Previsiones sobre las tendencias de la impresión 3D

La invención de la impresión 3D cobra cada día más importancia. Desde sus humildes comienzos (utilizando filamentos de plástico fundibles para fabricar formas y, a veces, piezas), este procedimiento de fabricación aditiva (AM) se ha transformado en una herramienta sofisticada capaz de construir piezas complejas de uso final en plástico y metal con una calidad que satisface o supera las necesidades de la mayoría de las aplicaciones.

Últimamente, ese crecimiento ha sido geométrico, si no exponencial. Con tecnologías más avanzadas y nuevos materiales disponibles cada año, la elección de imprimir piezas se vuelve más fácil. Los materiales compuestos, la inteligencia artificial (IA) y los sistemas de transformación de formas ofrecen aún más aplicaciones potenciales. Recientemente, la red de fabricación digital de Protolabs (firma que ofrece servicios de moldeo por inyección), publicaba en su web un informe de tendencias que explora este crecimiento.

Basado en una combinación de datos de encuestas e investigaciones exhaustivas, el informe toma el pulso a la comunidad mundial de ingenieros en muchas industrias, en un momento en el que la impresión 3D se ha convertido en una opción de fabricación convencional para la mayoría de las empresas.

Cada vez más ingenieros utilizan la impresión 3D con más frecuencia para pedidos de mayor volumen. De hecho, el 71 % de las empresas encuestadas utilizaron la impresión 3D más en 2022 que en 2021. La guía de Protolabs ofrece una idea del estado actual de la impresión 3D, pero también proporciona una visión fundamentada de hacia dónde se dirige la industria.

Ahorrar dinero con la impresión 3D

Uno de los hallazgos más significativos del estudio fue que el 83% de los encuestados dijo que la impresión 3D les había ayudado a ahorrar costos sustanciales en su proceso de fabricación.

Las razones de estos ahorros cabe buscarlas en los costes relacionados con la creación de prototipos más bajos, en comparación con el moldeo por inyección, por ejemplo, que requiere una nueva herramienta para cada iteración.

Las piezas complejas de rápida rotación también reducen los costos de inventario. En algunos casos, la impresión interna también genera costos más bajos, aunque las impresoras de grado industrial requieren un desembolso inicial sustancial de fondos.

FDM sigue siendo popular

Más de la mitad de los encuestados indicó que el modelado por deposición fundida (FDM) es la tecnología aditiva más utilizada. Esto no es muy sorprendente, ya que es uno de los métodos de impresión 3D más establecidos, ya que se inventó en 1988.

Puede atribuirse, en parte, al hecho de que está disponible como una unidad de escritorio, adecuada para la creación de prototipos básicos. Sin embargo, el FDM industrial proporcionará piezas más precisas y duraderas que utilizan materiales de calidad industrial.

Crecimiento de la economía de la impresión 3D

Solo en 2023, los analistas predijeron un aumento del 17% en el crecimiento del mercado para este sector manufacturero en comparación con 2022. En cifras brutas, eso equivale a 19.900 millones de dólares adicionales en ingresos obtenidos a través de la impresión 3D.

Grandes industrias como la aeroespacial, automotriz, defensa, energética y médica han descubierto cómo la impresión 3D permite la creación rápida de prototipos y también es la forma más fácil de producir piezas con geometrías complejas.

Tiradas más extensas

Uno de los indicadores más sólidos que constatan el crecimiento en la industria de la impresión 3D es el mayor tamaño de cada pedido. La impresión 3D comenzó principalmente como una tecnología para aficionados y creación de prototipos, pero ahora es un medio viable de producción en cantidades.

Aproximadamente tres cuartas partes de las empresas produjeron más de 10 piezas en sus ciclos de producción, frente al 49% en 2021. Esto representa un cambio de mentalidad significativo para las empresas involucradas en la producción de piezas.

Tendencias tecnológicas recientes y avances de la fabricación aditiva

La innovación general en la impresión 3D hace que sea difícil creer que este impulso se desacelere en el corto plazo. Desde el hardware hasta el software y la automatización en todos sus aspectos, la industria está preparada para lograr importantes avances en los próximos años.

Ha habido importantes logros en hardware en el espacio de fabricación aditiva de metal de gran formato. Por ejemplo, SLM Solutions está construyendo un sistema de fusión de lecho de polvo láser (LPBF) con un eje Z de 1,5 metros para la Fuerza Aérea de EE. UU.

Utilizará múltiples láseres para producir piezas metálicas a gran escala y podría convertirse en la impresora basada en fusión láser más grande del mundo. Caracol, especialista en compuestos a gran escala, está desarrollando un sistema de fabricación aditiva por arco de alambre metálico (WAAM) de forma casi neta, que utiliza materia prima de alambre metálico y un brazo de soldadura robótico para crear grandes estructuras o reparar piezas metálicas.

También hay nuevos desarrollos en tecnologías de extrusión. La start up belga Sculpman ha patentado una boquilla variable. Utiliza un orificio de boquilla rectangular, que se puede ajustar para controlar el ancho de la capa en toda la construcción, lo que da como resultado tasas de deposición más rápidas sin comprometer la calidad.

En cuanto a los materiales, vemos una expansión de la variedad de resinas y termoplásticos de ingeniería, compuestos, polvos poliméricos y polvos metálicos disponibles. Las resinas de descarga electrostática (ESD) están abriendo aplicaciones en electrónica, resinas elastómeras amortiguadoras en dispositivos portátiles y materiales retardantes de llama en el transporte y otras industrias.

Los desarrollos de software están impulsando muchos de los principales hitos tecnológicos de la impresión 3D. En FDM, se han producido avances en la impresión no plana, con software de generación de código G que permite la impresión de líneas curvas para minimizar el efecto de escalera, eliminar soportes para voladizos y mejorar la resistencia vertical.

En un contexto industrial, la automatización es una prioridad

La velocidad, la calidad y la uniformidad de la impresión están mejorando gracias a una mayor automatización de los procesos, incluida la optimización de la segmentación, la orientación inteligente de las piezas, los diseños por lotes y el post procesamiento.

La automatización del flujo de trabajo también es vital y existe un número creciente de soluciones de software que vinculan y automatizan las distintas etapas de la cadena de producción de la impresión 3D. En última instancia, un flujo de trabajo totalmente automatizado permite la impresión 3D sin luces, con fábricas que requieren poca o ninguna supervisión humana.

En términos generales, la impresión 3D ha experimentado una especie de evolución inversa. Comenzó principalmente como un aficionado y la tecnología de bricolaje, pero la tecnología ha madurado y está alcanzando su potencial industrial.

Crecimiento y predicciones del mercado de la fabricación aditiva

En 2022, el tamaño promedio estimado del mercado, que incluía ingresos por sistemas, software, materiales y servicios de impresión 3D, alcanzó los 17.000 millones de dólares con una tasa de crecimiento anual del 13%. El informe anterior había predicho un tamaño de mercado de 18.300 millones de dólares con una tasa de crecimiento anual del 21%, según datos internos y los promedios de las proyecciones de la tasa de crecimiento anual compuesta (CAGR) de las 10 principales firmas de analistas de mercado de la industria.

Actualizaciones de la impresión 3D de polímeros y metales

Según el último informe de AM Power, el mercado de fabricación aditiva de metales industriales experimentó un crecimiento de más del 20% en 2022, que estaba valorado en más de 3.250 millones de dólares. Se prevé que la tecnología crezca aún más en los próximos años con una tasa de crecimiento anual compuesta (CAGR) de casi el 30% hasta 2027. Mientras tanto, se espera que el mercado de polímeros AM crezca a una tasa anual de aproximadamente el 13%.

A pesar del crecimiento más rápido en el mercado de fabricación aditiva de metales, el mercado de fabricación aditiva de polímeros aún generó más del doble de ingresos que su contraparte de metales. Esta tendencia también se refleja en la encuesta de Protolabs, donde los procesos de impresión 3D de polímeros claramente llevan la delantera sobre las tecnologías de impresión 3D de metal.

Dentro de cada una de estas tecnologías de impresión se aprecian opciones avanzadas de post procesamiento que ayudan a impulsar la adopción. La impresión 3D de polímeros, incluidos SLA y SLS, a menudo requiere un proceso como el alisado con vapor para mejorar el acabado de la superficie.

Un paso adicional de post procesamiento también suele ser fundamental en la impresión 3D de metal. En una encuesta reciente se descubrió que más de dos tercios de los clientes de DMLS necesitaban algún nivel de acabado superficial en sus piezas.

"Las impresoras 3D han evolucionado para adaptarse a piezas de gran tamaño, velocidades rápidas y una biblioteca cada vez mayor de materiales que se adaptan a una variedad de aplicaciones, pero el post procesamiento es a menudo un paso necesario para fortalecer o mejorar la apariencia estética de las piezas", dijo Eric Utley, Ingeniero de aplicaciones de Protolabs. "Afortunadamente, la innovación que estamos viendo en estos procesos posteriores se está volviendo más eficaz y automatizada, lo que aumenta considerablemente la escala de la industria de los aditivos".

Industrias de mayor aplicación

Aeroespacial

Esta industria fue una de las primeras en adoptar la fabricación aditiva. La propensión de la tecnología a la producción en bajo volumen, así como su libertad de diseño, han creado oportunidades para los OEM aeroespaciales durante años.

Una de las principales razones por la que los fabricantes aeroespaciales se han mostrado tan proclives con la impresión 3D es que les permite producir componentes livianos, lo que, a su vez, mejora la eficiencia del combustible de los aviones. Los motores a reacción, las piezas estructurales de los aviones y los componentes interiores de la cabina son solo algunas de las piezas para las que se utiliza la impresión 3D en la actualidad.

Los componentes aeroespaciales pueden someterse a optimización de diseño y conjuntos más grandes pueden consolidarse en menos piezas. La impresión 3D también permite a los OEM aeroespaciales acelerar los ciclos de desarrollo y producción, eliminando la necesidad de herramientas al producir directamente piezas funcionales de uso final en metal o polímeros de grado de ingeniería.

Los proveedores de mantenimiento, reparación y revisión (MRO) aeroespaciales también están recurriendo a la AM para mejorar las operaciones. En 2022, las instalaciones de Loyang de GE Aviation en Singapur se convirtieron en el primer sitio de MRO en recibir aprobación para utilizar la fabricación aditiva de metal para reparar componentes de motores de aviones comerciales, lo que supuestamente redujo los tiempos de reparación a la mitad.

Automoción

La implementación de la fabricación aditiva en la industria del automóvil ha evolucionado sustancialmente durante las últimas tres décadas. Hoy en día, se utilizan varios procesos de impresión 3D para la creación rápida de prototipos, herramientas, personalización, fabricación de repuestos y producción en serie.

Los fabricantes de automóviles, incluidos BMW, GM, Ford, Volkswagen y Mercedes-Benz, se han beneficiado de la impresión 3D. Algunos han encontrado oportunidades de ingresos lanzando al mercado productos de lujo exclusivos. El Cadillac CELESTIQ, presentado a finales de 2022, es un vehículo “insignia de ultralujo totalmente eléctrico” que integra 115 componentes de uso final impresos en 3D. GM lo aclama como su vehículo Cadillac tecnológicamente más avanzado. Bentley Motors se convirtió recientemente en la primera marca de automóviles en imprimir en 3D detalles de oro macizo para su Batur.

También existe una creciente tendencia automotriz a explorar la impresión 3D para la producción en masa en serie. Esto sería posible gracias a los avances en los flujos de trabajo digitalizados y la automatización. BMW construyó con éxito líneas de producción totalmente automatizadas impulsadas por impresión 3D en metal. Estas líneas de producción pueden producir 50.000 componentes al año. El exitoso proyecto piloto demuestra el potencial de la fabricación aditiva para la producción industrial de gran volumen para la automoción.

Industria médica

La impresión 3D ha ayudado a avanzar en soluciones de diagnóstico y tratamiento en el sector médico. La tecnología se utiliza en la producción de implantes, prótesis, guías e instrumentos quirúrgicos, modelos anatómicos, productos dentales y más específicos para cada paciente. La fabricación aditiva permite una fácil personalización (traduciendo los escaneos médicos de un paciente a modelos imprimibles) y puede usarse para la producción en el punto de atención.

En el segmento dental, la impresión 3D está ahora bien integrada, en particular la polimerización en tina, que representa el 60% de la cuota de impresión 3D dental. Los laboratorios dentales y de ortodoncia dependen de la tecnología para producir coronas y puentes, dentaduras postizas, implantes, guías quirúrgicas, etc. Muchas de las marcas líderes de alineadores transparentes utilizan la impresión 3D para crear rápidamente moldes personalizados para los alineadores de sus clientes.

Impresión 3D asistida por IA

La fabricación aditiva (AM) y la IA están revolucionando sus respectivos campos. La impresión 3D ha transformado la fabricación y el diseño, mientras que herramientas de IA como ChatGPT, MidJourney y Stable Difusion están cambiando el panorama de los medios al generar arte, artículos e historias con un simple ingreso de texto. El potencial de innovación es ilimitado cuando la impresión 3D y la IA convergen.

Control de calidad

Los pequeños defectos en los componentes pueden tener consecuencias catastróficas en la industria aeroespacial. La respuesta son las impresoras 3D compatibles con IA, que pueden detectar errores y corregirlos antes de que ocurran.

Diseño generativo

La democratización de las capacidades de fabricación ha sido posible gracias a la amplia accesibilidad de las impresoras 3D de consumo y las plataformas de fabricación distribuida como Hubs. Sin embargo, el proceso de diseño aún requiere conocimientos prácticos tanto de CAD como de software de corte, lo que puede ser complejo y desafiante de aprender.

James Bricknell, editor senior de CNET, imagina que las herramientas de IA romperán las barreras de entrada a la impresión 3D. “El avance significativo de la IA se producirá en la generación de modelos 3D utilizando tecnologías como ChatGPT. Creo que en los próximos años veremos programas que permitirán la creación de geometrías intrincadas simplemente mediante comandos de voz”.

Optimización de impresión

Lograr la eficiencia y calidad de impresión adecuadas exige un ajuste meticuloso de una variedad de parámetros, como la altura de la capa, la densidad del relleno, la planificación de rutas y las estructuras de soporte. Mark Lamkin, cofundador de FYR Medical, cree que la IA puede superar este proceso. “Esto podría ser algo simple, como mejorar la fidelidad de las capas, o más complejo, como explorar nuevas combinaciones de métodos de fabricación. Los humanos somos muy buenos reconociendo patrones, pero somos lentos en comparación con la velocidad de un ordenador”.

Lo que está por venir

La fabricación aditiva ya ha revolucionado numerosos sectores, incluidos el aeroespacial, el sanitario, el de la moda y el alimentario. Ha habido un aumento significativo en el número de empresas que producen 10 o más piezas durante sus ciclos de producción, y la cifra aumentó del 49% en 2021 al 76% en 2022. ¿Cuáles son las principales razones para elegir la impresión 3D? Sus rápidos plazos de entrega, su capacidad para producir geometrías complejas y su fácil acceso a la tecnología.

Si bien en la actualidad, más del 20% de los participantes en la encuesta en el informe utilizan la impresión 3D para producir piezas de uso final, a medida que la tecnología continúa evolucionando hacia una mayor eficiencia, velocidad y accesibilidad, es de esperar un crecimiento constante en la adopción del 3D. La impresión como método de fabricación en toda regla.

En resumen, la historia de la impresión 3D se caracteriza por una evolución continua. En el futuro, es previsible que nuevas capas de esta tecnología ágil remodelen nuestro mundo y la forma en que interactuamos con él.