¿Cómo sacarle provecho a la manufactura aditiva en la industria automotriz?

Autopartes que pasan de ser una combinación de varias piezas mecanizadas a un solo componente más ligero y rápido de producir, con geometrías complejas y con menores costos de fabricación, son ahora una realidad. Aunque en nuestra región las aplicaciones de impresión 3D se han limitado al prototipado rápido, proveedores de la industria como Stratasys y Makerbot, y la reconocida firma de investigación Deloitte, abren para nuestros lectores el espectro de posibilidades y aterrizan esta tecnología a la realidad de la industria latinoamericana.

Nuevos diseños; productos más ligeros, limpios y seguros; tiempos de entrega más cortos y menos costos, son tan solo algunas de las ventajas que la manufactura aditiva (MA) ha traído a la industria automotriz. Mientras que actualmente los fabricantes de equipo original (OEM, por su sigla en inglés) y los proveedores de la industria utilizan este tipo de manufactura para prototipado rápido, principalmente, los últimos avances en esta materia han demostrado que sus aplicaciones de extienden hasta las innovaciones en productos, la potencial integración de funciones eléctricas y mecánicas a través de la impresión en múltiples materiales, y la fabricación en grandes volúmenes.

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Delphi, por ejemplo, un proveedor tier 1 de la industria automotriz, actualmente utiliza fusión selectiva por láser (SLM, por su sigla en inglés) en lugar de mecanizado tradicional de aluminio para hacer bombas diésel. Mediante el uso de SLM, Delphi no solo fue capaz de hacer la bomba como una sola pieza —reduciendo drásticamente la cantidad de piezas y simplificando los procesos de ensamblaje— sino que también disminuyó costos de producción. La producción de bombas en una sola pieza también le ayudó a Delphi a evitar varios posprocesos, dando como resultado un producto menos propenso a fugas.

Ejemplos como este, así como recomendaciones sobre cómo los proveedores tier 1 y tier 2 pueden explotar mejor la manufactura aditiva para reconfigurar las cadenas de suministro, incrementar su flexibilidad y mantenerse competitivos, están contenidos en el informe “3D opportunity in the automotive industry: additive manufacturing hits the road”, publicado por Deloitte University Press, en el que se concluye que mientras que las técnicas de manufactura tradicional están profundamente arraigadas y seguirán manteniendo una posición dominante en la industria automotriz, la manufactura aditiva está haciendo progresos. “Si bien la MA no se convertirá en la única técnica de fabricación en el futuro, jugará un papel importante en el modelado del panorama mundial de este sector”.

Más allá de reproducir el análisis realizado por Deloitte University Press, Metalmecánica Internacional consultó a tres referentes claves de la industria para aterrizar cuál es el verdadero alcance de la manufactura aditiva en el contexto de la industria automotriz mexicana.

Bruno Juanes, responsable de innovación y manufactura en Deloitte México: la impresión 3D o la manufactura aditiva ha sido una herramienta clave para los fabricantes de automóviles durante varias décadas. La mayoría de los fabricantes de equipos originales (OEMs) y los principales proveedores tienen sus propios laboratorios 3DP/MA, desde moldes de fundición hasta piezas de plástico y de prueba. Las empresas automotrices están utilizando la MA para aprovechar la posibilidad de desarrollar herramientas personalizadas y la creación de prototipos más flexibles que permiten acelerar el modelado de piezas desde la prueba hasta el ajuste final, y la rápida integración de sistemas complejos. Un beneficio clave que impulsa la adopción y el uso de MA es la capacidad de reducir el tiempo de desarrollo global de componentes y vehículos a un costo menor que los métodos tradicionales de modelado y fabricación.

Carlos Ramírez, gerente regional para México y El Caribe de Stratasys: al principio, como toda nueva tecnología, tuvo una etapa de implementación que nos ayudó a trabajar en las necesidades específicas dentro de este mercado. Grandes compañías fabricantes de automóviles y proveedores de autopartes nos ayudaron para saber cuáles eran los requerimientos que se tenían en el día a día dentro de este sector. Hoy podemos decir que las ventajas principales que hemos visto aplicadas, y que ellos mismos nos han ayudado a documentar, son: 1. Reducción de tiempos, no solo para el lanzamiento de nuevos productos, sino también para fabricar herramientas de manufactura, y para tener refacciones temporales en equipos vitales para la producción. 2. Reducción de costos de ingeniería por la facilidad de revisión de nuevos productos. Esto permite detectar fallos en el diseño mucho antes de avanzar con los proyectos. A su vez, también se cuenta con grandes ahorros en estas compañías debido a que prototipos y herramientas son fabricados por ellos mismos.

Felipe Castañeda, diseñador industrial y UX de MakerBot: los fabricantes de automóviles y OEMs están utilizando la MA para la creación de prototipos rápidos y la fabricación de moldes, principalmente. Muchas empresas están comenzando a explorar técnicas manufactura aditiva de metal como sinterizado selectivo por láser (SLS, por sus siglas en inglés) para crear pequeñas piezas duraderas con geometrías internas complejas para aplicaciones como la inyección de combustible; sin embargo, hay muy pocas compañías que utilizan la MA para producir piezas finales.

Bruno Juanes, responsable de innovación y manufactura en Deloitte México: el paradigma de "geometría libre" que la MA trae ha permitido mejoras tanto en peso como en diseño, pero una revolución diferente ha permitido a los OEMs y proveedores aumentar el uso de la MA en sus procesos: los avances en el desarrollo de materiales. Con los nuevos métodos y materiales de MA, los beneficios en la cadena de valor han aumentado. Algunos ejemplos incluyen el rápido desarrollo de moldes para bloques de motor, accesorios para moldes con enfriamiento interno mejorado para inyección de plástico y nuevos diseños mejorados para inyectores de combustible.

La MA está permitiendo a los ingenieros pensar en soluciones mecánicas de manera diferente, sin la limitación de la maquinaria y los procesos tradicionales, integrando incluso partes hechas con MA en productos finales a través de procesos de impresión directa de metales. Por ejemplo, en el mercado de neumáticos, los OEMs están experimentando con sistemas de neumáticos impresos en 3D que podrían eventualmente sustituir totalmente los neumáticos de caucho, mientras que los principales fabricantes de neumáticos utilizan la MA para mejorar el diseño de roscas y los procesos de fabricación.

Por último, la MA puede dar vida a las ventajas del concepto de manufactura local distribuida, en el que un centro de impresión 3D puede fabricar para una comunidad local.

Carlos Ramírez, gerente regional para México y El Caribe de Stratasys: una de las ventajas más fuertes es la libertad de diseño que se puede lograr en nuevos componentes pues eso, sin duda, permite desarrollar productos más eficientes y que resuelvan de diversas maneras una misma problemática sin restricción. Otra ventaja es la reducción de tiempos de respuesta a esos retos.

Felipe Castañeda, diseñador industrial y UX de MakerBot: hay toneladas de ventajas de la MA más allá de las obvias en prototipado rápido. El peso reducido de las piezas es un buen ejemplo, ya que las técnicas de MA pueden crear partes fuertes utilizando entramados internos que otros métodos de fabricación no pueden igualar. La capacidad de crear piezas especialmente complejas es una que a menudo se pasa por alto: la MA es capaz de crear geometrías más diversas que otros métodos, y esas geometrías se pueden adaptar para un mejor rendimiento en muchas categorías.

La velocidad es otra gran ventaja. Los diseñadores y fabricantes pueden crear piezas y luego reaccionar a su diseño o rendimiento de inmediato, en lugar de esperar el mecanizado o la tercerización de servicios de MA. Por último, la capacidad de explorar diferentes diseños con rapidez y bajo costo es una gran ventaja de usar la MA. Usted puede investigar varios diseños diferentes a la vez, y puede cambiar partes rápidamente sin requipamientos costosos.

Bruno Juanes, responsable de innovación y manufactura en Deloitte México: hay una rama completa de MA que se especializa en herramentales, desde plástico, moldes con ciclos de vida limitados, hidroformado plástico, moldes y accesorios en fibra de carbón, moldes de fundición para trabajo con plástico o cera, moldes con canales internos de enfriamiento mejorados para la inyección de plásticos, piezas CNC y en general piezas de metal y plástico para el mecanizado: los usos son ilimitados. Los ingenieros están continuamente encontrando nuevas aplicaciones y ventajas de la MA en herramientas mediante la combinación de diseño CAD en 3D mejorado y sistemas especializados en el diseño de moldes con sistemas de producción en MA.

Carlos Ramírez, gerente regional para México y El Caribe de Stratasys: la ventaja radica en pensar fuera de la caja ya que la manufactura aditiva ofrece materiales resistentes y con un desempeño extraordinario pero que en ocasiones no son tomados en cuenta por desconfianza o simple desinterés en cambiar lo que se ha utilizado por 10 o 15 años dentro de la empresa.

Felipe Castañeda, diseñador industrial y UX de MakerBot: las tecnologías de MA son ideales para accesorios, jigs y sistemas automatizados. En el caso de los accesorios, la MA puede crear piezas rápidas y personalizadas de forma más económica que utilizando producción CNC. Para los jigs, permite a los equipos probar múltiples configuraciones a la vez y puede reducir los esfuerzos de los trabajadores al proporcionar piezas de plástico ligeras. Para los sistemas automatizados, como los brazos robóticos, la MA es ideal para crear efectos finales personalizados de forma rápida y en casa, y produce herramientas más ligeras que reducen el desgaste en máquinas costosas.

Bruno Juanes, responsable de innovación y manufactura en Deloitte México: hoy en día, los coches de Fórmula 1 son uno de los mejores ejemplos de aplicación de manufactura aditiva. Desde el diseño aerodinámico y exterior hasta las partes internas del motor y del sistema, utilizan cada vez más la MA para personalizar y mejorar el rendimiento de los coches de carreras. Las aplicaciones en el mercado comercial están aumentando.

En la medida en que aumenten las preferencias de los consumidores y el deseo de personalización, los fabricantes necesitarán buscar formas rentables de acelerar el ciclo de vida del desarrollo de productos con flexibilidad de personalización. Vemos la manufactura aditiva como un potencial cambiador de juego para el futuro de la industria. Las capacidades de formas libres que brinda la MA y la drástica reducción en el tiempo de diseño hasta la producción final permitirán a los OEMs producir productos complejos y de alto rendimiento.

Carlos Ramírez, gerente regional para México y El Caribe de Stratasys: en aplicaciones donde el volumen es muy bajo y donde los requerimientos que se tienen son muy altos o complejos para una manufactura convencional, uno de los casos podría ser la escudería McLaren de F1. (Para más información sobre este caso, consulte en www.metalmecanica.com digitando McLaren en el buscador).

Felipe Castañeda, diseñador industrial y UX de MakerBot: la manufactura avanzada está siendo adoptada de diferentes maneras en el diseño y la fabricación de automóviles. Ya hay artículos que evidencian el proceso de usar impresoras 3D de escritorio en la fabricación rápida de moldes y fundiciones de aluminio. Algunas otras aplicaciones son:

• La introducción de entramados internos a partes de otro modo sólidas o huecas. Estos entramados pueden producir mejores relaciones de peso a fuerza, redirigir la fuerza de los impactos, crear zonas de ruptura o deformación, o distribuir el calor de maneras más sofisticadas.
• Producir y probar un gran número de geometrías únicas para mejorar la aerodinámica y el concepto general, la forma y el modelado de prototipos.
• En el futuro, la posibilidad de ofrecer de manera rentable una personalización masiva para piezas interiores y mecánicas a los consumidores.

Bruno Juanes, responsable de innovación y manufactura en Deloitte México: hay al menos siete sistemas de transformación considerados como MA. Cada sistema se compone de un material de origen (resina líquida, polvos de aleación, filamentos, plásticos de yeso y otros), un mecanismo de transformación (multi-chorro, estereolitografía láser, fusión directa por láser y otros) y un material sólido para uso final. El requerimiento o aplicación del último, determina los otros dos. Con cientos de materiales disponibles y una variedad de métodos de transformación, el verdadero asunto hoy es la aplicación.

El desempeño de la mayoría de los plásticos cumple con las especificaciones de sus pares de moldeo por inyección, excepto por el hecho de que los primeros se transforman a partir de monómeros y los segundos son polímeros desde el principio. Sus características mecánicas pueden variar, pero esto dependerá del método de transformación y de su aplicación. Cada día, las empresas establecidas y los recién llegados a la industria están trayendo nuevos materiales y aplicaciones al mercado. El factor clave en el avance de la aplicación será el costo total de la solución (fabricación de moldes + número de partes vs cientos de piezas impresas en 3D en un plazo específico).

Carlos Ramírez, gerente regional para México y El Caribe de Stratasys: hoy en día la única limitante es el costo en volúmenes mayores a 500 piezas. La MA ha avanzado de una manera impactante en el desarrollo de materiales termoplásticos, composites y metálicos que sin duda pueden cubrir cualquier necesidad física.

Felipe Castañeda, diseñador industrial y UX de MakerBot: la diversidad de materiales utilizados en AM ha explotado en los últimos años. Vemos un uso generalizado de todo, desde metales y plásticos hasta cerámicos y compuestos exóticos.

También hay materiales especialmente innovadores que reaccionan predeciblemente al calor y a la corriente para cambiar su forma o realizar funciones mecánicas. Lo que podría ser más relevante que los materiales; sin embargo, es el espacio y el tamaño. La industria está viendo impresoras de seis ejes increíblemente innovadoras con extrusoras montadas en brazos robóticos, impresoras de volumen de construcción infinito donde el material se deposita lateralmente y ahora impresoras que tienen cintas transportadoras debajo de ellas para producir un número ilimitado de piezas sin intervención del usuario.

La rentabilidad sigue siendo el mayor reto para la industria. Usted puede desarrollar un nuevo material, o un tipo diferente de impresora que nadie ha visto antes, pero llegar a un punto en el que la MA no es un costo prohibido para el fabricante es un obstáculo gigante. Algunas de estas tecnologías pueden resultar funcionales y viables a pequeña escala, pero es poco probable que sean rentables a gran escala en un futuro próximo.

Bruno Juanes, responsable de innovación y manufactura en Deloitte México: A medida que las capacidades de manufactura y automotrices de México evolucionen, las compañías automotrices descubrirán que pueden ubicar allí más que operaciones de ensamblaje, tales como investigación, diseño, ingeniería avanzada e innovación (incluyendo la MA) que contribuyen al crecimiento del valor para los accionistas.

Varios centros de diseño ya se están estableciendo en el país. En la medida en que la complejidad y la responsabilidad de los diseños se trasladan a México, la necesidad de aumentar el uso de MA se desarrollará naturalmente. Algunos proveedores tier 1 y 2 podrían beneficiarse de invertir en MA para la producción de nuevas piezas, así como para desarrollar un mercado de repuestos que pudiera suministrarse en línea y a tiempo, esto en lugar de basarse en inventarios. Al invertir en MA, las fabricantes mejorarán en I + D y ganarán competitividad.

Carlos Ramírez, gerente regional para México y El Caribe de Stratasys: estamos en una etapa donde todas las industrias están enfocadas en ofrecer mejores productos de una manera más rápida. La industria automotriz es muy competitiva en todos los aspectos y saben que la MA es una herramienta fundamental para lograr sus objetivos. Ya muchas compañías han invertido o están en planes de adquirir equipos pues es un hecho: todo cambia y todo avanza. Seguir pensando en fabricar nuevos productos con el mismo método de la década pasada no es una solución para una industria que produce más de 934 mil autos al trimestre.

Felipe Castañeda, diseñador industrial y UX de MakerBot: en cualquier lugar en donde haya diseño y desarrollo automotriz en México, existe la posibilidad de que ya tengan disponible tecnología de MA y esperamos que la adopción de esta crezca rápidamente en los próximos años. Especialmente en la escala de escritorio donde la tecnología se ha vuelto barata, bien probada y ampliamente utilizada.

Para la manufactura, por otro lado, puede que todavía la MA no esté allí todavía, pero es probable que esté en 5 o10 años. Veremos diseños y brazos para manufactura colaborando de maneras asombrosas, ambos trabajando e interactuando en la misma pieza, al mismo tiempo, pero en extremos opuestos del mundo porque pueden imprimir 3D en ubicaciones descentralizadas.