Fabricación 3D en metal: ¿aditiva o sustractiva? (I)

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Jordi Golobardes, ingeniero técnico y experto en fabricación de piezas metálicas por estampación, ofrece un interesante enfoque sobre las ventajas y los inconvenientes que rodean a cada tecnología. Primera crónica que busca aportar luz sobre la viabilidad real del 3D metálico para la industria

Fabricación 3D en metal: ¿aditiva o sustractiva? (I)

La fabricación 3D por adición avanza a pasos de gigante y, en muchos aspectos, ya supera a los procesos clásicos de sustracción, una tecnología de fabricación a la que todavía le queda mucho camino por recorrer. Jordi Golobardes, ingeniero técnico y experto en fabricación de piezas metálicas por estampación, ofrece un interesante enfoque de las ventajas y los inconvenientes que rodean a cada tecnología, y brinda las claves que sustentan la predicción que señala que ambos procedimientos de fabricación convivirán en los procesos productivos durante un largo periodo de tiempo.

Las organizaciones que gestionan la celebración de congresos, publicaciones técnicas, fabricantes de todo tipo de productos y gran cantidad de organismos dedicados a la innovación tecnológica hacen alusión a las infinitas posibilidades que se abren gracias a la nueva fabricación aditiva, y al avance que aportan las nuevas tecnologías cuando se comparan con los procedimientos clásicos de fabricación sustractiva. La necesidad de hacerse rápidamente con un hueco en el mercado hace que las nuevas tecnologías de fabricación 3D que emergen proclamen sus ventajas, relegando a un espacio mucho más reducido las dudas y resistencias que presentan los posibles usuarios.

Con la finalidad de conocer un poco mejor los aspectos que rodean a la fabricación de piezas metálicas en impresión 3D, hemos conversado con Jordi Golobardes, ingeniero técnico, interesado en las posibilidades que ofrece la impresión de metal 3D, y cuyo ámbito de actuación se circunscribe a las estampaciones metálicas, es decir, piezas que se fabrican por deformación y punzonado de chapa metálica laminada en frio o en caliente a través, fundamentalmente, de prensas mecánicas e hidráulicas. El conocimiento de Jordi Golobardes de las posibilidades de la fabricación de piezas con impresión 3D se remonta a casi dos décadas atrás, coincidiendo con la llegada de las primeras impresoras, sector con el que este profesional ha mantenido relación.

“Tras un proceso de información y experimentación, y conociendo sus limitaciones circunscritas a la fabricación de piezas con poliamida, califiqué en su día esta tecnología como una herramienta a utilizar en la fabricación de prototipos únicamente dimensionales, desestimando la producción de prototipos funcionales por la imposibilidad de utilizar materiales homologables en el sector en el que me muevo”. En la actualidad, Golobardes trabaja en la prescripción de la tecnología adecuada para la fabricación de las piezas que el cliente solicita industrializar, abasteciendo a sectores tan diversos como componentes para automoción, electrónica, mobiliario, electrodomésticos y todas aquellas empresas que, dentro de su producto, necesiten el soporte de piezas metálicas especiales. “Es por esta razón que estoy obligado a permanecer atento a los nuevos avances tecnológicos, como es en este caso la impresión aditiva 3D, con la finalidad de poder asesorar a mis clientes durante la fase de industrialización y, si es posible, en la fase de diseño”. Para abordar proyectos de estampación de pequeña, mediana y gran serie, así como en los procesos de punzonado CNC y corte láser, Jordi Golobardes cuenta con un equipo de colaboradores experimentados que le dan apoyo en otras fases complementarias como soldadura, roscados, mecanizados y tratamientos superficiales, entre otras.

Réplica fabricada por adición 3D de una pieza elaborada mediante estampación incluyendo un cilindro roscado. En la pieza por estampación se ha soldado este cilindro mecanizado a la plancha base mediante una fase adicional. La copia literal de la pieza por adición no es recomendable, es preferible un rediseño de la pieza “pensada en adición 3D” a fin de evitar los inconvenientes explicados (deformaciones, tolerancias, etc.)

Requerimientos en los procesos de fabricación de piezas metálicas por estampación

Los clientes que acuden a Jordi Golobardes suelen disponer de sus propios departamentos de diseño, un motivo por el cual, según explica, les llegan piezas totalmente definidas. “Aunque dispongamos de un producto completamente definido por el cliente, en ocasiones nos vemos en la necesidad de intervenir en el diseño con la finalidad de proponer modificaciones que faciliten la fabricación sin afectar a la funcionalidad de la pieza”.

Este experto explica que, en los procesos de fabricación por estampación y embutición se emplean matrices y moldes especialmente construidos para cada pieza, por lo que la amortización de estos útiles suele tener una incidencia importante en el coste final del elemento a fabricar; de manera que solo se justifica cuando se trata de fabricar series elevadas, o por no existir otro método de producción. “Estas piezas acostumbran a necesitar fases posteriores, tanto de mecanizados como roscados de agujeros, inserción de tuercas, soldadura de subconjuntos, etc., como de acabados superficiales como vibrados, arenados, pulidos, baños electrolíticos y pintura, principalmente”, asegura Jordi Golobardes, al tiempo que hace alusión a los estrictos requerimientos técnicos que suelen presentar este tipo de piezas, tanto en lo que tiene que ver con la calidad del material como en las características estructurales y funcionales de las mismas como son el sentido de la fibra, la resistencia a la tracción, compresión, cizallamiento, tolerancias, etc.

“En el ámbito de la pequeña serie, en la que el mecanizado de piezas consiste básicamente, en el cizallamiento de agujeros, se emplea la tecnología de punzonado CNC con la que se consigue minimizar el empleo de utillajes. En la actualidad, el corte láser CNC ha sustituido en gran medida al punzonado con una calidad de acabados muy superior”, asegura Golobardes, mientras precisa que en los dos casos resulta necesario disponer de un programa CNC realizado por la oficina técnica, para trasladar a lenguaje máquina los planos de las piezas a fabricar realizados en 2D y 3D. “En el momento en que la serie permite amortizar una matricería, el precio obtenido por estampación resulta mucho más competitivo comparado con los procedimientos de impresión 3D”, matiza este experto.

Al profundizar en la fabricación aditiva 3D en metal, este profesional apunta al gran espectro de aplicaciones que abre esta tecnología en sectores industriales como la medicina, aeronáutica, y automoción de alta gama y competición, industrias todas ellas que emplean aleaciones especiales de titanio, acero inoxidable, aluminio y otros metales con características muy estrictas. No obstante, Jordi Golobardes destaca las importantes barreras que presenta el sistema. “Los mayores avances en la adición 3D se centran en la aplicación de poliamidas para la fabricación de un sinfín de piezas, pero que en el mercado de la estampación se ve limitado al prototipaje dimensional pero no funcional, lo cual supone un ‘handycap’ para esta tecnología.” La razón, según este ingeniero, cabe buscarla en el hecho que todavía existe una importante limitación en los tipos de materiales metálicos disponibles, lo cual dificulta en gran medida la fabricación de prototipos funcionales así como de piezas en serie en su sector.

Ejemplo de prótesis dentales fabricadas mediante impresión 3D. En la muestra de la derecha se puede observar la fase de mecanizado de la pieza a fin de obtener la precisión requerida.

“La aplicación de la adición 3D entra en conflicto con la funcionalidad exigida a muchas piezas de estampación, en las que el sentido de la fibra del material aporta una característica fundamental de cara a los esfuerzos de tracción, compresión y torsión. Esto significa que el proceso de sustitución de la pieza estampada por la pieza de adición 3D no ha de representar una simple copia de la pieza, sino que ha de tener en cuenta todos los requerimientos y condicionantes que la función de la pieza requiere, a fin de diseñar una estructura que, con las tecnologías aditivas, consiga las prestaciones funcionales necesarias”, argumenta Golobardes.

La aplicación del método de análisis de elementos finitos puede facilitar, según Golobardes, la definición de esta estructura durante la fase de diseño 3D. Hoy por hoy, no obstante, en el ámbito de la estampación la aplicación más clara que contempla este experto se circunscribe a la fabricación de piezas para moldes, utillajes de control, y utillajes para piezas de robot empleando polvo de acero para herramientas. Aunque el abanico de posibilidades es limitado, según este especialista, otros metales ya disponibles son aleaciones de titanio, aluminio, acero inoxidable, cobre, latón y bronce.

A la hora de saber cómo se desarrollan los procesos de diseño y acabados en las piezas elaboradas por adición 3D, Jordi Golobardes señala que en la adición láser 3D es necesario partir de un diseño adecuado a la nueva tecnología, donde además de solucionar los requerimientos mecánicos de la pieza se racionalicen gruesos de material con el fin de minimizar deformaciones a la vez que, con la reducción de peso, se logre que la pieza sea más competitiva. “Asimismo, es necesario reducir los gruesos para evitar deformaciones durante el proceso de enfriamiento, y estudiar el esqueleto de la pieza para que brinde las mismas prestaciones de resistencia en los puntos críticos con menor cantidad de material”. En cuanto a los acabados, este experto afirma que será necesario prever la aplicación de tratamientos superficiales, al igual que en el proceso convencional.

Fabricación 3D de piezas metálicas: adición vs estampación

Al referirse a las ventajas de producir piezas metálicas por procesos de impresión 3D comparado con los procesos por estampación, Golobardes hace referencia al bajo coste de los utillajes que precisa, a la inmediatez a la hora de ponerla en producción, a la posibilidad de incorporar insertos, roscas y otros accesorios que en estampación deberán ir soldados, y a la facilidad de reducir la masa de la pieza con la consiguiente disminución de peso y precio.

“Por otro lado, la rápida elaboración de un programa de fabricación de la pieza a partir de un diseño 3D ya existente, o por escaneado 3D en caso de disponer de una pieza de muestra, forma parte del conjunto de ventajas derivadas de fabricar piezas a través de procedimientos de impresión aditiva comparados con la estampación”. El uso del metal y el precio por pieza: dos aspectos en que la estampación supera a la adición en fabricación de piezas metálicas 3D. “En los procesos aditivos de impresión 3D existe una gama reducida de metales disponibles, y también limitaciones en las dimensiones de la pieza a fabricar. Asimismo, el tiempo unitario de producción por pieza es más elevado respecto a la fabricación por estampación en serie, por lo que el precio por pieza resultante suele ser superior si la reducción de material no lo compensa”.

“En este sentido, otro factor que penaliza hoy por hoy la adición 3D de piezas metálicas respecto a la estampación lo tenemos en el coste de la materia prima, siendo muy superior el kilo de polvo de metal al de chapa laminada”. Por otro lado, según Golobardes, otra desventaja de la adición 3D en metal respecto a la estampación son las tolerancias demasiado amplias que se obtienen y los tratamientos térmicos necesarios para garantizar la dureza de la pieza. “El tratamiento térmico puede ocasionar deformaciones de la pieza, por lo que se habrá de realizar una serie de pruebas con el propósito de obtener la pieza requerida con las desviaciones corregidas, lo cual supone un mayor tiempo de preparación del programa de fabricación. Junto con ello, las tolerancias obtenidas por adición 3D, del orden de más/menos 0,1 a 0,2 mm, obligan a realizar un mecanizado posterior para obtener la tolerancia requerida”.

A favor de la adición 3D respecto de la fabricación por estampación, este ingeniero se refiere a la imposibilidad de conseguir geometrías difícilmente realizables como las requeridas para obtener conductos internos, piezas enjauladas, etc. como sí consigue la impresión aditiva. Según información que ha podido recabar de expertos en esta tecnología, Golobardes comenta que: “Hoy por hoy, el proceso más adecuado para la impresión aditiva 3D de metal para las piezas de mi sector es SLM: (Fusion Selectiva por Laser), durante el cual el material es fundido completamente”. Por otra parte, Golobardes añade que “los fabricantes de maquinaria están investigando intensamente en el campo de la adición en metal anunciando novedades para un futuro próximo, por lo que habrá que estar atentos a esta evolución que promete ser vertiginosa y que pude derribar barreras tecnológicas tanto en materiales como en capacidades de producción, que son sus desventajas actuales”.

Ejemplo de geometrías que pueden realizarse mediante fabricación aditiva, en las que se observan las enormes ventajas de la impresión 3D, obteniendo formas, conductos internos, etc., difícilmente realizables con otras tecnologías.

La fabricación aditiva en la Industria 4.0 y su impacto en I+D

Preguntado acerca de cómo contempla el futuro de las tecnologías de impresión 3D, y cómo influirán otros elementos TI disruptivos como la inteligencia artificial (IA) y el aprendizaje automático (ML por sus siglas en inglés), Jordi Golobardes se muestra convencido de que las máquinas de adición 3D se beneficiarán de estas nuevas tecnologías. “En los procesos de adición 3D, se prevé que en un plazo de tiempo no lejano las máquinas controlarán todos los parámetros de producción, capa a capa, de manera que ellas mismas aprenderán de los errores detectados y los corregirán, con la finalidad de producir piezas libres de esos errores.”

Es un hecho, de acuerdo con Jordi Golobardes que, en muchos casos, la fabricación aditiva supera ya a la sustractiva; no obstante, “en el caso de la fabricación por estampación y deformación resulta difícil prever cuándo se va a producir este relevo tecnológico, ya que requiere que tenga lugar una revolución dentro de los departamentos de I+D de los grandes sectores consumidores de piezas estampadas en frío como son las industrias de la automoción, electrónica, y electrodomésticos”. Según afirma Golobardes, esta “revolución” en el sector de la impresión 3D debe comenzar por el diseño del producto concebido específicamente para su fabricación mediante la tecnología de adición 3D. El ingeniero pone como ejemplo significativo a los drones: “Un buen diseño 3D pensado para ser llevado a cabo mediante tecnologías de impresión aditiva 3D y una buena selección de material ha conseguido sustituir el chasis metálico por otro más ligero de igual o superior resistencia, lo cual da la posibilidad de utilizar motores más ligeros y económicos. Por consiguiente, es necesario disponer de técnicos formados en esta especialidad de diseño para la fabricación aditiva”.

Paralelamente, según apunta Golobardes, hará falta trabajar en la disponibilidad de nuevos materiales que permitan conseguir las prestaciones que puede requerir el sector de la automoción, por ejemplo. “En la actualidad existen empresas en nuestro país preparadas para atomizar y convertir en polvo materiales existentes para adaptarlos a la adición”, admite Golobardes, al tiempo que señala que la obtención de los nuevos parámetros de la máquina para poder realizar la fabricación aditiva 3D de estos materiales supondrá una inversión inicial, si bien será fácilmente amortizable con la generalización de la aplicación del nuevo material.

Con respecto al grado de madurez de la fabricación aditiva y su aplicación en la Industria 4.0, Golobardes señala que el sector del metal se encuentra en una fase muy incipiente, exceptuando los metales que se emplean ya en medicina (especialmente en implantes dentales), en la industria aeroespacial y en automoción de competición, principalmente. “Se están realizando estudios con materiales compuestos de poliamida y metal, con la finalidad de obtener prestaciones similares al de la chapa metálica. Sin duda, la adopción generalizada de la industria 4.0 ayudará a universalizar las investigaciones en nuevos materiales para la adición 3D en metal y ampliar de esta manera sus aplicaciones”, señala este ingeniero.

A la hora de formar a nuevos profesionales en fabricación aditiva, Jordi Golobardes apela a que se enseñe a los universitarios a “pensar en 3D”, y que se preparen para abordar los procesos de fabricación aditiva en la industria 4.0. “Resulta fundamental que no solo los diseñadores conozcan a fondo esta tecnología para poder aplicarla en los nuevos diseños de productos, sino que también han de profundizar en ella los futuros ingenieros que serán responsables de los departamentos de I+D que la habrán de proponer e implementar”. Y es que, según concluye este experto: “La herramienta existe, ahora solo falta pensar en 3D, y mucha imaginación y convicción a la hora de proponer innovaciones que sustituyan a las piezas de estampación en frío convencionales”.