Hoy en día existen diferentes tecnologías de fabricación industrial, cada una de las cuales con unas especificidades que la hacen más apta para aplicaciones concretas. La fabricación aditiva es una más, pero no la única, y merece la pena entenderlas todas para poder tener una visión global.
En primer lugar, existe un tipo de fabricación que es substractiva. En estos casos, el origen es un bloque de material de medidas más grandes que la geometría final a conseguir. Así pues, se arranca material, eliminándolo de forma selectiva para crear poco a poco la pieza deseada. El mecanizado, la electroerosión o el corte son ejemplos de fabricación substractiva.
En el caso de la fabricación conformativa se utiliza una matriz con la forma de la geometría final, en la cual se introduce material que se va adaptando a esta forma. Algunos ejemplos son el molde por inyección, la forja o embutición, el termoconformado o la pulvimetalurgia. Finalmente tenemos la fabricación aditiva, donde la pieza se crea de forma directa, añadiendo material capa a capa. El FDM, el SLA o el SLS son subtecnologías de la impresión 3D.
La fabricación aditiva de cerca
Aunque algunas personas pueden ver la impresión 3D como una solución completa para toda la fabricación industrial, en realidad como cualquier otra tecnología tiene ventajas e inconvenientes respecto al resto de procesos tradicionales. Echemos un vistazo al lado positivo.
Ventajas de la fabricación aditiva:
- Libertad en el diseño de piezas complejas: Una de sus principales virtudes es que permite crear piezas con una gran libertad de diseño, cosa que no es posible con otras tecnologías de fabricación. Esta autonomía es posible porque la impresora 3D añade material capa a capa, y esto permite que se pueden crear geometrías con pocas limitaciones. Además, la fabricación aditiva también es una opción muy interesante para empresas y profesionales que necesitan crear piezas personalizadas o adaptadas a sus necesidades específicas, porque el proceso de fabricación no implica un encarecimiento de la pieza final.
- Integración de funciones: La fabricación aditiva permite crear una sola pieza que integre diferentes funciones o componentes en vez de crear diferentes piezas que después tengan que ser montadas. Así se pueden obtener piezas más ligeras que necesitan de menos tiempo de elaboración y también con ventajas en cuanto a la resistencia y durabilidad, porqué la unión de piezas deja de suponer un punto débil.
- Personalización: La personalización de las piezas toma una nueva dimensión con la impresión 3D. Esta tecnología no solo permite crear piezas únicas totalmente adaptadas a medidas y necesidades muy específicas. También es posible crear diseños con funcionalidades concretas o diseñar piezas con texturas únicas que se hacen realidad gracias al proceso de deposición de material capa a capa. Imagina las posibilidades que abre esta ventaja en sectores como el diseño de interiores o la moda.
- Productos más ligeros: Existen dos técnicas de diseño que entran en juego en la fabricación aditiva, gracias a las cuales podemos crear piezas con menos peso. Por un lado, mediante la optimización topológica es posible maximizar el rendimiento y la eficacia del diseño eliminando material de las zonas que no necesitan soportar grandes cargas mecánicas. Este proceso de diseño se obtiene a partir de cálculos de elementos finitos (FEM) bajo unas condiciones iniciales dadas por el diseñador. Por otro lado, gracias al diseño generativo, el programa genera la forma final de la pieza según las mismas condiciones dadas en la optimización topológica, pero sin material previo que extraer, sino que genera los “caminos mínimos” de material necesario para soportar las cargas dentro de un volumen predeterminado. Gracias a estos dos métodos de diseño, se consigue reducir el peso de las piezas y, al mismo tiempo, aumentar su resistencia y durabilidad.
- Productos multimaterial: Algunas tecnologías de impresión 3D pueden aplicar simultáneamente varios materiales durante el proceso de fabricación. Esto permite, por ejemplo, reforzar las propiedades mecánicas de la pieza final aplicando fibra de carbono a la misma impresión, o incluir diferentes colores o durezas para poder crear un modelo quirúrgico.
- Rápida instalación: Con los procesos sustractivos generalmente se tienen que crear moldes o instalar máquinas de producción pesada, y esto tiene una incidencia en el tiempo que alarga el ciclo de fabricación. Una impresora 3D, en cambio, se puede instalar con facilidad -dependiendo de la tecnología, claro-. Además, podemos obtener una o varias piezas en cuestión de horas sin la necesidad de herramientas especiales.
- Reducción de costes y errores: Con la posibilidad que nos brinda esta tecnología de crear productos de una sola pieza evitando ensamblajes, se limita también la posibilidad de cometer errores durante el proceso productivo. En cuanto a los costes, el hecho de poder crear utillajes a medida y solo utilizarlos cuando sea necesario, puede disminuir costes y/o procesos intermedios como, por ejemplo, la necesidad de disponer de una nave industrial para guardar todos estos elementos que solo se utilizan en una producción.
- Reducción del time-to-market de nuevos diseños: El uso de la impresión 3D en la fabricación de prototipos ha permitido acelerar la entrada al mercado de muchos productos por la rapidez con que se aborda la fabricación entre iteraciones.
En este marco, el siguiente paso lógico es la adopción de la fabricación aditiva como tecnología para crear producto final. Actualmente, pero, ya encontramos algunos casos donde se está produciendo la pieza final con impresión 3D: protectores bucales o modelos dentales para termoconformado en el ámbito dental, gafas a medida, plantillas de pie a medida o suelas de zapatos.
Cómo decíamos, a pesar de que la impresión 3D está siendo revolucionaria en muchos aspectos, como toda tecnología emergente, también tiene algunos puntos débiles. Es el momento de explorar algunos de los problemas más comunes de esta tecnología.
Inconvenientes de la fabricación aditiva:
- Inadecuada para grandes series de producción: La inversión en moldes de inyección se amortiza cuando se fabrican grandes volúmenes de piezas. En cambio, el coste unitario por pieza con fabricación aditiva se mantiene siempre constante.
- Poca variedad de materiales de producción: La gama de materiales que dispone esta tecnología tanto en metales como en otras materias es grande, pero no es comparable con la que se puede trabajar con fabricación sustactiva y conformativa. A esto hay que añadir que el coste de estos materiales acostumbra ser más elevado en fabricación aditiva.
- Acabado superficial de las piezas y velocidad de fabricación: El proceso de producción capa a capa acaba afectando a la estética superficial de la pieza. La solución, que pasaría por disminuir la espesura de la capa, afecta directamente al tiempo total de fabricación, alargándolo. Comparativamente, pues, el tiempo de fabricación es lento en relación con métodos sustractivos.
- Calidad del producto y repetibilidad de proceso: La impresión 3D no siempre puede asegurar la fiabilidad en la repetición del proceso. ¿Qué quiere decir esto? Que las piezas no siempre tienen la misma calidad. Este inconveniente tiene incidencia en las propiedades físicas de las piezas (en la elasticidad o la dureza, por ejemplo) y esto complica conseguir certificación de producciones en sectores como el médico o el aeronáutico.
- Limitación en la medida de las piezas: El volumen de la pieza final estará ligado al volumen de impresión. Esto quiere decir que estamos limitados por la medida de la impresora 3D.
- Coste de la maquinaría y productividad: Actualmente el coste de las máquinas industriales de impresión 3D es elevado, y esto afecta el precio de la pieza final. Como siempre pasa con toda nueva tecnología, la previsión es que este coste se reduzca a medida que se generalice la aplicación de cada tecnología de fabricación aditiva.
¿Cuándo utilizaremos fabricación sustractiva o aditiva?
En términos generales, los fabricantes acostumbran a utilizar piezas impresas en 3D para crear productos personalizados, con un volumen de producción bajo o para fabricar recambios fuera de stock. En cambio, optan por procesos sustractivos en metal a la hora de crear volúmenes altos de producción o piezas que requieren de otras propiedades mecánicas.
A pesar de todo, tanto la fabricación sustractiva como la fabricación aditiva, se pueden usar en paralelo y en diferentes etapas del desarrollo de productos para aprovechar las ventajas de cada proceso. Por ejemplo, en la fabricación de prototipos se combinan los dos tipos de producción en paralelo, porque se puede crear una pieza final más compleja y con mejores propiedades mecánicas
Los primeros prototipos, ya sean solo volumétricos o funcionales, acostumbran a ser más económicos y rápidos de producir con tecnologías de impresión 3D como la SLA, la SLS o el FDM. También se pueden combinar con piezas metálicas producidas por CNC.
Algunos ejemplos concretos en que se pueden usar de manera complementaria ambas tecnologías son la producción de utillajes, dispositivos de sujeción y fijación, apoyos, moldes y patrones de estampación.