En manufactura aditiva, el metal sigue creciendo

Ha superado la parte experimental para convertirse en un método ideal para la generación de prototipos. De ahí­, su crecimiento ha seguido para considerarse como un proceso de fabricación complementario para tecnologí­as sustractivas. El siguiente paso, la producción a partir de diseños disruptivos. La realidad de la manufactura 3D nos está alcanzando.

 

Existe hoy un interés creciente por el uso de manufactura aditiva en metal para aplicaciones automotrices, aeronáuticas, médicas, industriales y de transporte, debido a la libertad de diseño complejo, mayor grado de personalización y mejor utilización del material en comparación con la manufactura tradicional.

Las proyecciones actuales sugieren que el mercado de la manufactura aditiva o impresión 3D, que asciende a USD 7,3 mil millones, continuará superando a las tecnologí­as de manufactura tradicionales como el moldeo por inyección y el mecanizado CNC, en particular. Según el Wholers Report 2018 hay un aumento significativo en la manufactura aditiva metálica este año con un sólido crecimiento.

De acuerdo con este informe, en 2017 se vendieron aproximadamente 1,768 sistemas de manufactura aditiva de metal, en comparación con 983 sistemas en 2016, es decir, hubo un aumento en ventas de casi 80 %.

Los analistas de Wholers, que han dado seguimiento al mercado de la impresión 3D desde hace 30 años, consideran que el dramático aumento en la adquisición de sistemas de manufactura aditiva en metal entre 2016 y 2017 se debe a que se ha mejorado el proceso y la calidad de producción, así­ como el mercado de materiales metálicos, que en 2016 creció 16 %, gracias a que introdujo nuevas opciones para materiales que eran imposibles utilizando métodos convencionales de producción.

Si bien en la mayorí­a de los casos la impresión 3D no es una panacea que reduce automáticamente el costo de las piezas fabricadas, el hecho es que ofrece beneficios como la amplia gama de materiales (acero inoxidable, aluminio, titanio, inconel, cromo-cobalto, acero maraging, aleación de aluminio), la reducción significativa del peso parcial, la producción de formas libres y la eliminación de accesorios y herramientas, aunque todaví­a existen varios desafí­os.

Algunos de esos retos tienen que ver con que las piezas fabricadas en manufactura aditiva presentan superficies desiguales y rugosas, y tolerancias dimensionales inexactas, lo que junto con los altos costos de inversión para la adquisición de máquinas 3D, costos operativos y materiales, representan obstáculos para la adopción de esta tecnologí­a para la mayorí­a de las empresas.

Sin embargo, estos inconvenientes no han inhibido los esfuerzos para aprovechar sus beneficios, y ahora se combina con las capacidades probadas de los procesos de producción existentes como el mecanizado. De ahí­ que, para los especialistas, la manufactura aditiva y el mecanizado se volverán dos partes rutinarias de la producción debido a que ambos van de la mano porque cada pieza crí­tica hecha aditivamente debe ser una parte de precisión, con tolerancias que solo el mecanizado puede lograr.

Así­ que, al menos por el momento, la manufactura aditiva está vinculada a los procesos de fabricación tradicionales, porque juntos pueden funcionar adecuadamente para cumplir con las especificaciones requeridas.

"Habrá proyectos donde la manufactura aditiva va a ser la solución ideal para cierto tipo de piezas; otros donde la manufactura tradicional sustractiva siga siendo la ideal y otros donde se tenga que aplicar las dos (…) De hecho, habrá piezas que al momento de optimizar para peso o resistencia, el diseño no se pueda fabricar por métodos tradicionales y solo se puedan hacer mediante manufactura aditiva", explica Roberto F. Jacobus, director general de Industrias Viwa, fabricante de maquinaria para la industria metalmecánica.

Evolución de la manufactura aditiva en metal

Con al menos 30 años de evolución, la manufactura aditiva —que comenzó con la impresión 3D de plásticos— ha ido mejorando sus procesos hasta llegar a la manufactura aditiva en metal que a su vez ha ido de más en más con el desarrollo de nuevas capacidades.

"En lo que ha evolucionado la manufactura aditiva al dí­a de hoy es en los métodos de inspección o de monitoreo de la construcción de las partes, por ejemplo el sistema que monitorea la capa de cada impresión, extrae la capa 2D de cada impresión y conforme va recolectando capa tras capa se puede estar revisando cómo va quedando la pieza, si se está deformando o no se está deformando", comenta Salomé Sánchez, ingeniera de Manufactura Aditiva de Renishaw.

También ahora es posible monitorear la máquina de impresión 3D desde un dispositivo móvil en cualquier parte para saber si está trabajando correctamente, a qué hora va terminar la pieza, la cantidad de polvo que está utilizando, etcétera.

La manufactura aditiva en metal en los últimos años ha estado liderada por la sinterización directa de metal por láser (DMLS) y fundición selectiva por láser (SLM); sin embargo, existen otras técnicas de impresión como la fusión por haz de electrones (EBM), la fusión láser de metal (LMF), la deposición láser de metal (LMD), el sinterizado selectivo por láser (SLS) y cada vez hay más empresas desarrollando máquinas de impresión 3D, pues en 2016 habí­a 96 fabricantes y en 2017 ya eran 135.

Los nuevos fabricantes de sistemas están ingresando al mercado de manufactura aditiva a un ritmo vertiginoso, mientras que lanzan máquinas con plataformas de material abierto, velocidades de impresión más rápidas y precios más bajos", revela el informe Wholers 2018.

Incluso Stratasys, que se habí­a mantenido en la manufactura aditiva de polí­meros, ha decidido lanzar su máquina de impresión en metal para prototipos, fabricación de lotes pequeños y piezas personalizadas, livianas y complejas, a un costo competitivo por componente con post-procesado fácil y alta calidad, ya que prevé que el mercado global de manufactura aditiva metálica crecerá a USD 12,000 millones en 2028.

"Estos procesos o estas mejoras hacen que las piezas que puedas obtener sean bastante precisas (…) al final, en algunos casos, se requiere hacer un mecanizado o hacer algún proceso extractivo que mejore la precisión, o en términos dimensionales la pieza", asegura Juan Carlos Miralles, director de Ventas de Stratasys para Latinoamérica.

Otra gran ventaja de la manufactura aditiva es, sin duda, la posibilidad que hay en cuanto a materiales como acero inoxidable, acero al carbón, aluminio, titanio, inconel, cromo-cobalto, maraging steel, aleación de aluminio, lo que atrae cada vez a más compañí­as que están experimentando con esta tecnologí­a.

Con las capacidades actuales Boeing ya tiene 20 sitios que producen piezas de metal y ha integrado a sus aeronaves cerca de 60,000 partes elaboradas con manufactura aditiva. GE, por su parte, ha sido muy activa en el desarrollo de esta tecnologí­a, pues opera más 1,300 máquinas de impresión 3D y ha puesto en funcionamiento más de 50,000 partes hechas con manufactura aditiva en metal y lidera más de 1,000 proyectos con esta tecnologí­a.

Por su parte, la empresa de tecnologí­a médica Stryker ha conseguido realizar más de 100,000 implantes fabricados mediante manufactura aditiva metálica. Y con una visión de futuro muy clara, UPS está considerando transformar la cadena logí­stica con la creación de una red de manufactura aditiva donde las empresas y clientes puedan imprimir sus productos en metal o plástico. Asimismo, Airbus, Adidas, Ford, Toyota y demás compañí­as están invirtiendo en proyectos de manufactura aditiva.

Operaciones complementarias

La manufactura aditiva está transformando a la industria metalmecánica, desde los prototipos que es lo que más se hace actualmente, hasta el diseño de piezas complejas que con otros procesos no serí­a posible fabricar, según explica Roberto F. Jacobus, de Viwa.

Entre las posibilidades más interesantes está la aplicación de manufactura aditiva en metal en la reparación de piezas voluminosas que con los métodos tradicionales no es posible alcanzar: "Con la manufactura aditiva se pueden lograr mucho mejores resultados reparándola con un material, incluso de mayor resistencia que la pieza original", dice.

También se están fabricando moldes más eficientes, con canales de enfriamiento que ya no son rectos, sino que siguen la forma del molde y le proporcionan un desempeño mucho mayor, con el que es posible producir más piezas porque se enfrí­an de manera más efectiva.

Salomé Sánchez, de Renishaw, coincide en que el impacto de la manufactura aditiva en la industria metalmecánica comenzó con el desarrollo de prototipos, y seguirá con el de partes complejas y más ligeras, y considera que en el mediano plazo la tendencia será realizar ambos procesos, sustractivo y aditivo, en una misma máquina como ya han aparecido en el mercado las máquinas hí­bridas donde se hace la adhesión con polvo y un láser, y después de eso se maquinan.

Esto se explica porque la manufactura aditiva no alcanza aún la precisión que se logra, por ejemplo, con maquinado, y porque las piezas fabricadas presentan porosidad y grietas, que aunque se sometan a un tratamiento de alta presión que es costoso, podrí­a deformar la pieza lo que llevarí­a necesariamente a un proceso de maquinado.

En su opinión, la función de la manufactura aditiva es proveer de material a un taller o centro de mecanizado, donde primero se hace la pieza en manufactura aditiva y después el mecanizado para lograr el acabado superficial deseado y las tolerancias dimensionales mediante mecanizado, rectificado, o pulido, y esta es la manera en que esta tecnologí­a se está incorporando a la industria metalmecánica.

"Habrá procesos en que no se ocupe un remaquinado o un rectificado, así­ como llegue la pieza de la manufactura aditiva se va a poder utilizar, pero la mayor parte de las piezas cuando salen de la manufactura aditiva llevan algún rectificado, un acabado de precisión o un maquinado", comenta Salomé Sánchez, de Renishaw.

En México, la adopción de la manufactura aditiva en metal ha sido lenta y la mayorí­a de las máquinas que se han vendido en el paí­s han sido para centros de investigación o universidades. Hay pocos casos como el de Katcon que adquirió una máquina AM250 de Renishaw para fabricación de herramentales y están experimentando con otros componentes.

Por su parte, Viwa que cuenta con una máquina hí­brida que incluye manufactura aditiva y centro de maquinado, está trabajando con empresas establecidas en el paí­s para desarrollar para ellos máquinas hí­bridas con manufactura aditiva y torno o robot, dependiendo de las necesidades de producción que tengan y esperan concretar estos proyectos en 2019.

La manufactura aditiva —detalla Jacobus— engloba muchas tecnologí­as diferentes, y dependiendo del resultado que se busque se puede utilizar cama de polvo y ahí­ hacer fusión o sinterizado; o si se tiene sinterizado, luego se requieren procesos adicionales para que la pieza no tenga porosidad; de modo que el proceso se tiene que enfocar a la pieza final, si se requiere alta resistencia lo mejor es el proceso de fusión; si lo que se busca es la reducción de peso o abaratar el proceso, convendrí­a el sinterizado con otros procesos de horneado y de reducción de porosidad.

"Finalmente, por ejemplo, el depósito de metal mediante láser tiene una aplicación que puede ser muy directa para mejorar propiedades de piezas, entonces hacer depósitos, recubrimientos, lo que es el laser cladding, donde se van a mejorar las propiedades superficiales de la pieza, esa puede ser una buena solución donde mezcles maquinado y manufactura aditiva", asegura el directivo de Viwa.

Diseño disruptivo

Lo importante es que para incorporar la manufactura aditiva en empresas metalmecánicas se debe tener como prioridad desarrollar capacidades de diseño, porque si se quiere imprimir una pieza en 3D se tienen que considerar los puntos fuertes del proceso, como la libertad geométrica, la electrónica integrada y las capacidades de múltiples materiales.

Salomé Sánchez menciona que una pieza para manufactura aditiva no se puede producir a partir del diseño tradicional para un centro de maquinado, por lo que se necesita desarrollar capacidades de diseño para impresión 3D.

"Lo importante de la manufactura aditiva es rediseñar, el hacer que una pieza que haga las mismas funciones de la pieza con un maquinado tradicional, pero con un rediseño para quitarle peso, para usar menos material, hacer un diseño topológico, un diseño que aligere la pieza, que al final de cuentas te va a ser la misma función de una pieza sólida", advierte.

Juan Carlos Miralles, de Stratasys, comparte esa posición: una gran transformación que trae consigo la manufactura aditiva es la capacidad para diseñar piezas complejas, y actualmente la mayorí­a de los software de diseño CAD están basados en la manufactura sustractiva y eso limita el diseño.

"En el futuro cercano vamos a empezar a ver el proceso de transformación del diseño de piezas, tanto en la parte del software de diseño como de la forma de hacer el producto, de manufacturarlo, e incluso, este cambio también afectarí­a mucho la forma en que hoy los ingenieros diseñan un producto, porque esto cambia la forma de diseñar y, posiblemente, la forma de producir la pieza. Es un cambio que arranca desde la cabeza del diseñador, desde quien está diseñando esa pieza", afirma.

En definitiva, la manufactura aditiva no reemplazará los procesos de fabricación tradicionales; sin embargo, habrá aplicaciones cada vez mayores de manufactura aditiva en la producción de piezas metálicas de bajo volumen y alto valor gracias a la mejora de las capacidades de procesamiento y la libertad de diseño complejo, pero irán acompañadas con postprocesos secundarios tradicionales como el mecanizado, rectificado, tratamiento térmico y prensado isostático en caliente, es decir, será una manufactura hí­brida para lograr las geometrí­as y tolerancias, acabados superficiales y propiedades mecánicas deseadas.