Impresión 3D como aliada del mecanizado y la fundición

La impresión 3D está tomando relevancia en la industria automotriz, dada la eficiencia en los procesos de producción de diferentes compañías.

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En 2023, el Campus de Manufactura Aditiva, el principal centro de BMW Group dedicado a la producción, investigación y formación en impresión 3D, con sede en Oberschleißheim, fabricó más de 300,000 componentes, lo que evidencia el creciente impacto de esta tecnología. Este progreso no solo mejora los procesos de manufactura, sino que también introduce nuevas posibilidades en el diseño y desarrollo de vehículosconsolidando la impresión 3D como un pilar fundamental para el futuro de la industria automotriz.

Por esa razón conversamos con José Alejandro David Baracaldo, cofundador del Centro de Innovación e Impresión 3D en Colombia, acerca de cuáles son las posibilidades que está teniendo esta tecnología como técnica de fabricación para la industria automotriz, sus ventajas, dificultades, tipos de piezas y materiales.

Múltiples materiales, diferentes usos

En la industria automotriz se utilizan diversos metales debido a sus propiedades físicas y químicas específicas. Entre estos metales, se destacan el aluminio, los aceros, el titanio y el cromo-cobalto, cada uno reconocido por sus características distintivas y aplicaciones particulares.

Para Alejandro David, el aluminio es un material ampliamente utilizado para impresión 3D en automotriz debido a su resistencia, buenas propiedades térmicas y su baja densidad. Estas características lo hacen ideal para el desarrollo de diversas aplicaciones en componentes, tales como la fabricación de partes del sistema de transmisión, la estructura principal del vehículo y componentes del interior de la cabina.

El acero, incluyendo el de herramienta e inoxidable, se utiliza para reducir los costos de fabricación de piezas complejas. “Este material es adecuado para componentes estructurales y ha sido empleado en la fabricación de discos de freno para trenes en Europa, mediante tecnologías avanzadas de manufactura.” Afirmó el cofundador de Centro 3D. En la industria automotriz, el acero se utiliza para producir componentes como las tijeras de los frenos y partes del sistema de dirección.

En cuanto al titanio David considera que es un material conocido por su alta resistencia a la temperatura, menos común en aplicaciones automotrices y más prevalente en aplicaciones aeroespaciales. Su resistencia a la temperatura lo hace adecuado para motores cohete, donde las condiciones operativas extremas requieren materiales que puedan soportar temperaturas elevadas.

Otro de los materiales es el cromo cobalto, un metal altamente versátil y utilizado en diversas industrias, ha encontrado aplicaciones significativas en la industria automotriz, particularmente en la inyección de plásticos. “Este material, junto con el aluminio y el acero, se emplea en la fabricación de moldes de inyección, ofreciendo ventajas notables en la eficiencia y calidad del proceso de manufactura”, manifestó Alejandro David.

David señala que los moldes fabricados con cromo cobalto pueden incorporar canales internos de refrigeración diseñados específicamente para mejorar las condiciones de enfriamiento. Ello es importante porque los canales permiten una reducción significativa de la deformación por enfriamiento al final del ciclo de inyección y disminuyen el tiempo de inactividad del molde. Como resultado, se obtiene una mayor eficiencia en la refrigeración del polímero inyectado, lo cual incrementa la productividad de la máquina.

Impresión 3D vs Mecanizado / Fundición

En términos de manufactura aditiva, la impresión 3D puede mejorar las propiedades mecánicas de las piezas fundidas al reducir la porosidad del material. Este proceso lleva la manufactura a un nuevo nivel, especialmente con torno CNC, al permitir la fabricación de geometrías que serían imposibles de realizar mediante técnicas tradicionales. Un ejemplo notable es la capacidad de imitar formas orgánicas complejas, lo cual abre nuevas oportunidades en el diseño y producción de componentes avanzados.

Al permitir la creación de estructuras más precisas y complejas, la impresión 3D no solo optimiza los procesos existentes, sino que también amplía el horizonte de lo que es posible fabricar, posicionándose como una tecnología crucial en el futuro de la industria, que coexista con las técnicas tradicionales de fabricación.

“Si voy a fabricar una pieza sencilla, que no tiene una geometría especial y siempre ha sido fabricada a través de una técnica CNC, la recomendación es continuar haciéndolo de esa manera”, mencionó David. Esta recomendación se basa en la rentabilidad y familiaridad del proceso existente.

El cofundador de Centro 3D considera que la fabricación de piezas sencillas mediante CNC es un proceso bien establecido, del cual ya se ha demostrado su rentabilidad y eficacia. Además, se cuenta con un conocimiento profundo de este proceso, lo que genera una producción eficiente y una monetización efectiva. Cambiar a una nueva tecnología en estos casos puede no justificar los costos y esfuerzos de transición, dado que el proceso actual ya cumple con los objetivos económicos y de producción.

No obstante, la manufactura aditiva, específicamente la impresión 3D de polvos metálicos, introduce un ecosistema innovador y creativo que ofrece soluciones efectivas para problemas en la cadena de suministro.

Por ejemplo, la fabricación de inyectores de combustible se compone hasta de 20 partes diferentes. De acuerdo con lo expresado por David, mediante la manufactura aditiva, es posible fabricar el inyector como una sola pieza.

Esta integración no solo simplifica el proceso de fabricación, sino que también añade valor a la cadena de suministro, al disminuir la complejidad y los costos asociados con el ensamblaje, mantenimiento y transporte de múltiples partes.

Actualmente, la estructura principal de los vehículos se fabrica utilizando métodos tradicionales que incluyen corte y doblado de láminas metálicas, mecanizado CNC y soldadura. Estos procesos están bien establecidos y optimizados para la producción en masa, ofreciendo una rentabilidad que la impresión 3D aún no ha alcanzado para estructuras grandes, afirmó el cofundador de Centro 3D.

Para David esta técnica tiene un gran potencial en la fabricación de prototipos completos. En un futuro próximo, es plausible que veamos prototipos de vehículos fabricados íntegramente con esta tecnología. Sin embargo, la rentabilidad y la masificación del 3D para la producción de estructuras grandes tardará en materializarse. Esto se debe a los altos costos y la necesidad de optimizar los procesos de impresión 3D para competir con los métodos tradicionales en términos de costo y eficiencia.

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Beneficios y costos de la impresión 3D con polvo metálico en automotriz

En la industria automotriz, prevalece una percepción común respecto a la impresión 3D: algunos actores consideran que esta tecnología debe ser más económica que las técnicas tradicionales para ser considerada viable o para que se atrevan a implementarla.

Sin embargo, según Alejandro David, los verdaderos beneficios de la manufactura aditiva van más allá del costo directo. Se encuentran en la capacidad de reducir el número de componentes, mejorar la eficiencia de la cadena de suministro y resolver problemas complejos en el diseño y producción. Puede que los recursos iniciales de la impresión 3D sean más altos, pero ofrecen un valor significativo que llegaría a justificar su implementación.

“La impresión 3D en metales ofrece múltiples beneficios en el manejo de inventarios, especialmente en sectores como el automotriz y los sistemas de transporte masivo”, declaró David. Por medio de esta tecnología hay gestión más eficiente de los recursos y reducción significativa de los costos asociados con el almacenamiento y mantenimiento de piezas de repuesto.

Tradicionalmente, centros de mantenimiento automotriz y servitecas deben mantener un stock considerable de piezas de repuesto durante meses o incluso años. Este stock es necesario para garantizar el reemplazo de cualquier pieza defectuosa. Sin embargo, mantener este inventario implica costos fijos elevados, tanto en términos de almacenamiento como de capital inmovilizado. Este capital económico puede ser mitigado significativamente mediante la adopción de la impresión 3D.

Para David, migrar el inventario tradicional a un sistema de almacenamiento de polvo metálico en contenedores sellados, ofrece una alternativa rentable. Con la impresión 3D, las piezas pueden ser producidas bajo demanda, es decir, solo cuando se necesitan. Esto permite a las empresas encender las máquinas de impresión únicamente cuando la producción o el mantenimiento lo requieren, optimizando así el uso de recursos.

Se puede acumular una semana de trabajos antes de encender la máquina, asegurando que se utilice a plena capacidad, lo que mejora la rentabilidad de la producción, aseguró David. Este enfoque permite fabricar piezas en la aleación específica y según las necesidades exactas del momento, evitando la sobreproducción y el almacenamiento innecesario de piezas.

Un beneficio significativo de la impresión 3D en polvo metálico es la capacidad de aplicar tratamientos térmicos a las piezas producidas, esenciales para mejorar las propiedades mecánicas del material, como la dureza y la resistencia. Esta tecnología no es ajena a estos procesos, lo que aporta un valor agregado notable a la producción.

Una perspectiva sobre la brecha y las oportunidades en América Latina

En países como Estados Unidos, Alemania, Japón y China, se observa un liderazgo en el desarrollo y aplicaciones de impresión 3D. En contraste, América Latina se encuentra considerablemente rezagada en términos de conocimiento y adopción de estas tecnologías, especialmente en la impresión 3D de polvo metálico. Esta carencia limita la visibilidad sobre las aplicaciones y beneficios potenciales de la tecnología, lo que a su vez desalienta a los empresarios de la región de invertir en estas innovaciones.

Para Alejandro David cofundador de Centro 3D “Hay que romper con el paradigma de: siempre lo he hecho así, es rentable y me funciona, entonces para qué cambiar o innovar”. Es urgente superar esta barrera para aumentar la penetración del mercado con información y conocimiento especializado. A medida que más personas en la región adquieran conocimientos sobre impresión 3D, será posible visibilizar las aplicaciones prácticas y los beneficios de la tecnología, incentivando así a más empresarios a invertir en este sector.

Según el cofundador de Centro 3D, se hace crucial abordar este paradigma con una estrategia basada en conocimiento, beneficios concretos, capacitación, entrenamiento y acompañamiento especializado.

En este contexto los centros de consultoría especializados juegan un papel vital, no solo como proveedores de servicios, sino como aliados de los clientes finales. La meta es comprender las necesidades específicas y los métodos de manufactura tradicionales de los clientes, y encontrar aplicaciones precisas de la impresión 3D que se ajusten a sus requerimientos específicos.

Iniciativas para romper la barrera del conocimiento

En la actualidad, diversas instituciones educativas y técnicas en América Latina están comenzando a reconocer el potencial de las tecnologías de impresión 3D. Facultades de ingeniería y el Servicio Nacional de Aprendizaje (SENA) en Colombia, han mostrado interés en estas técnicas. En México iniciativas como Nuevo León 4.0 y distintas universidades también están promoviendo el tema.

En Colombia se ha observado un creciente interés en colegios, donde jóvenes y niños están familiarizándose con la impresión 3D, especialmente con polímeros, dado que es una opción accesible y económica para las instituciones educativas. Se espera que en los próximos años, las universidades incrementen sus presupuestos de inversión para implementar impresión 3D de polvos metálicos.

Es esencial para la industria seguir promoviendo la inclusión de diversos actores en este proceso para mejorar la aplicación de la manufactura aditiva en la región y no solo conocer, sino también aprovechar plenamente sus beneficios.