Fabricación aditiva en la industria: construyendo el presente capa a capa

Imagina un mundo en el que la creación de objetos complejos no requiera moldes ni herramientas especiales, donde la personalización sea la norma y la producción sea más eficiente que nunca. No es ciencia ficción, es la realidad de la fabricación aditiva, una tecnología revolucionaria que está transformando la industria a pasos agigantados.

En el dinámico panorama del desarrollo tecnológico aplicado a la industria, la fabricación aditiva se ha alzado en los últimos años como una fuerza revolucionaria capaz de transformar la forma en que el sector fabril crea, produce y compite.

Su versatilidad es asombrosa y su influencia transversal: desde la medicina a la automoción, pasando por el textil o la industria aeroespacial.

Qué es la fabricación aditiva

Por fabricación aditiva entendemos el empleo de técnicas de impresión 3D para la producción de bienes y productos. Se trata de un proceso de fabricación avanzado que se basa en la construcción de objetos tridimensionales capa por capa, partiendo de modelos digitales.

La fabricación aditiva permite una mayor flexibilidad, eficiencia y versatilidad en la producción de componentes y productos que la fabricación sustractiva, en el que se va eliminando material de la materia prima para crear una pieza o componente. Además, también permite fabricar diseños que no podrían realizarse con métodos sustractivos.

A diferencia de los métodos tradicionales de fabricación, la fabricación aditiva no elimina material: lo agrega de manera incremental para crear un objeto.

Fases del proceso de fabricación aditiva

El proceso de fabricación aditiva generalmente sigue estos pasos:

Diseño digital

Comienza con la creación de un modelo 3D digital del objeto que se desea fabricar. Esto se puede hacer utilizando softwares de diseño asistido por computadora (CAD) o mediante la digitalización de un objeto físico utilizando técnicas como el escaneo 3D.

No obstante, la elección de un determinado proceso de Fabricación Aditiva determina el tipo de diseño, muy diferente al empleado en los sistemas extractivos.

Preparación del archivo

El modelo 3D se descompone en capas individuales, lo que se traduce en un archivo digital que contiene información sobre cada capa y cómo se debe imprimir.

Esta es una fase crítica dentro del proceso, ya que de la estrategia de planificación de trayectorias puede depender la viabilidad de la fabricación, así como la calidad final de la pieza.

Impresión

El archivo se carga en una impresora 3D que ejecuta las capas y comienza a fabricar el objeto capa por capa. Esto se hace mediante una variedad de tecnologías que con sus propias características y ventajas y que veremos más adelante.

Solidificación o unión de capas

A medida que se deposita cada capa de material, se solidifica con la capa anterior. Esto puede lograrse mediante la aplicación de calor, luz ultravioleta, láser u otros métodos. Todo depende de la tecnología utilizada.

Finalización y posprocesamiento

Una vez que se ha completado la impresión, es posible que se requieran pasos adicionales, como eliminar soportes de material, lijar o pulir la superficie y realizar otros procesos de acabado.

Tipos de Fabricación Aditiva

Existen varios métodos de manufactura aditiva, cada uno con sus propias características y aplicaciones. Estos son algunos de los más empleados:

Directed Energy Deposition (DED)

Es una de las técnicas más avanzadas en fabricación aditiva en sectores como el aeroespacial o la automoción. Emplea un material en forma de polvo o alambre que es depositado y fundido mediante la aplicación de energía térmica que suele ser a través de un láser, una fuente de arco o un haz de electrones. Lo distintivo del sistema DED radica en su capacidad para trabajar sobre geometrías no planas.

Esta versatilidad lo convierten en una opción valiosa para diversas aplicaciones industriales, desde la reparación y recubrimiento de piezas hasta la fabricación de componentes complejos de alta resistencia y rendimiento.

Fused Filament Fabrication (FFF)

Es uno de los más comunes de fabricación aditiva. En el proceso FFF, un filamento de material termoplástico se extruye a través de una boquilla caliente y se deposita capa por capa para construir el objeto. Es ampliamente utilizado para la creación de prototipos, piezas de bajo costo y productos para el ámbito doméstico. No obstante, cada vez se emplea más para la fabricación de piezas finales a través de impresoras industriales.

Stereolithography (SLA)

En la SLA un láser ultravioleta endurece una resina fotosensible líquida capa por capa. Esto se hace dentro de un tanque que se llena de resina. Es conocido por su alta precisión y se utiliza en aplicaciones que requieren detalles finos, como joyería, odontología y modelos anatómicos.

Powder Bed Fusion (PBF)

En este sistema una fina capa de polvo de material, como polímeros o aleaciones metálicas, se esparce de manera uniforme sobre una plataforma. Luego, un láser o una fuente de energía similar fusiona el polvo, solidificándolo y creando capas sucesivas.

La característica distintiva del PBF radica en su capacidad para producir piezas de alta calidad y una precisión milimétrica, un enfoque particularmente apreciado en sectores como el aeroespacial o la medicina, donde la exigencia de tolerancias ajustadas es fundamental.

La versatilidad del Powder Bed Fusion se manifiesta en su capacidad para trabajar con una amplia gama de materiales, desde plásticos hasta metales de alto rendimiento. Su popularidad en la industria se debe no solo a su precisión, sino también a su eficiencia y la capacidad de producir componentes livianos y resistentes.

Electron Beam Melting (EBM)

Similar al PBF, el EBM utiliza un haz de electrones en lugar de un láser para fusionar polvos metálicos. Este método se emplea sobre todo para la producción de piezas metálicas en industrias como la aeroespacial y la médica.

Binder Jetting

Un aglutinante líquido se aplica selectivamente a partículas de polvo para unirlas capa por capa. A menudo se usa para la fabricación de moldes de fundición.

Laminated Object Manufacturing

En LOM, se cortan capas de material (generalmente papel, plástico o metal) y se sueldan juntas con calor y adhesivo. Es adecuado para prototipado rápido y modelos a escala.

Material Jetting

En este proceso, un cabezal de impresión deposita gotas de material líquido que se endurecen mediante luz ultravioleta. Es conocido por su alta precisión y se utiliza en aplicaciones que requieren detalles minuciosos y superficies suaves.

Bioprinting

Este tipo de fabricación aditiva se centra en la creación de tejidos y órganos utilizando células vivas. Es una tecnología emergente con el potencial de revolucionar la medicina regenerativa

Ventajas de la fabricación aditiva

La fabricación aditiva ofrece varias ventajas significativas, como la capacidad de crear geometrías complejas, la reducción de residuos de material, la personalización de productos a nivel individual y la rápida prototipación de diseños.

Esto la convierte en una herramienta poderosa en una variedad de industrias, desde la medicina y la aviación hasta la automoción y la arquitectura.

Veamos estas ventajas en detalle.

Diseño Complejo y Personalización

La impresión 3D permite la creación de diseños altamente complejos y personalizados que serían difíciles o imposibles de lograr con métodos tradicionales.

Reducción de Residuos

La fabricación aditiva es un proceso aditivo, lo que significa que solo se utiliza el material necesario para crear la pieza, lo que reduce significativamente los residuos en comparación con los procesos sustractivos.

Rapidez en el Desarrollo de Productos

La impresión 3D acelera el proceso de diseño y prototipado, lo que permite a las empresas llevar productos al mercado más rápidamente y realizar iteraciones de diseño de manera más eficiente.

Producción Bajo Demanda

La fabricación aditiva permite la producción de piezas a medida y en cantidades pequeñas o individuales, lo que reduce los costos de almacenamiento y gestión de inventario.

Ahorro de Peso

La impresión 3D permite la creación de estructuras ligeras y optimizadas, lo que es especialmente valioso en la industria aeroespacial y de automoción, donde cada gramo cuenta.

Personalización en Masa

La fabricación aditiva permite la personalización en masa de productos, lo que satisface las demandas de los clientes para obtener productos únicos que se adapten a sus necesidades específicas.

Reducción de Costos de Herramientas y Moldes

A diferencia de los procesos tradicionales, la fabricación aditiva no requiere la creación costosa de herramientas y moldes, lo que reduce los costos iniciales de producción.

Producción Local y Descentralizada

La impresión 3D puede llevarse a cabo localmente, lo que permite una producción más descentralizada y la reducción de gastos de transporte.

Innovación y Experimentación

La fabricación aditiva fomenta la innovación y la experimentación, lo que lleva a la creación de nuevos productos y soluciones que de otro modo no serían posibles.

Es importante tener en cuenta que la elección de la tecnología de fabricación depende de las necesidades específicas de cada proyecto y que, en muchos casos, la fabricación aditiva se utiliza junto con métodos tradicionales para lograr los mejores resultados.

¿Con qué tecnologías puede combinarse?

La fabricación aditiva es una tecnología versátil. Puede integrarse y complementarse con otras técnicas en una amplia gama de aplicaciones.

Aquí van algunas:

Escaneo 3D

La combinación de la fabricación aditiva con tecnologías de escaneo 3D permite la digitalización de objetos físicos existentes para su posterior reproducción. Esto es útil en ingeniería inversa, diseño personalizado y restauración de objetos antiguos.

CAD (Diseño Asistido por Computadora)

El software CAD es fundamental en el proceso de diseño de modelos 3D para la fabricación aditiva. Los ingenieros y diseñadores utilizan programas CAD para crear modelos digitales que luego se convierten en archivos listos para la impresión 3D.

Simulación y análisis por elementos finitos

Permiten a los ingenieros analizar y simular el comportamiento de las piezas impresas antes de su fabricación. Esto ayuda a optimizar el diseño y garantizar la resistencia y la durabilidad del producto final. Asimismo, se emplea cada vez más para simular el propio proceso de fabricación de la pieza para optimizar las estrategias de fabricación.

Internet de las cosas (IoT)

La fabricación aditiva se integra fácilmente con IoT al permitir la creación de carcasas personalizadas para sensores y dispositivos. Esto facilita la incorporación de sensores y electrónica en productos impresos en 3D.

Robótica

La impresión 3D se utiliza para crear componentes personalizados para robots y sistemas automatizados. También se pueden imprimir piezas de repuesto o mejoras para robots existentes.

Inteligencia Artificial (IA)

La IA se emplea para optimizar los diseños generados por algoritmos en la fabricación aditiva. Esto puede resultar en geometrías más eficientes y soluciones de diseño innovadoras.

Realidad Aumentada (AR) y Realidad Virtual (VR)

Estas tecnologías se emplean para visualizar modelos 3D antes de la impresión y guiar la operación de las impresoras en tiempo real.

Automatización y robótica de impresión

Los sistemas de impresión 3D pueden integrarse con robots y sistemas de automatización para la producción continua y sin supervisión. Esto es particularmente relevante en la fabricación a gran escala.

Nanotecnología y materiales avanzados

La nanotecnología se utiliza para desarrollar nuevos materiales y mejorar las propiedades de los materiales utilizados en la impresión 3D. Esto amplía las posibilidades de aplicaciones en sectores como la medicina y la electrónica.

Fabricación digital y fabricación aditiva híbrida

Algunas tecnologías combinan la fabricación aditiva con procesos de fabricación tradicionales, como el mecanizado CNC. Esto permite la creación de piezas con propiedades específicas y acabados de alta calidad.

Otras técnicas complementarias empleadas en el post procesado

La fabricación aditiva emplea otras técnicas en la fase de post procesado para mejorar las propiedades y los acabados de las piezas producidas.

• Mecanizado CNC: El Control Numérico por Computadora permite refinar superficies y ajustar tolerancias para obtener acabados precisos y ajustes finos.
• Recubrimiento: La aplicación de recubrimientos protectores o que proporcionan propiedades físicas o químicas a las piezas.
• Ataque químico: Se utiliza para modificar la superficie de las piezas impresas, mejorando la rugosidad o facilitando la adherencia de recubrimientos.
• Tratamiento térmico: El revenido o el temple mejoran la durabilidad de las piezas, adaptándolas a entornos específicos o requisitos de carga.
• Debinding: Elimina los ligantes presentes en la pieza impresa para garantizar su integridad y calidad en etapas posteriores del proceso.

10 aplicaciones de la fabricación aditiva

La fabricación aditiva ha revolucionado numerosas industrias al ofrecer una amplia gama de aplicaciones prácticas.

Ahí van diez ejemplos destacados:

Prototipado y desarrollo de producto

La fabricación aditiva permite la creación rápida y rentable de prototipos funcionales y modelos conceptuales. Esto acelera el proceso de desarrollo de productos.

Aeroespacial

En la industria aeroespacial, se utilizan piezas impresas en 3D para crear componentes más ligeros, lo que reduce el peso de las aeronaves y mejora el aprovechamiento de combustible.

Salud y medicina

Desde prótesis personalizadas hasta modelos anatómicos y dispositivos médicos, la fabricación aditiva se emplea para mejorar la atención médica y la cirugía personalizada.

Automoción

En la fabricación de automóviles, se utilizan piezas impresas en 3D para crear componentes ligeros, personalizados y optimizados, así como para fabricar prototipos de vehículos.

Industria dental

En la odontología, la fabricación aditiva se utiliza para crear coronas, puentes y aparatos ortodónticos personalizados.

Arquitectura y construcción

La impresión 3D se emplea para crear elementos arquitectónicos, maquetas y componentes de construcción, lo que acelera el proceso de construcción y reduce los residuos.

Industria militar y de defensa

Se utilizan piezas impresas en 3D para fabricar componentes críticos, como drones, piezas de armas y equipamiento personalizado.

Alimentación

La impresión 3D de alimentos se utiliza para crear formas y decoraciones culinarias personalizadas, así como para la producción de alimentos adaptados a necesidades dietéticas específicas.

Educación y aprendizaje

La fabricación aditiva se ha convertido en una herramienta educativa poderosa para enseñar conceptos de diseño y tecnología, permitiendo a los estudiantes crear proyectos prácticos.

Industria de la moda y el diseño

En la moda se utilizan técnicas de impresión 3D para crear prendas de vestir y accesorios únicos, así como para prototipar diseños de moda.

Estos son solo algunos ejemplos de las muchas aplicaciones prácticas de la fabricación aditiva. Su capacidad para personalizar productos, reducir costos y acelerar los procesos la convierte en una herramienta esencial en una amplia variedad de industrias, impulsando la innovación y la eficiencia en la producción y el diseño.

Hacia dónde se dirige la fabricación aditiva

La fabricación aditiva, o impresión 3D, tiene un futuro emocionante y lleno de posibilidades en los próximos 10 años.

Aquí van algunas perspectivas clave de mejora y hacia dónde se dirige esta tecnología:

Mayor velocidad de impresión

Una de las limitaciones actuales de la fabricación aditiva es la velocidad de impresión. Se espera que en los próximos años se desarrollen tecnologías que permitan una impresión más rápida sin comprometer calidad y precisión.

Amplia gama de materiales

La diversificación de las materias primas utilizadas en la fabricación aditiva es una tendencia clave. Se prevé que se desarrollen y adopten una mayor variedad, incluyendo plásticos de alto rendimiento, metales y materiales compuestos avanzados.

Mejoras en la escala de impresión

En lugar de emplear componentes pequeños, la impresión 3D a gran escala se está convirtiendo en una realidad. Esto tiene implicaciones en la fabricación de piezas grandes, como componentes de aeronaves y estructuras de construcción.

Mayor precisión y resolución

Las mejoras en la precisión y la resolución de las impresoras 3D permitirán la creación de piezas aún más detalladas y complejas, lo que ampliará las aplicaciones en la industria de la joyería, la odontología o la electrónica.

Fabricación aditiva híbrida

La integración de la fabricación aditiva con tecnologías tradicionales, como el mecanizado CNC, se convertirá en una tendencia creciente. Esto permitirá la producción de piezas con propiedades específicas y acabados de alta calidad.

Materiales sostenibles

Se están investigando materiales más sostenibles para la fabricación aditiva, incluyendo plásticos reciclados y biomateriales. Esto se alinea con la creciente conciencia ambiental y la demanda de soluciones sostenibles.

Impresión multimaterial

La capacidad de imprimir con múltiples materiales en una sola impresión es otra tendencia para un futuro cercano. Esto permitirá la creación de estructuras y dispositivos más complejos y funcionales.

Personalización en masa

La fabricación aditiva permitirá la producción en masa de productos personalizados a precios competitivos. Esto podría cambiar la forma en que se producen productos de consumo, desde zapatos hasta dispositivos electrónicos.

Aplicaciones médicas avanzadas

Se espera que la fabricación aditiva continúe avanzando en la creación de tejidos y órganos impresos en 3D para trasplantes y la producción de dispositivos médicos personalizados.

Exploración espacial y colonización

La fabricación aditiva jugará un papel importante en la colonización de otros planetas, permitiendo la producción de herramientas y estructuras críticas en el espacio.

10 empresas que emplean con éxito la fabricación aditiva

La fabricación aditiva se ha convertido en un componente vital en la estrategia de muchas empresas para la producción y comercialización de productos.

Estas son algunas de las 10 que están aprovechando esta tecnología para competir en el mercado:

General Electric (GE)

GE ha adoptado la fabricación aditiva en la producción de componentes para motores de avión y turbinas de gas.

Boeing

Boeing utiliza la fabricación aditiva para producir componentes de aeronaves, como soportes y piezas estructurales, lo que reduce el peso y mejora la eficiencia de combustible.

3Dvarius y Aleph Guitar

Ambas producen instrumentos musicales personalizados, como violines y guitarras.

Siemens

Siemens utiliza la fabricación aditiva en la producción de componentes de turbinas y motores.

Dyson

Dyson emplea la tecnología para crear prototipos y componentes de aspiradoras y otros dispositivos domésticos.

Tesla

Tesla ha empleado la fabricación aditiva para la producción de prototipos de piezas de sus automóviles.

Protos Eyewear

Protos Eyewear utiliza la fabricación aditiva para crear gafas de sol personalizadas, permitiendo a los clientes elegir el diseño, el color y el ajuste que deseen.

Nike

Nike ha adoptado la fabricación aditiva en la producción de componentes personalizados para calzado y complementos.

IKEA y Steelcase

Empresas como IKEA y Steelcase emplean la fabricación aditiva para crear componentes de muebles personalizados, lo que permite a los clientes diseñar y ensamblar sus propios muebles de acuerdo con sus necesidades.

EnvisionTEC y Widex

Empresas como EnvisionTEC colaboran con fabricantes de audífonos, como Widex, para producir estos dispositivos mediante impresión 3D. Esto mejora la comodidad y la calidad del sonido para los usuarios.

El papel de AIMEN en el desarrollo de la fabricación aditiva

AIMEN, integrante de ATIGA, es uno de los centros de investigación punteros en España en el desarrollo de la fabricación aditiva. Especializado en innovación ligada a la fabricación avanzada, AIMEN ha desarrollado proyectos orientados al desarrollo de la tecnología de FA empleando robótica para obtener grandes componentes, así como utilizando una combinacion o modificación de materiales de partida, consiguiendo propiedades funcionales específicas tanto en materiales de matriz metálica como polimérica.

Una treintena de expertos volcados en la investigación en fabricación aditiva

Las áreas de Procesos de Fabricación Avanzada y Materiales Avanzados de AIMEN cuentan cada una con una treintena de investigadores volcados en el desarrollo de nuevas líneas de investigación.

La apuesta por los procesos de fabricación asistidos a través de técnicas DED y FFF ha permitido a AIMEN integrarse en la Red de Excelencia en Fabricación Aditiva (READI), que persigue acelerar la adopción de la fabricación aditiva en entornos industriales y que presta sus servicios a la industria aeroespacial, la de bienes de consumo, equipos industriales, transporte o utillaje.

Este esfuerzo investigador ha dado sus resultados. En los últimos años AIMEN ha liderado decenas de proyectos que han permitido evolucionar a la fabricación aditiva en el ecosistema europeo. Un buen ejemplo es el proyecto europeo Integradde, en el que AIMEN lideró a 26 entidades de 11 países en una iniciativa destinada a transferir las innovaciones en fabricación aditiva a la industria y que contó con 17 millones de euros de fondos europeos.

Otra muestra es la integración de AIMEN en el proyecto europeo AMable – Adoptive Manufacturing of Components and Tools for Batch-Additive Manufacturing-, una red en la que se integran universidades y centros tecnológicos y que tiene como objetivo impulsar la adopción de tecnologías avanzadas como la fabricación aditiva en el tejido empresarial del continente.

Los centros integrados en AMAble brindan asesoramiento especializado y conocimientos técnicos a aquellas pymes que necesitan de técnicas 3D para la producción de productos innovadores. La red ha derivado en una activa comunidad donde sus miembros intercambian experiencias para afrontar desafíos ligados a esta tecnología y desarrollar proyectos colaborativos.

Líneas de trabajo de AIMEN

Investigación

El área de Procesos de Fabricación Avanzada de AIMEN es una referencia en el desarrollo de técnicas de impresión 3D a través de PFA y MAVA y en la optimización de parámetros de impresión para lograr componentes de alta calidad.

Diseño, prototipado y fabricación de grandes piezas

AIMEN trabaja en la creación y fabricación de prototipos funcionales de grandes piezas para empresas de diversos sectores, para lo que emplea técnicas láser, arco de alambre, FFF y cabezales robotizados.

Técnicas y procesos

Además del FFF, AIMEN emplea también procesos DED en la fabricación de metales para grandes componentes.

Desarrollo de nuevos materiales

Las investigaciones de AIMEN han permitido el desarrollo de nuevos componentes multi-material, aleaciones nanoreforzadas, filamentos basados en biopolímeros y/o reforzados con fibra continua y otros fabricados con material reciclado.

Formación y difusión

AIMEN ofrece programas de formación en tecnologías láser, modelado avanzado y otras disciplinas ligadas a la fabricación aditiva destinados a capacitar a los profesionales en el uso efectivo de esta tecnología y a promover su adopción en la industria.