Avui en dia existeixen diferents tecnologies de fabricació industrial, cadascuna de les quals amb unes especificitats que la fan més apta per a aplicacions concretes. La fabricació additiva n’és una més, però no l’única, i val la pena entendre-les totes per poder tenir una visió global.
En primer lloc, cal parlar de la fabricació substractiva. En aquests casos, l’origen és un bloc de material de mides més grans que la geometria final que es vol aconseguir. Així doncs, s’arrenca material, eliminant-lo de forma selectiva creant poc a poc la peça desitjada. El mecanitzat, l’electroerosió o el tall són exemples de fabricació substractiva.
En el cas de la fabricació conformativa s’utilitza una matriu amb la forma de la geometria final, en la qual s’introdueix material que es va adaptant a aquesta forma. Alguns exemples són el motlle per injecció, la forja o embotició, el termoconformat o la pulvimetal·lúrgia.
Finalment tenim la fabricació additiva, on la peça es crea de forma directa, afegint material capa a capa. L’FDM, l’SLA o l’SLS són subtecnologies de la impressió 3D.
La fabricació additiva de prop
Malgrat per algunes persones la impressió 3D pot semblar una solució total per a la fabricació industrial, en realitat com qualsevol altra tecnologia té avantatges i inconvenients respecte a la resta de processos tradicionals. Comencem fent una ullada al cantó positiu.
Avantatges de la fabricació additiva:
- Llibertat en el disseny de peces complexes: Una de les seves principals virtuts és que permet crear peces amb una gran llibertat de disseny, cosa que no és possible amb altres tecnologies de fabricació. Aquesta autonomia és possible perquè la impressora 3D afegeix material capa a capa, de manera que es poden crear geometries amb poques limitacions. A més, la fabricació additiva també és una opció molt interessant per a empreses i professionals que necessiten crear peces personalitzades o adaptades a les seves necessitats específiques perquè el procés de fabricació no implica un encariment de la peça final.
- Integració de funcions: La fabricació additiva permet crear una sola peça que integri diferents funcions o components enlloc de crear diferents peces que després hagin de ser muntades. Així es poden obtenir peces més lleugeres que necessiten de menys temps d’elaboració i també amb avantatges pel que fa a la resistència i durabilitat, ja que la unió de peces pot suposar un punt feble
- Personalització: La personalització de les peces pren una nova dimensió amb la impressió 3D. Aquesta tecnologia no només permet crear peces úniques totalment adaptades a mides i necessitats molt específiques. També és possible crear peces amb funcionalitats concretes o dissenyar peces amb textures úniques que es fan realitat amb el procés de deposició de material capa a capa. Imagina les possibilitats que obre aquesta possibilitat en sectors com el disseny d’interiors o la moda
- Productes més lleugers: Dos tècniques de disseny que entren en joc en fabricació additiva permeten crear peces amb menys pes. D’una banda, gràcies a l’optimització topològica és possible maximitzar el rendiment i l’eficàcia del disseny eliminant material de les zones que no necessiten suportar grans càrregues mecàniques. Aquest procés de disseny s’obté a partir de càlculs d’elements finits (FEM) sota unes condicions inicials donades pel dissenyador. Per altra banda, gràcies al disseny generatiu, el programa genera la forma final de la peça segons les mateixes condicions donades en l’optimització topològica però sense material previ que extreure, sinó que genera els “camins mínims” de material necessari per a suportar les càrregues dins un volum predeterminat. Gràcies a aquestes dues tècniques de disseny, s’aconsegueix reduir el pes de les peces i, al mateix temps, augmentar la seva resistència i durabilitat.
- Productes multimaterial: Algunes tecnologies d’impressió 3D poden aplicar simultàniament diversos materials durant el procés de fabricació. Això permet, per exemple, reforçar les propietats mecàniques de la peça final aplicant fibra de carboni a la mateixa impressió, o incloure diferents colors o dureses per a poder crear un model quirúrgic.
- Ràpida instal·lació: Amb els processos substractius generalment s’han de crear motlles o instal·lar màquines de producció pesada, i això té una incidència en el temps que allarga el cicle de fabricació. Una impressora 3D, per contra, es pot instal·lar amb facilitat -depenent de la tecnologia, és clar-. A més, podem obtenir una o varies peces en qüestió d’hores sense la necessitat d’eines especials.
- Reducció de costos i errors: Amb la possibilitat que ens brinda aquesta tecnologia de crear productes d’una sola peça evitant assemblatges, es limita també la possibilitat de cometre errors durant el procés productiu. Pel que fa als costos, el fet de poder crear utillatges a mida i només utilitzar-los quan sigui necessari, pot disminuir costos i/o processos intermedis com, per exemple, la necessitat de disposar d’una nau industrial per guardar tots aquests elements que només s’utilitzen en una producció.
- Reducció del time-to-market de nous dissenys: L’ús de la impressió 3D en la fabricació de prototips ha permès accelerar l’entrada al mercat de molts productes per la rapidesa amb que s’aborda la fabricació entre iteracions.
En aquest marc, el següent pas lògic és l’adopció de la fabricació additiva com a tecnologia de fabricació de producte final. Actualment, però, ja trobem alguns casos on s’està produint la peça final amb impressió 3D: protectors bucals o models dentals per a termoconformat en l’àmbit dental, ulleres a mida, plantilles de peu a mida o soles de sabates.
Com dèiem, malgrat la impressió 3D està sent revolucionària en molts aspectes, com tota tecnologia emergent, també té alguns inconvenients. És el moment d’explorar alguns dels problemes més comuns d’aquesta tecnologia.
Inconvenients de la fabricació additiva:
- Inadequada per grans sèries de producció: La inversió en motlles d’injecció es veu amortitzada en la fabricació de grans volums de peces. En canvi, el cost unitari per peça amb fabricació additiva es manté sempre constant.
- Poca varietat de materials de producció: La gamma d’opcions en materials que disposa aquesta tecnologia tant en metalls com en altres materials és gran, però no és comparable amb la que es pot treballar amb fabricació substactiva i conformativa. Tenint en compte, a més, que el cost d’aquests materials acostuma ser més elevat en fabricació additiva.
- Acabat superficial de les peces i velocitat de fabricació: El procés de fabricació capa a capa acaba afectant a l’estètica superficial de la peça. La solució, que passaria per disminuir l’espessor de la capa, afecta directament al temps total de fabricació, allargant-lo. Comparativament, doncs, el temps de fabricació és lent comparat amb mètodes substractius.
- Qualitat del producte i repetibilitat de procés: La impressió 3D no sempre pot assegurar la fiabilitat en la repetibilitat del procés. Què vol dir això? Que les peces no sempre tenen la mateixa qualitat. Aquest problema té incidència en les propietats físiques de les peces (en l’elasticitat o la duresa, per exemple) i això complica aconseguir certificació de produccions en sectors com el mèdic o l’aeronàutic.
- Limitació en la mida de les peces: El volum de la peça final estarà lligat al volum d’impressió. Això vol dir que estem limitats per la mida de la impressora 3D.
- Cost de l’equipament i productivitat: Actualment el cost de les màquines industrials d’impressió 3D és elevat, i això afecta el preu de la peça final. Com sempre passa amb tota nova tecnologia, la previsió és que aquest cost es redueixi a mida que es generalitzi l’aplicació de cada tecnologia de fabricació additiva.
Quan utilitzarem fabricació substractiva o additiva?
En termes generals, els fabricants acostumen a utilitzar peces impreses en 3D per a crear productes personalitzats, amb un volum de producció baix o per fabricar recanvis fora d’stock. En canvi, opten per processos substractius en metall a l’hora de crear volums alts de producció o peces que requereixen d’altres propietats mecàniques.
Malgrat tot, tant la fabricació substractiva com la fabricació additiva, es poden fer servir en paral·lel i en diferents etapes del desenvolupament i fabricació de productes per aprofitar els avantatges de cada procés. Per exemple, en la fabricació de prototips es combinen els dos tipus de fabricació. Utilitzant ambdós processos en paral·lel, es pot crear una peça final més complexa i amb millors propietats mecàniques
Els primers prototips, ja siguin només volumètrics o funcionals, acostumen a ser més econòmics i ràpids de produir amb tecnologies d’ impressió 3D com l’SLA, l’SLS o l’FDM. També es poden combinar amb peces metàl·liques produïdes per CNC.
Alguns exemples concrets en que es poden fer servir de manera complementària ambdues tecnologies són la producció d’utillatges, dispositius de subjecció i fixació, suports, motlles i patrons d’estampació.