La integración de la fabricación aditiva

Jörg Bromberger, Julian Ilg y Ana María Miranda, de McKinsey & Company, son los autores del artículo “The mainstreaming of additive manufacturing”, en el que ofrecen las claves que responden a la cuestión de qué se necesitará para que la fabricación aditiva se convierta en algo más que una tecnología de nicho tras 40 años de desarrollo.

El atraco central en la comedia de 2018 “Ocean's 8” requirió que los protagonistas cambiasen joyas valiosas por copias impresas en 3D. Los “replicadores”, que generan alimentos o herramientas a partir de materias primas básicas, han sido un elemento básico de la ciencia ficción en el cine y en la televisión durante generaciones. Sin embargo, aunque Hollywood se ha apresurado en aprovechar el potencial de la fabricación aditiva (FA), estas tecnologías han tardado en encontrar aplicaciones de gran éxito en la fabricación en el mundo real.
En comparación con los enfoques de fabricación tradicionales, las tecnologías de fabricación aditiva ofrecen cuatro posibles fuentes de valor. En primer lugar, su capacidad para generar casi cualquier forma tridimensional ofrece a los diseñadores la libertad de crear piezas que funcionan mejor o cuestan menos que las alternativas convencionales. Por ejemplo, un soporte de titanio fabricado de manera aditiva producido por Airbus es un 30% más ligero que su predecesor sin comprometer el rendimiento o la durabilidad.
En segundo lugar, sin necesidad de moldes ni herramientas fijas, cada pieza fabricada por una máquina puede ser única, allanando el camino para la personalización a gran escala. El fabricante de equipos de ensayo Vectoflow utiliza la fabricación aditiva para producir sondas a medida en aplicaciones de medición de flujo de fluidos. Su proceso de sinterización por microláser permite diseños compactos y complejos con formas aerodinámicas para minimizar el impacto en los flujos que se miden. Las sondas se fabrican en una variedad de materiales para adaptarse al entorno operativo requerido, incluyendo acero inoxidable, titanio y varias superaleaciones.
En tercer lugar, la eliminación de operaciones de fabricación de herramientas que requieren mucho tiempo acelera tanto el desarrollo como la fabricación del producto, lo que reduce el tiempo de comercialización. El complejo cabezal del inyector de combustible utilizado en el último cohete Ariane 6 se fabrica de manera aditiva como una sola pieza de aleación basada en níquel. Las iteraciones anteriores de esta pieza se soldaban a partir de 248 componentes mecanizados de manera individual.
Finalmente, la fabricación aditiva puede simplificar el mantenimiento y el soporte de productos sobre el terreno, reduciendo la necesidad de inventarios de piezas de repuesto al permitir la producción bajo demanda de artículos a partir de archivos digitales. El fabricante de automóviles Mercedes-Benz, por ejemplo, ahora usa la fabricación aditiva para fabricar repuestos para sus vehículos clásicos.

La carrera está en marcha
En 2020, 40 años después del desarrollo de las primeras máquinas comerciales, el análisis del sector de la fabricación aditiva mostraba que había crecido hasta convertirse en una industria de 13.400 millones de euros, con una tasa de crecimiento anual del 22%. El sector sigue siendo extremadamente dinámico, con más de 200 actores compitiendo por desarrollar nuevo hardware, software y materiales.
La rápida innovación está impulsando importantes mejoras en el rendimiento de las tecnologías de fabricación aditiva. Las nuevas generaciones de máquinas están superando muchas de las limitaciones percibidas en sus predecesoras, como permitir la fabricación de piezas sobresalientes sin la necesidad de elaboradas estructuras de soporte impresas, o crear piezas más resistentes a través del control del alineamiento de los refuerzos de fibra mediante campos magnéticos. La gama de materiales disponibles para los sistemas de fabricación aditiva continúa ampliándose, incluyendo aleaciones de aluminio de alta resistencia y polímeros de calidad médica.
Los sistemas de fabricación aditiva también se están volviendo más rápidos. Los recientes sistemas basados en la sinterizado selectivo por láser (SLS), por ejemplo, utilizan hasta un millón de diodos láser para acelerar la fabricación de piezas. Y las mejoras en el software y las tecnologías de posprocesamiento están agilizando aún más el recorrido de principio a fin, desde el concepto hasta el componente terminado. Las tecnologías de fabricación aditiva combinan muy bien con los sistemas de diseño generativo, que utilizan técnicas de IA para definir y optimizar la geometría de las piezas.
En muchos sectores, la fabricación aditiva está siendo ampliamente aceptada como la manera más rápida y rentable de fabricar prototipos funcionales durante el desarrollo y los ensayos de producto. Las tecnologías de fabricación aditiva también se están aplicando en una variedad cada vez mayor de aplicaciones “indirectas”, que incluyen herramientas, repuestos y accesorios para máquinas de fabricación convencionales.

Preparándose para el “prime time”
Sin embargo, aunque las empresas están abordando el uso de la fabricación aditiva para la fabricación directa de productos finales, la adopción a gran escala del enfoque sigue siendo limitada. Los fabricantes han mencionado cuatro barreras importantes para el uso de la fabricación aditiva:

• Hardware: La lenta velocidad y el limitado volumen de construcción disponible en la mayoría de las máquinas de fabricación aditiva restringen el rango de aplicaciones posibles. Estas máquinas también han resultado difíciles de integrar en los flujos de trabajo de la producción. Una célula de producción de fabricación aditiva industrial puede requerir que el usuario combine equipos de fabricación, posprocesamiento y manejo de materiales de diferentes proveedores.
• Software: El equipamiento de fabricación aditiva a menudo se basa en software de control específico del proveedor, con integración limitada entre diferentes máquinas o con el equipamiento y los sistemas de control de producción utilizados en toda la planta. La tecnología y los conocimientos necesarios para lograr una calidad uniforme y una productividad estable son difíciles de conseguir.
• Materiales: Hoy en día, incluso los materiales técnicos habituales son mucho más caros cuando se suministran de la manera adecuada para su transformación con equipos de fabricación aditiva. Los polímeros deben desarrollarse de manera especial en las máquinas de fabricación aditiva, un proceso complejo y que requiere mucho tiempo. Y la transformación adicional requerida para convertir las aleaciones metálicas en un tipo de polvo adecuado para las máquinas de fabricación aditiva incrementa de manera significativa su coste. Además, no hay suficientes materiales de fabricación aditiva disponibles, especialmente polímeros, que hayan sido completamente certificados para aplicaciones críticas de uso final.
• Servicios: Los usuarios industriales lamentan que actualmente los proveedores de equipos no brindan un alto nivel de soporte técnico más allá del necesario para instalar y poner en marcha el equipo. A los usuarios les gustaría disponer de más ayuda para afinar los diseños de componentes para poder adaptarse a procesos de fabricación específicos, por ejemplo, o encontrar formas de mejorar la calidad, la fiabilidad y la productividad de las máquinas una vez que comienza la producción.

Finalmente, los fabricantes se esfuerzan por determinar cómo los beneficiará la fabricación aditiva. Los ingenieros de diseño suelen tener un conocimiento limitado de las capacidades de los sistemas de fabricación aditiva o de cómo diseñar para la fabricación aditiva. El mero hecho de pasar en un componente existente de un proceso de fabricación convencional a un proceso de fabricación aditiva pocas veces es beneficioso. En cambio, los beneficios emergen cuando se explotan las capacidades exclusivas de la fabricación aditiva, como a través de la combinación de múltiples funciones en un solo componente para reducir la cantidad total de piezas en un ensamblaje o eliminar la necesidad de etapas posteriores de fabricación o procesos.