Los sistemas automatizados y digitalizados de impresión 3D de metales cambian el panorama hacia una producción en masa rentable.

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La impresión 3D de metales ha experimentado un gran desarrollo en los últimos años, con mejoras notables en su eficiencia y capacidad para producir piezas en masa. Sin embargo, la implementación de esta tecnología a gran escala ha presentado algunos desafíos, especialmente en la automatización del proceso de producción.

En este sentido, la industria automotriz en México está mostrando un gran interés en la integración de la automatización en la impresión 3D para la producción en masa de piezas metálicas, con el objetivo de mejorar la eficiencia y reducir los costos de producción.

Tras nuestra visita a la feria TECMA en marzo de 2023, pudimos observar la aplicación de múltiples piezas metálicas impresas en 3D, no solo para la industria automotriz, sino la aeronáutica, médica y la misma de las herramientas de corte y automatización.

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Piezas metálicas en serie para la industria automotriz

Entre los proyectos de aplicación de manufactura aditiva para la producción en serie de piezas industriales más destacados a nivel mundial se encuentra el NextGenAM, una colaboración entre Premium AEROTEC, Daimler y EOS, en donde se ha demostrado la posibilidad de producir piezas en masa de manera completamente automatizada, desde la adición de polvo metálico hasta el proceso de post-producción.

Esta automatización ha permitido la producción simultánea de piezas para diferentes clientes, lo que representa una ventaja significativa sobre las líneas de producción tradicionales, que procesan proyectos uno a uno.

¿Cómo funciona?

El corazón de una célula de producción de impresión 3D consiste en una cadena de producción aditiva escalable que está totalmente automatizada, desde el suministro centralizado de polvo hasta el proceso de construcción en sí mismo, con fabricación aditiva y tratamiento térmico, aseguramiento de calidad y separación de piezas de la placa de soporte.

El núcleo técnico del sistema son las máquinas de fundición láser de cama de polvo, hoy en día con hasta cuatro fuentes láser para aumentar la velocidad de fabricación. Las piezas son transportadas a lo largo de la línea de producción por un sistema de transporte sin conductor y con robots.

En el caso de un fabricante como EOS, un centro de control proporciona informes exhaustivos sobre todas las máquinas y procesos de producción, así como una trazabilidad completa de los trabajos de construcción y las piezas. Un aspecto fundamental de un sistema de producción en serie funcional.

¿Qué se obtiene?

Una cadena continua de datos 3D con gestión de calidad integrada convierte a este sistema de producción en una de las primeras aplicaciones del benchmark de la Industria 4.0 del futuro. La producción es completamente escalable, la capacidad de la fábrica puede ser ampliada mediante la duplicación de las líneas de producción. Esto promete aún más ahorros en el futuro cuando se aumenten las cantidades unitarias.

Por ejemplo, una nueva línea de tecnología en Premium AEROTEC ya se está utilizando para fabricar piezas para Daimler hoy en día. El primer tipo de pieza de repuesto fabricada por Premium AEROTEC ya se está utilizando en camiones. La pieza en cuestión es un soporte para un motor de camión diésel.

Casos de éxito de impresión 3D de piezas metálicas en el mercado

Volkswagen está utilizando la impresión 3D para acelerar el desarrollo de productos y convertirse en líder en la impresión 3D automotriz. Han adoptado la tecnología HP Metal Jet para producir piezas funcionales de alta calidad y alto rendimiento en metal.

Una de las razones por las que están tan interesados en la impresión de piezas de automóviles es que les permite hacerlas sin costosas herramientas. Cada uno de sus automóviles contiene entre 6,000 y 8,000 piezas y la fabricación aditiva les brinda la oportunidad de producir una gran cantidad de piezas rápidamente. Además, elimina las restricciones en el desarrollo de productos, lo que permite nuevas características que se utilizan al desarrollar un modelo de automóvil impreso en 3D.

Mientras que un automóvil completamente impreso en 3D podría estar en tu cochera algún día, los fabricantes de automóviles están utilizando la tecnología ahora para reducir el costo de una colección cada vez mayor de piezas. Ford, por ejemplo, ha anunciado recientemente que su catálogo de piezas de automóviles impresas en 3D ha superado las 5,000 piezas diferentes, que se utilizan en cada fase del proceso de fabricación en su planta de Almussafes en Valencia, España. 

Las piezas son hasta un 90% menos costosas de producir y están diseñadas para ser más ligeras y ergonómicas. (Frase destacada)

En el pasado, la planta de Almussafes de Ford se utilizaba principalmente para prototipos, pero ahora su uso es mucho más generalizado. Solo en 2021, imprimieron en 3D más de 20,000 piezas, incluidas piezas de repuesto que reducen drásticamente los costos y los tiempos de reparación.

Automatización en la impresión 3D a través de gemelos digitales

La automatización en la impresión 3D también implica la creación de gemelos digitales, lo que permite la producción autooptimizada basada en la inteligencia digital. La solución del fabricante alemán EOS proporciona una base para esta funcionalidad, permitiendo que las máquinas digitalmente conectadas apliquen algoritmos inteligentes para crear una red de auto optimización.

Los sistemas de alto rendimiento registran todos los datos desde la producción hasta las partes acabadas y los visualizan en tiempo real en una base de datos. Cada parte creada se representa en la base de datos por un gemelo digital que contiene todos los datos relevantes sobre sus parámetros, como la ubicación, condiciones ambientales, material, configuraciones de la máquina, parámetros del proceso, costos, etc.

Después de un periodo de producción, se pueden comparar varios parámetros en un gran número de gemelos digitales y experimentar con simulaciones para identificar oportunidades de mejora. Esto permite reproducir el impacto específico de cambios en los resultados, revelando el mejor camino para la auto optimización en futuras producciones.

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Grandes ventajas de la impresión 3D para la industria automotriz

La impresión 3D para automóviles crea ahorros de costos en la línea de ensamblaje y es una tecnología prometedora para reducir el impacto ambiental de la producción de automóviles. Al reducir la cantidad de herramientas y piezas necesarias para la producción, se reduce la cantidad de residuos generados en la producción y se pueden producir piezas más ligeras, lo que significa que el automóvil utiliza menos combustible y emite menos gases de efecto invernadero.

Además, la producción bajo demanda significa que se pueden producir solo las piezas necesarias, lo que reduce aún más los residuos y la huella de carbono de la producción. La impresión 3D también puede permitir la producción local de piezas, lo que reduce la necesidad de transporte y, por lo tanto, reduce las emisiones relacionadas con el transporte. En general, la impresión 3D es una tecnología prometedora para la fabricación de piezas de automóviles y puede ayudar a la industria a avanzar hacia una producción más sostenible.

Tipos de piezas más comunes fabricadas en impresión 3D por AM para la industria automotriz

1. Piezas de motor: la impresión 3D de metales se ha utilizado para producir piezas de motor, como las válvulas del motor, pistones, y árboles de levas, entre otros. Estas piezas se pueden producir de manera más rápida y con ventajas como la unión de varias piezas en una, reduciendo horas de ensamble y mantenimiento a largo plazo.
2. Moldes y troqueles: la impresión 3D de metales se utiliza para producir moldes y troqueles, que se utilizan en la producción en masa de piezas de automóviles. Estos moldes y troqueles se pueden producir más rápidamente y con una mayor libertad geométrica que con los métodos tradicionales, pudiendo por ejemplo incluir canales de enfriamiento de contorno cercanos a la cavidad, que de otra forma serían imposibles de fabricar.
3. Componentes estructurales: la impresión 3D de metales se ha utilizado para producir componentes estructurales, como soportes y refuerzos, que se utilizan en la construcción de carrocerías de automóviles. Estos componentes pueden ser diseñados para ser más ligeros y resistentes que los componentes producidos con los métodos de fabricación tradicionales.

4. Piezas de repuesto: la impresión 3D de metales se ha utilizado para producir piezas de repuesto para vehículos, como piezas de la suspensión, piezas del sistema de escape, y piezas del sistema de refrigeración. Estas piezas se pueden producir más rápidamente y pueden reducir costos a los fabricantes al evitar tener un alto stock de piezas disponibles.