Conocimientos básicos

La fabricación aditiva es cada vez más importante. Las fundiciones también pueden beneficiarse de la impresión 3D. Pero, ¿cómo funciona y dónde se utiliza?

Los procesos de fabricación aditiva abren posibilidades de diseño completamente nuevas.

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La fabricación aditiva está desempeñando un papel cada vez más importante en la industria manufacturera y se utiliza principalmente en la fabricación de herramientas y la construcción de prototipos.

Fabricación aditiva: Definición y explicación

Este proceso de fabricación se utiliza sobre todo en la fabricación de herramientas (rapid tooling), en la fabricación de productos finales (rapid manufacturing) y en la producción de prototipos (rapid prototyping). ¿Cómo se puede clasificar la fabricación aditiva en términos de tecnologías de fabricación? Las tecnologías de fabricación se basan generalmente en tres pilares:

• Procesos de sustracción (se elimina algo): Fresado, torneado, etc.

• Procesos formativos (se rediseña un material): Fundición, forja, etc.

• Procesos aditivos (se añade algo): impresión 3D, etc.

La fabricación aditiva describe procesos en los que la pieza a producir se construye mediante la adición de material. La construcción se realiza por capas. Esto implica los dos aspectos siguientes:

1. El componente está formado por diferentes capas. Normalmente, el proceso se lleva a cabo de abajo a arriba. En pocas palabras, se utiliza el mismo principio que para la construcción de castillos de arena: Se aplica una nueva capa a una plataforma de construcción para construir una torre.

2. Los diferentes procesos se llevan a cabo repetidamente en capas (es decir, uno tras otro). Esto implica la alimentación del material, la fusión (conformación) y, finalmente, la unión con las capas anteriores. Estos pasos, denominados cadena de proceso, son los mismos independientemente de la máquina que se utilice para la fabricación aditiva. La única diferencia es la forma en que se crean las capas individuales.

La fabricación aditiva permite, pues, crear objetos en 3D. Para que esto sea posible, la máquina requiere primero las especificaciones de diseño en 3D («CAD tridimensional») de la pieza que se va a producir. El conjunto de datos correspondiente consta de los datos de contorno (longitud x, altura y), el número de capas (z) y el grosor de las capas (dz). El programa informático correspondiente se encarga de dividir el modelo en capas adecuadas. A continuación, el programa informático transmite el conjunto de datos a la máquina en forma de instrucciones de producción, por ejemplo, a la impresora para la impresión metálica en 3D.

¿Cómo funciona?

En casi todos los casos, la fabricación aditiva a utiliza un lecho de polvo. Esto significa que un material en polvo se introduce en un lecho donde se procesa posteriormente. En la impresión 3D de metales, por ejemplo, un metal (o varios metales) se reduce a polvo antes de introducirlo en la cámara y reconstruirlo. Existen cuatro métodos comunes para producir las capas a partir del polvo:

• Selective Laser Sintering (SLS)

• Selective Laser Melting (SLM)

• Electronic Beam Melting (EMD/ EBM)

• Binder Jetting

SLS: La sinterización implica el calentamiento de materiales bajo presión, pero no hasta el punto de fundirlos. La tecnología láser permite crear geometrías tridimensionales mediante el uso de socavones. Para ello se suelen utilizar láseres de CO2 o de fibra.

SLM: El polvo se calienta con un láser de fibra de alta energía y luego se enfría. La forma de los componentes se crea mediante la desviación dirigida de los rayos láser. La SLM se utiliza cada vez con más frecuencia que la SLS. Al no aplicarse presión, los objetos presentan una mayor resistencia y, por tanto, son más duraderos. Este proceso se utiliza con frecuencia para la impresión 3D de metales.

EMD/ EBM: En principio, este método es similar al SLM. Sin embargo, esta aplicación utiliza un rayo de electrones y no un rayo láser. Todo el proceso tiene lugar en el vacío. La EMD es más rápida que la SLM, pero menos precisa y tiene un volumen de impresión máximo menor. Las máquinas de EMD tienen un diámetro medio de 350 mm y una altura de 380 mm. Las máquinas SLM son el doble de grandes. La EMD es especialmente una tecnología de fabricación aditiva ideal cuando hay que producir piezas pequeñas en grandes cantidades. Este proceso también se utiliza a menudo para la impresión 3D de metales.

Binder Jetting: El polvo se deposita selectivamente con un agente aglutinante líquido para formar las capas. Este proceso tiene la ventaja de permitir una construcción muy sencilla en diferentes colores.

Otros procesos de fabricación

Estos cuatro tipos de fabricación aditiva pueden ser complementados o sustituidos por otros procesos. Esto se aplica, por ejemplo, a:

• La estereolitografía: Este es un caso clásico de fabricación aditiva. El proceso ya había sido desarrollado por Chuck Hull en 1983. El objeto se baja gradualmente en un baño de fotopolímero líquido. Se procesa mediante un láser.

• Modelado de capas fundidas (FLM): Es el procedimiento habitual para la impresión 3D (con plásticos). Se trata de un proceso especial de extrusión en el que el material se «presiona» fuera de una boquilla para que se forme tras el enfriamiento. Como es habitual, la extrusión se realiza por capas. En la industria del automóvil o de la electrónica, por ejemplo, la FLM suele complementar los objetos SLM. La impresión de metales en 3D puede complementarse con FLM, por ejemplo.

Áreas de aplicación

Las áreas de aplicación de los procesos de fabricación aditiva pueden dividirse en tres categorías. Estas aplicaciones se suelen equiparar erróneamente con las tecnologías:

• Prototipado rápido: La fabricación aditiva se utiliza para permitir la construcción rápida de un modelo. Debe haber modelos físicos disponibles en una fase temprana del desarrollo de un producto. La creación rápida de prototipos permite producir estos modelos de forma especialmente fiable.

• Herramientas rápidas: En Alemania, las herramientas de pequeñas series para el moldeo por inyección y la fundición de metales suelen producirse mediante la impresión 3D de metales.

• Fabricación rápida: Se trata de la producción rápida de objetos que se utilizan como productos finales o componentes. A diferencia del prototipado rápido, no se generan modelos, sino piezas listas para usar.

Pros y contras de la fabricación aditiva

¿Cuáles son las ventajas de la fabricación aditiva?

• Individualización

• Mayor libertad de diseño

• Rapidez

• Sin necesidad de herramientas ni moldes

Una de las ventajas más importantes es que los objetos pueden personalizarse como se desee. Por ejemplo, es posible fabricar paredes con distintos grosores, estructuras muy finas o dimensiones muy pequeñas. Además, es posible realizar geometrías complejas mediante la impresión 3D de metales, lo que no sería posible con otros procesos de fabricación. Esto incluye, por ejemplo, cavidades, rebajes, canales con arcos o voladizos. Antes, el diseño de un objeto tenía que ajustarse a las limitaciones de las posibilidades de fabricación. Esta limitación se elimina en gran medida con la fabricación aditiva y, por tanto, es una gran ventaja, especialmente en la impresión 3D de metales. Además, la fabricación aditiva de un objeto suele durar sólo unas horas, mientras que otros procesos de fabricación tardan días o semanas.

La fabricación aditiva también tiene las siguientes desventajas:

• Acabado inevitable

• Adecuación limitada para la producción industrial en masa

Si un objeto requiere una determinada calidad de superficie, el procesamiento posterior es inevitable. Lo mismo ocurre si hay que mantener ciertas tolerancias. Todavía no existe ninguna norma al respecto (sin embargo, la norma ISO/ASTM 52195 podría elaborarse de forma correspondiente). Especialmente en el caso de la impresión metálica en 3D, el acabado puede requerir mucho tiempo.

Por ejemplo, la impresión metálica en 3D suele permitir producir un máximo de dos objetos en una máquina al mismo tiempo. Los métodos de fabricación convencionales, en cambio, permiten producir cantidades mucho mayores. Por lo tanto, para la producción industrial en masa, la fabricación aditiva sólo es adecuada hasta cierto punto. El mejor ejemplo de ello es la producción de automóviles: En teoría, se podría producir un vehículo entero mediante la fabricación aditiva. Sin embargo, debido al gran número de componentes, esto sería demasiado caro. Por esta razón, la mayoría de los componentes se siguen fabricando con métodos convencionales.

Dualidad de costes

La cuestión de la inversión es un tema controvertido, según los expertos. Porque el rango de precios de los costes de adquisición de una máquina oscila entre 15 euros y más de 100.000 euros. En comparación con otras máquinas, esto no es especialmente caro. Y esto sigue siendo así si se incluyen los costes de mantenimiento. Por lo tanto, especialmente en la tecnología médica, la fabricación aditiva ofrece una importante ventaja de costes. Las cosas son diferentes en las aplicaciones industriales. En este ámbito, por ejemplo, la impresión 3D de metales complementa los sistemas de producción convencionales. Sin embargo, no puede sustituirlos por completo. Aquí, la fabricación aditiva provoca costes adicionales.

La fabricación aditiva en el futuro

La fabricación aditiva tiene un gran futuro por delante. SAMG lo ha resumido así: El desarrollo actual de la fabricación aditiva ya ha superado las predicciones realizadas en estudios llevados a cabo en años anteriores. Instituciones de investigación de renombre, como la ETH de Zúrich, están convencidas de que la impresión 3D de metales será cada vez más importante en la ingeniería mecánica y la fabricación de herramientas. El objetivo es que la fabricación aditiva sea lo suficientemente rápida y precisa como para ser adecuada para la producción en serie. En la actualidad, las posibilidades de la fabricación aditiva todavía compiten con las máquinas controladas por CNC, que siguen siendo más adecuadas para la producción en serie. El objetivo a largo plazo es que la impresión metálica en 3D de objetos complejos supere al CNC en el futuro.

La industria espacial y aeronáutica es la responsable del éxito del uso de la impresión 3D. En el sector de la automoción, las piezas de recambio, en particular, se fabrican con aditivos. Aquí encontrará más información sobre el uso de la fabricación aditiva en un resumen del artículo.

Este artículo fue publicado por primera vez por MM International.