaboración entre los distintos sectores industriales.
