El avance de la tecnología ha facilitado la creación de sistemas de fabricación de objetos de manera inversa que, en lugar de “sustraer” material para formar una pieza, este “adiciona” la materia prima en capas hasta lograr la forma deseada. Es lo que se llama manufactura aditiva, la manera más innovadora de crear objetos que combina el diseño digital y la impresión tridimensional.

La manufactura aditiva reúne una serie de tecnologías que utilizan equipos y materiales diferentes para realizar impresión 3D. Su evolución es constante y aunque parezca increíble, su origen es reciente, ¡apenas 30 años atrás se inventaba la primera impresora 3D!

El origen de la impresión 3D

Entre 1980 y 1990 en el MIT (Instituto Tecnológico de Massachusetts, EE. UU.), el profesor de ingeniería Emanuel Sachs inventó la primera máquina para “impresión por chorro de aglutinante” a la cual le puso el nombre de impresora 3D. Esta fue la primera de las muchas técnicas de fabricación aditiva que aparecerían en los años siguientes.

La posibilidad de crear un objeto tridimensional con una impresora se transformó en realidad y el método se fue perfeccionando a través del tiempo. Asimismo, la utilización de los principios de la ingeniería digital permitió desarrollar más tecnologías, aumentar la eficiencia de los procesos y ampliar la gama de materiales que se pueden usar para la fabricación de objetos tridimensionales.

Hoy en día, la manufactura aditiva se aplica a numerosas actividades, gracias a su versatilidad y capacidad de adaptación para integrarse a los procesos productivos y a muchos tipos de materiales.

¿Cómo es el proceso de la manufactura aditiva?

La creación de piezas tridimensionales comienza con el trabajo del diseñador en un software de modelado 3D o Computer Aided Design (CAD). Toda la información de esta etapa se guarda en un archivo digital.

La siguiente parte del proceso consiste en enviar los datos a la impresora 3D para que moldee el objeto en una técnica de capa por capa de material que se fusiona hasta lograr la forma deseada. Para esto, la impresora va depositando el material en planos desde la base, siguiendo las órdenes del archivo de diseño y utilizando los materiales que en cada caso se hayan elegido.

 ¿Qué materiales utilizan las impresoras 3D?

Los materiales para hacer los objetos con manufactura aditiva se eligen de acuerdo a qué tipo de pieza se va a fabricar. Los más utilizados son:

Ácido poliláctico (PLA)

Un poliéster fabricado a base de maíz que tiene gran variedad de colores. Este compuesto admite la mezcla de filamentos naturales como café, corcho, piedra arenisca, bambú, cáñamo y madera, además de contar con una variedad biodegradable fabricada a base caña de azúcar o de almidón.

Acrilonitrilo butadieno estireno (ABS)

Es un material económico y muy resistente, ideal para piezas que requieren durabilidad.

Laywoo-d3

Un filamento para impresión cuyo principal componente es la madera. Los objetos impresos con este elemento se pueden lijar y pintar, por eso se usa mucho para diseñar piezas decorativas y de DIY.

High Impact Polystyrene (HIPS)

Es un material de gran dureza y que tiene la ventaja de ser soluble, por ello se usa para imprimir objetos que necesitan un soporte que luego debe ser retirado.

Acrilonitrilo estireno acrilato (ASA)

Similar al ABS, pero con mayor resistencia a los rayos UV.

Tereftalato de polietileno (PET)

Ideal para fabricar piezas que estén en contacto con alimentos, ya que es completamente inoloro. Con el agregado de glicol para aumentar su resistencia, se lo conoce como PETG. Ambas variantes tienen el valor agregado de ser 100% reciclables.

Policarbonato (PC)

Un compuesto de alta resistencia y de aspecto transparente que se usa para fabricar piezas como ópticas para autos y pantallas protectoras.

Polímeros de alto rendimiento (PEEK, PEKK, ULTEM)

Con cualidades similares a los metales, pero con la ventaja de ser mucho más ligeros y resistentes. Se usan en el sector automotriz, médico y aeroespacial.

Poliamidas o Nylon

Un material biocompatible que puede usarse para imprimir objetos 3D para usos médicos y también para estar en contacto con alimentos.

Composites

Que resultan de agregar fibras a los termoplásticos (ABS o PLA) aumentando su rigidez para tener piezas ligeras, pero más fuertes y sin aumentar su peso. Las más usadas para adicionar son las fibras de carbono y, en menor medida, las de kevlar y vidrio.

Resinas (para impresión 3D con método de fotopolimerización)

Son ideales para diseños con un alto nivel de detalles, siendo un material perfecto para aplicaciones como la odontología, la ingeniería y la joyería.

Alúmina

Esta mezcla de polvo de aluminio y poliamidas da como resultado un material con terminaciones de aspecto poroso y un color similar al aluminio. Se usa para piezas de diseño complejas que necesitan tener apariencia metálica.

Otros metales

Que son compatibles con la manufactura aditiva, por ejemplo, el aluminio y el acero utilizados para piezas automotrices o aeronáuticas, también el cobalto-cromo y el titanio para aplicaciones médicas gracias a la propiedad de la biocompatibilidad. En joyería se pueden fabricar diseños complejos con oro, plata y bronce.

Tipos de manufactura aditiva

La elección de la tecnología de fabricación aditiva más apta para tu actividad la defines teniendo en cuenta los costos de inversión, los tipos de materiales de tus productos y la necesidad o no de elegir color. La cantidad de tecnologías es muy amplia, siendo las siguientes las más utilizadas:

Impresión por extrusión: modelado por deposición fundida

La tecnología FDM (Fused Deposition Modeling), utiliza el método de la extrusión de materiales que se aplican a través de boquillas de impresión y se depositan por capas siguiendo un diseño.

Es la más utilizada gracias a los bajos costos de las impresoras y una oferta de marcas de excelente calidad y servicio post-venta (Raise 3D. Ultimaker, BCN3D). Además, el material a utilizar también es muy asequible y admite muchos formatos diferentes, desde termoplásticos como el PLA o el ABS, hasta nylon, policarbonatos y composites, generando objetos en una gama de colores muy amplia.

Por último, un aspecto muy importante es que las impresoras 3D FDM son dispositivos de fácil uso y el aprendizaje es sencillo para cualquier operario medianamente cualificado.

Inyección aglutinante o Binder Jetting

En este proceso de manufactura aditiva intervienen dos elementos: una base de polvo y un líquido aglutinante. La impresora va formando la pieza con esta mezcla y a medida que avanza, los materiales (yeso, metales, arena, cerámicas o polímeros) se solidifican gracias al aglutinante, para formar una pieza resistente y durable.

Fotopolimerización por luz

Como su nombre lo indica esta técnica manipula la luz para fabricar objetos en 3D por alguno de estos métodos:

Sintetizado selectivo por láser (SLS – Selective Laser Sintering)

Utiliza la tecnología láser de alta potencia para fusionar los materiales en el formato tridimensional del modelo que se ha diseñado previamente. Los filamentos más utilizados para este tipo de manufactura aditiva son los de nylon, además de diversos termoplásticos industriales.

Estereolitografía (SLA)

Una tecnología muy popular en el ámbito profesional por sus excelentes resultados ya que con ella tienes mayor precisión en los detalles y un muy buen acabado. Para la fabricación con estas impresoras se usa resina fotopolimerizable que se moldea con láser. Con la misma técnica, pero usando como fuente de luz un proyector, se desarrolló la tecnología DLP.

Impresión por fusión de lecho de polvo

El sistema PBF (Powder Bed Fusion), imprime objetos a través del depósito de capas de material en polvo que se funden con la intervención de una fuente de energía. La ventaja de este método es que permite utilizar metales, por lo que es apropiada para fabricar piezas muy resistentes.

La particularidad de esta forma de impresión es que puede hacerse con tecnologías diferentes como:

• Electron Beam Melting (EBM): cuya fuente de energía es un haz de electrones.
• Direct metal laser sintering (DMLS): que utiliza un láser en una cámara inerte de argón para la fusión.
• Selective Laser Sintering (SLS): que funde por láser los componentes en polvo.

Independientemente del tipo de tecnología de impresión 3D, una de las principales cualidades de esta manufactura aditiva es su versatilidad, esto hace que su posibilidad de aplicación pueda abarcar muchos rubros, con el valor agregado de brindar beneficios en todo ellos.

20 Beneficios de la impresión 3D y la manufactura aditiva

1. Creatividad máxima en los diseños;
2. componentes aditivos livianos, durables y eficientes;
3. fabricación de una sola pieza, sin uniones ni soldaduras;
4. generación de menor cantidad de material de desecho;
5. personalización de diseños;
6. creación rápida de prototipos para pruebas;
7. producción de acuerdo a demanda;
8. libertad completa en cuanto al diseño;
9. adaptación de las piezas a diferentes públicos, mercados y funcionalidades;
10. conversión de un archivo en una pieza digital en muy poco tiempo;
11. ligereza de las piezas impresas lo que se transfiere en un menor consumo de energía para funcionar;
12. optimización del diseño que permite aprovechar mejor los materiales.
13. sin problemas de stock;
14.  ahorro en costos de producción al reducir proveedores;
15. reducción de riesgos de inversión, al permitir el rediseño de prototipos y resolver errores antes de entrar en producción;
16. piezas finales resistentes y de alta durabilidad;
17.  integración perfecta a los modelos;
18. tiradas cortas y máquinas compactas que consumen menos energía;
19. amortización rápida de la inversión al agilizar el proceso productivo;
20. variedad de materiales y colores.

Campos de aplicación de la impresión 3D

El crecimiento del uso de la manufactura aditiva es un proceso que se está desarrollando en este mismo momento. El dinamismo de esta tecnología y la inercia de los cambios nos permiten decir que sus campos de aplicación son innumerables.

En la actualidad, las áreas donde más se utiliza esta tecnología son:

Medicina

Se está experimentando en el uso la impresión 3D para la creación de distintas partes del cuerpo como órganos, huesos y tejidos, con base en escaneos tomográficos.

Investigaciones en ciencias.

Una impresora 3D es de gran utilidad para reproducir objetos de estudio de diferentes ciencias con el fin de realizar investigaciones.

La generación de tejidos artificiales con muchas propiedades de los naturales, permite a los científicos tener un modelo para las pruebas de campo en la investigación en la rama farmacéutica, la genética, la quirúrgica y otras especialidades.

Otros ejemplos son la Paleontología que puede utilizar reconstrucciones de fósiles, la Arqueología de piezas de valor cultural, la Antropología y la Ciencia Forense pueden beneficiarse al contar con réplicas de partes del cuerpo humano para indagar sobre aspectos que atañen a cada disciplina.

 Educación

La impresión 3D puede aplicarse en disciplinas como el arte, las matemáticas, la tecnología, las ciencias sociales y naturales. Podríamos afirmar que es un dispositivo de gran utilidad para usar en proyectos pedagógicos integrales del modelo de educación STEAM – Science, Technology, Engineering, Arts, Mathematics.

 Arquitectura y diseño

Uso de la tecnología para el prototipado de diseños industriales, de indumentaria, de objetos decorativos, así como piezas para proyectos de arquitectura.

El diseño de moda es una de las actividades que más rápido incorporó la innovación de la impresión 3D en la creación de zapatos, joyas y accesorios.

 Gastronomía

Se están utilizando impresoras 3D para crear platos personalizados, especialmente a base de chocolate y azúcar.

 Industrias

En el campo aeroespacial agencias como la NASA y proveedores de satélites utilizan la manufactura aditiva para elaborar sus propios repuestos.

Las automotrices, las fábricas de electrodomésticos, de aparatos electrónicos y muchas otras trabajan con impresoras 3D para tener piezas ligeras, resistentes, fáciles de ensamblar y con una velocidad de prototipado y producción muy superior a la de los métodos tradicionales.

 ¿Por qué utilizar la manufactura aditiva en tu empresa?

En la actualidad, las empresas necesitan optimizar sus procesos y reducir sus costos operativos para lograr una mayor competitividad en un mercado globalizado.

Además, las mismas requieren de una adaptación de sus modelos de gestión y producción a la nueva realidad. Para ello, es necesario hacer cambios que incluyan la incorporación de tecnologías modernas como la manufactura aditiva.

Para que comprendas cuál puede ser el alcance de esta transformación cuando elijas a la impresión 3D como parte del sistema productivo de tu empresa, compartimos contigo las soluciones más relevantes que esta tecnología te ofrece.

Beneficios de la impresión 3D para las empresas

1. Reducción de costos

La implementación de la manufactura aditiva reduce la cadena de suministros y con ello las intermediaciones que encarecen los productos.

Por otro lado, esta tecnología utiliza mucho menos materia prima, alcanzándose porcentajes de reducción del 70% y de hasta el 95% para piezas huecas. Además, con la fabricación a través de un método sustractivo se produce gran cantidad de desperdicio que se traduce en pérdidas económicas, mientras que en la impresión 3D los desechos son casi inexistentes.

Todos estos factores generan un ahorro significativo en los costos de producción con respecto a los sistemas tradicionales.

2. Producción a demanda y menor escala

La manufactura aditiva hace posible trabajar a menor escala, con una producción basada en la demanda que resulte rentable y competitiva.

Los diseños customizados, la planificación de los pedidos y la posibilidad de producir en pequeñas cantidades permite una estructura de costos reducida y niveles de ganancias mejores que los de la fabricación tradicional.

Esto es especialmente interesante para pequeñas y medianas empresas que no tienen posibilidad de producir en grandes cantidades.

 3. Mayor rapidez y eficiencia en los procesos

Con la impresión 3D ensamblada al funcionamiento de tu empresa, los procesos de creación, diseño, prototipo, producción, lanzamiento y ventas, puede llevarse a cabo en unos pocos días.

En una publicación del Massachussets Institute of Technology (MIT News), la profesora de ingeniería mecánica y directora del Laboratorio de Ideación del MIT, María Yang, ha expresado sobre las ventajas de la impresión 3D:

“Ahora puedes crear docenas de diseños en CAD, ingresarlos en una impresora 3D y en cuestión de horas tener todos tus prototipos.”, y sigue “Te brinda un nivel de exploración del diseño que antes no era posible.”

“Rapid Prototyping” y “Rapid Manufacturing” son los conceptos que se introducen con la adopción de la manufactura aditiva.

Otro aspecto importante que debes conocer es que instalar un taller de prototipos en tu organización es mucho más accesible, fácil de operar y mantener que tener los equipos tradicionales (CNC o fresadoras). Con esto evitas las demoras de tener que acudir a otros proveedores y logras mayor eficiencia en los tiempos de producción y entregas.

Además, si cuentas con un equipo 3D, tienes la ventaja de que la realización del prototipado que puede modificarse las veces que sea necesario hasta su versión definitiva, con la posibilidad de replicar y reversionar el producto rápidamente.

4. Diseños personalizados y complejos

En los métodos tradicionales de fabricación los diseños se adaptaban a las herramientas, las máquinas o los moldes, con la impresión 3D esto queda en el olvido. Un diseñador puede imaginar un objeto sin esa limitación y por más que su forma sea intrincada, podrá hacerlo realidad con esta tecnología.

¡Incluso las geometrías complejas se rinden ante un proceso de manufactura aditiva!

Por otro lado, el abanico de posibilidades se amplía al poder fabricar objetos personalizados y adaptados para diferentes tipos de público, solo cambiando el diseño en el software y siempre utilizando el mismo dispositivo de impresión.

Por último, las últimas tendencias en el diseño están íntimamente relacionadas con las bondades que la manufactura aditiva puede ofrecer. Las herramientas de innovación como el diseño generativo o el software de optimización topológica son capaces de generar creaciones únicas pensadas para ejecutar a través de la impresión 3D.

5. Digitalización de catálogos

Si tienes un negocio que vende piezas o partes, la digitalización de catálogos podría transformarse en una solución efectiva para ofrecer archivos digitales de productos descargables para imprimir.

De este modo tus clientes solo deben ingresar a tu catálogo digital, descargarse e imprimirse en su casa, por ejemplo, un repuesto para la lavadora o para el coche. Muchas grandes empresas grandes como Boulanger, fabricante francés de electrodomésticos y la gigante automotriz Volkswagen, ya están trabajando en este sentido.

6. Impronta sostenible

Agregar valor a las empresas es parte de la evolución de las mismas y la impresión 3D es una gran oportunidad para afianzar tu identidad de marca basada en la plusvalía de la sostenibilidad.

Esto es porque la manufactura aditiva suma a tu negocio procesos que aprovechan la materia prima al máximo, no generan desechos y son capaces de producir piezas un 80% más rápido, lo que se traduce en ahorro de energía y ventajas competitivas.

Todo ello conforma una ecuación positiva en la que cuidas al mismo tiempo el medio ambiente, la economía de tu negocio y tu imagen empresarial.

La industria 4.0, la impresión 3D y la IOT

Se dice que estamos en medio de la cuarta revolución industrial, donde la digitalización y la robotización son protagonistas. En este contexto, ha surgido la necesidad de la adaptación de los métodos de producción, transformando a las fábricas tradicionales en industrias 4.0, donde la impresión 3D juega un papel fundamental.

Las modificaciones que deben asumirse en las empresas implican la comprensión de un paradigma nuevo, donde la gestión de muchos procesos es inalámbrica y remota y está asociada al ecosistema digital de la internet de las cosas IOT (Internet of Things).

Esta forma de trabajo innovadora ya se está aplicando en grandes industrias y organizaciones con el fin de optimizar los recursos y agilizar su funcionamiento.

El desafío ahora llegó a las pequeñas empresas que deben comprender que la clave del éxito está en aprovechar los múltiples beneficios de la manufactura aditiva y flexibilizar los sistemas de producción para admitir en sus líneas el agregado de impresoras 3D y utilizar la IOT en su beneficio.

A través de la manufactura aditiva podrás adaptar la producción de tu empresa a las tendencias actuales en cuanto a personalización, reducción de tiempos de producción y bajos costes. Las bondades de las impresoras 3D son muchas y seguramente esta tecnología se irá perfeccionando y ofreciendo cada vez mejores soluciones a las empresas e industrias.

¿Tú qué opinas al respecto? Ya tienes una industria 4.0 o estás en camino? En el caso de que hayas incorporado manufactura aditiva a tus procesos te invitamos a compartir tu experiencia en un comentario y si aún tienes dudas, deja tu pregunta para que desde NCTech podamos orientarte en tus decisiones.