La fabricación de una pieza en general se puede realizar empleando diferentes técnicas de fabricación clásicas basadas en la fundición, deformación plástica o arranque de material. La selección de uno de estos métodos se suele realizar en función de los requisitos mecánicos de la pieza, del coste, del material, del acabado superficial, tamaño, geometría de la pieza, etc. En la mayoría de los casos se trata de procesos de fabricación muy maduros, cerca del óptimo de la tecnología, por lo que el rendimiento de los procesos es muy elevado. Sin embargo, en muchos casos es necesario diseñar una serie de utillajes, moldes o similares, específicos para cada pieza. Además, suelen ser procesos muy rígidos, en el sentido de que un pequeño cambio de diseño en la pieza a fabricar puede involucrar grandes cambios en el proceso e incluso rediseñar toda una serie de útiles de nuevo.
Por otro lado, existe una doble tendencia del mercado: la reducción de tiempos de entrega y la adaptación del producto al cliente. En primer lugar, la demanda de reducción de tiempos de entrega exige optimizar al máximo los tiempos de diseño, fabricación, puesta a punto, etc. lo que conlleva a solapar en muchas ocasiones las fases de diseño y fabricación al máximo. Por otro lado, es cada vez menos habitual encontrarse con una fabricación masiva de piezas iguales, ya que este tipo de piezas se están fabricando en países de bajo coste. Así, la tendencia del mercado obliga a cambiar el diseño de los componentes con una mayor frecuencia y, en ocasiones, a fabricar piezas “exclusivas” con pequeñas diferencias para cada cliente. Ante este escenario, las empresas auxiliares de sectores como el aeronáutico o el de automoción están sometidas a una continua presión ya que además de la exigencia de los plazos, es posible que reciban cambios de diseño de la geometría en fases avanzadas del proyecto, por lo que es necesario flexibilizar al máximo los procesos de fabricación.
Una de las técnicas que mayor interés está suscitando y que puede ayudar a los fabricantes a acometer este tipo de retos es la aparición de los métodos de aporte selectivo de material. Estos procesos se basan en añadir material sobre un material base o substrato mediante sucesivas capas de material que se aporta desde el exterior. En función del número de capas, la forma de éstas y la localización de la zona donde se ha aportado material, se consigue la geometría deseada. Existen varias formas de unir el material de aporte con el material base, como por ejemplo la fusión y resolidificación posterior de ambos materiales. Este tipo de unión genera una capa de material añadido con una unión metalúrgica de alta calidad capaz de resistir altas tensiones mecánicas y térmicas.
Dos procesos de fabricación
En general, los procesos de fabricación por aporte de material se pueden dividir en dos grandes grupos. Por un lado, los procesos que parten de polvos predepositados y que van consolidando el material una vez que se ha depositado una fina capa de polvos sobre la capa anterior. Suelen ser procesos cuyo objetivo es la fabricación directa de piezas en materiales metálicos o polímeros y en general suelen ser soluciones integradas, en las que el usuario únicamente introduce el modelo CAD de la geometría que desea consolidar y una serie de parámetros de proceso para obtener la pieza final. Posiblemente el ejemplo más conocido y extendido de este tipo de técnicas sea el Sinterizado Selectivo por Láser (SLS), aunque existen otras técnicas como el Selective Laser Melting (SLM) de MCP o el Laser Cusing de Concept Laser, que obtienen piezas de forma directa. Estas técnicas se suelen utilizar para la fabricación de pequeñas piezas, como implantes médicos, insertos para moldes de inyección, electrodos, etc.
Por otro lado, existen otras técnicas que aportan el material en polvo directamente sobre la pieza. Para ello se combina un haz láser que funde la superficie de la pieza, con una boquilla de alimentación que proyecta el material de aporte en el lugar donde incide el láser, de forma que el material aportado genera un recubrimiento en la zona fundida por el láser. Este tipo de técnicas se utiliza fundamentalmente para realizar reparaciones o recubrimientos sobre piezas de alto valor añadido.
Fabricación rápida con polvos predepositados
Los sistemas de fabricación rápida mediante polvos predepositados son, como ya se había indicado antes, la evolución natural de las técnicas de prototipado rápido. Este tipo de sistemas incorporan en general un láser, lo suficientemente potente como para fundir una amplia gama de materiales que se suministran en forma de polvo. Así, el rango de materiales que se pueden procesar es mucho más amplio que en las técnicas de prototipado rápido, ya que no se depende de un fotopolímero concreto como los utilizados en la estereolitografía. El método de fabricación de piezas utilizando este tipo de máquinas es muy parecido al utilizado en las máquinas de Rapid Prototyping, ya que se parte de una geometría 3D CAD en formato STL y se realiza una fase denominada slicing, que consiste simplemente en dividir el modelo en diferentes capas de un espesor que puede oscilar entre 20 y 150 mm. Posteriormente se utiliza una regla motorizada que distribuye el polvo por la mesa de la máquina dejando un espesor uniforme e igual al calculado en la fase anterior. Una vez retirada la regla, un sistema de espejos, denominado escáner, dirige el haz láser a aquellas zonas donde es necesario consolidar el polvo para formar así una capa completa. La repetición de este proceso capa a capa genera el modelo 3D final.
Tal y como se ha introducido anteriormente, dentro de este tipo de técnicas existe un gran número de patentes y sistemas. A pesar de que todos utilizan el esquema presentado en la Figura 3, existen grandes diferencias en cuanto a la forma de conseguir la consolidación de las partículas. De esta forma, se habla de métodos de unión directos e indirectos.
Fabricación rápida mediante deposición directa de material
Otro método de aporte selectivo de material se basa en la deposición directa de material en una zona localizada utilizando una boquilla de aporte de material en polvo o un alimentador de hilo. Este tipo de técnicas son de especial utilidad para la reparación de componentes o el aporte de material en alguna zona donde existe algún cambio de diseño. Este tipo de métodos, al contrario que los anteriores, no suelen ser soluciones cerradas, sino que se trata de equipos montados por los propios usuarios como una suma de dispositivos (láser, sistema de aporte de material, máquinas CNC o robots...). Así, estos sistemas obligan a controlar un alto número de parámetros, ya que al contrario que los sistemas comerciales de aporte de material como el SLS o el SLM, en este caso es el propio usuario quien tiene que adaptar todos los parámetros en función de su problemática concreta. De esta forma, es necesario buscar el equilibrio óptimo entre la potencia del láser, la velocidad de aporte del hilo y la velocidad de avance del haz láser.
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