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La madurez de la fabricación aditiva y su repercusión en la industria


En muchas tecnologías de fabricación aditiva se da la paradoja de que es posible fabricar productos finales resistentes pero con proceso de fabricación de prototipo.

La madurez de la fabricación aditiva y su repercusión en la industria

En los últimos años no solo han surgido nuevas tecnologías de fabricación aditiva y se ha ampliado el catálogo de materiales procesables por ellas. También se ha aglutinado una consolidada comunidad científica que demuestra su interés y resultados con la calidad y cantidad de conferencias internacionales de prestigio y de publicaciones periódicas indexadas en las bases de datos de referencia. Además, se han constituido comités de normalización y se han creado normas específicas para fabricación aditiva en organizaciones como ISO, ASTM y EN. En pocos años la fabricación aditiva ha pasado de ser una actividad de unos cuantos inventores compitiendo por diferenciarse lo suficiente como para patentar su invento, a una comunidad con actores industriales, académicos, científicos y de las instituciones de gobierno. Hay convocatorias de ayudas para proyectos competitivos en el programa H2020 de la Unión Europea, en la National Science Foundation de los EEUU y en otros sistemas de estímulo a la investigación y la innovación a nivel mundial. En la reunión 17 de la Plataforma Europeade Additive Manufacturing (Bruselas, 25 de mayo de 2016), su presidente, Martin Schaefer (Siemens) presentó algunas cifras interesantes.

El mercado de fabricación aditiva ha crecido de 0,5 billlones de dólares en 2003 a 5,1 billones de dólares en 2015. Las previsiones eran mucho más conservadoras y auguraban un crecimiento hasta 4,5 billones de dólares para 2018. El informe anual Wohlers Report de 2016 confirma esta cifra y reporta crecimientos del 29,4% en 2011, el 32,7% en 2012, el 33,4% en 2013 y el 35,2% en 2014. Grandes multinacionales de varios sectores como Siemens, Ford, Boeing, Airbus, BMW, Audi-VW, HP están apostando por las tecnologías de fabricación aditiva. Siemens hizo pública una inversión de 21,4 millones de euros para sus instalaciones de fabricación aditiva por sinterizado de metal en 2016. También han hecho inversiones millonarias las grandes empresas aeronáuticas y de automoción. Stratasys y Siemens hicieron pública una iniciativa para desarrollo conjunto de tecnología de fabricación aditiva con la participación de Ford y Boeing como prescriptores. Con este escenario solo se puede ser optimista en cuanto a la consolidación de esta novedosa tecnología.

Figura 1 - Izquierda: Estructuras de geometría compleja. Derecha: estructura auxética. Grupo de Ingeniería de Productos Industriales. IQS School of Engineering. Universidad Ramon Llull.

En el entorno local también hay motivos para el optimismo. La instalación del centro mundial de negocio 3D de HP en Sant Cugat (Barcelona) en 2014, la primera edición de IN(3D)USTRY en 2016 y la presentación del Global 3D Printing Hub en mayo de 2017 fomentan ese optimismo. El presidente de La Generalitat de Cataluña prometió una inversión de 28 millones de euros en el Global 3D Printing Hub hasta el año 2020. Reconoció el trabajo previo que ha permitido llegar a este punto. En su discurso mencionó el impulso al conocimiento en fabricación hecho por Eurecat-Leitat, IQS, Fundació CIM, IBEC, HP y otros. La participación de estos actores del mapa de investigación e innovación de Cataluña, junto con la participación de actores industriales y la apuesta de inversión prometi­da auguran un impulso muy necesario para la fabricación aditiva en Cataluña. Para conseguir que esta situación se consolide es necesario que la industria participe, que las promesas de inversión se cumplan y que el estímulo a la investigación, la innovación y la formación se mantengan.

Se ha insistido mucho en que las carencias de las tecnologías de fabricación aditiva: velocidad de fabricación, tamaño de producto fabricado, repetitividad y trazabilidad del proceso, costes, disponibilidad de materiales, carencia de soft­ware de diseño y simulación específico. A día de hoy muchas de estas carencias están superadas o con mejoras apreciables. Cada vez se avanza más en el software que permite optimización topológica y diseño de estructuras complejas que mimetizan estructuras de la naturaleza. Ahora es posible fabricar las llamadas estruc­turas auxéticas sin mayor complicación que su modelado geométrico. También es posible la combinación sinérgica de tecnologías. En la figura 2 se muestra el uso de núcleos con geometría compleja, hechos por fabricación aditiva, recubiertos de polímeros reforzados con fibra de carbono.

Figura 2 - Estructuras de geometría compleja recubiertas con polímero reforzado con fibra de carbono. Grupo de Ingeniería de Productos Industriales. IQS School of Engineering. Universidad Ramon Llull.

Otra posibilidad es la combinación de ambos procesos de fabricación utilizando un enfoque múltiple. En la figura 3 se puede ver una prótesis de pie fabricada en polímero reforzado con fibra de carbono. El molde para obtener la geometría final se hizo por fabricación aditiva. El acoplamiento se fabricó en ULTEM, nombre comercial de un polímero de propiedades mecánicas relevantes que puede ser procesado con la tecnología FDM (Fused Deposition Modeling) en un sistema de fabricación de la gama Fortus (Stratasys). De esta manera se puede personalizar completamente la fabricación, ajustando el tamaño y la resistencia a las necesidades del usuario. También se pueden fabricar series cortas o producciones unitarias.

Figura 3 - Prótesis personalizada. Grupo de Ingeniería de Productos Industriales. IQS School of Engineering. Universidad Ramon Llull.

Otra opción disponible es la optimización topológica. No es novedoso transmitir una carga a través de un volumen con optimización topológica del material, pero su utilización era muy limitada. Los procesos de fabricación por métodos convencionales eran inviables para materializar el modelo. Los software de mode­lado también eran insuficientes o inexistentes. A día de hoy es posible disponer de software de fácil manejo y tecnologías que permiten materializar el modelo optimizado con resis­tencia suficiente como para soportar la carga, ver figura 4.

Figura 4. Prótesis personalizada diseñada con optimización topológica. Grupo de Ingeniería de Productos Industriales. IQS School of Engineering. Universidad Ramon Llull.

Más allá de los materiales y el hardware

Para que esos avances sean posibles de manera fiable y repetible es necesario aumentar el conocimiento. A día de hoy hay muchos materiales metálicos, cerámicos y poliméricos que pueden utilizarse en fabricación aditiva. Sin embargo, en muchas tecnologías de fabricación aditiva se da la paradoja de que es posible fabricar productos finales resistentes a cargas mecánicas, térmicas, etc., pero con proceso de fabricación de prototipo. En muchas de ellas el archivo "stl" sigue siendo el de prototipado de finales de los 80. El software que prepara el modelo y el sistema de fabricación conducen al comportamiento anisotrópico del producto.

Los proveedores de materiales publican hojas de datos con resultados poco realistas. Es el resultado de una rápida expansión del mercado de la fabricación aditiva; a una velocidad mayor que la generación de conocimiento relacionado. Cada vez se publican más resultados de investigación con datos reales de la resistencia de los materiales procesados por fabricación aditiva y su aplicación a piezas finales. La figura 5 muestra parte de los resultados de la tesis doctoral "Aportaciones al conocimiento sobre la fabricación aditiva con la tecnología Fused Deposition Modeling" para obtener el grado de doctor de Miquel Domingo Espín. Esta tesis, dirigida por el autor de este artículo, permitió un conocimiento más realista del material Policarbonato procesable en una máquina Fortus 400 (Stratasys).

Figura 5 - Caracterización del comportamiento mecánico de Policarbonato procesado por FDM. Correlación de la simulación del modelo virtual y el comportamiento del producto final. Domingo-Espin, M. et. al., “Mechanical property characterization and simulation of fused deposition modeling of Polycarbonate parts” Materials & Design. 2015.

Se avanza en el conocimiento de las reglas de diseño para fabricación aditiva (DFAM: Design for Additive Manufacturing). No solo se sabe cómo consolidar conjuntos de productos en un producto único y su simplificación. También se sabe cómo orientar las piezas dentro de la cámara de fabricación para mejorar acabado superficial, reducir costes y aumentar propiedades mecánicas. Ver la figura 6.

Figura 6 - Prueba de concepto de DFMA. Reductor epicicloidal de una etapa consolidado. Fabricado como una unidad que permite el movimiento sin necesidad de ensamble ni fabricación por separado de componentes. Grupo de Ingeniería de Productos Industriales. IQS School of Engineering. Universidad Ramon Llull.

Otro avance destacable es el del crecimiento de la velocidad de fabricación. Tecnologías como Carbon SpeedCellTM o el sistema de impresión 3D de Hewlett-Packard Jet Fusion 3D tienen resultados relevantes en cuanto a velocidad de fabricación. El sistema de HP también cambia la concepción de la materialización del volumen del producto fabricado. Pasa del concepto del pixel (elemento de área) al del voxel (elemento de volumen), estimulando la superación de la etapa del prototipado y acercándose a la nueva generación de archivos "amf" (de Additive Manufacturing File) para superar el formato "stl". Ambos sistemas ejemplifican la conjunción de la investigación científica con el desarrollo de las tecnologías de fabricación aditiva. El sistema robotizado multiejes desarrollado por Stratasys y Siemens promete alternativas para superar la limitante de la posición de la pieza y la dirección de fabricación. Todos estos avances están produciéndose mientras el mercado de la fabricación aditiva crece, y también la aceptación por las empresas punteras.

DR. GUILLERMO REYES POZO. JEFE DEL DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA INDUSTRIAL. IQS SCHOOL OF ENGINEERING. UNIVERSIDAD RAMON LLULL. INVESTIGADOR PRINCIPAL DEL GRUPO DE INGENIERÍA DE PRODUCTOS INDUSTRIALES.