Las tecnologías de impresión 3D más relevantes para la industria

Parece evidente que un sistema productivo tan versátil como la impresión 3D, en el que un mismo equipo puede ser capaz de fabricar desde instrumental quirúrgico de alta precisión y bajo coste, hasta una turbina de avión, supondría un cambio significativo para la mayoría de indústrias manufactureras.

Muchos de los que llevamos años trabajando con las tecnologías de impresión 3D creíamos predecir la magnitud de tal evento, aunque viéndolo ahora en perspectiva, puedo asegurar que nos quedábamos muy cortos.

La impresión 3D, también conocida como Fabricación Aditiva está cambiando la forma en que la mayoría de bienes de consumo son concebidos, producidos y distribuidos.

Productos que antes requerían de semanas o meses para ser diseñados, prototipados y fabricados, ahora pueden ser lanzados al mercado en cuestión de días, lo que supone un inmenso ahorro de tiempo y capital para cualquier industria manufacturera, sin olvidar lo valioso que supone un temprano testeo del interés de los consumidores hacia dicho producto y la ventaja que esto les proporciona sobre su competencia.

¿Qué futuro nos espera?

Según los datos económicos publicados por Wohlers Associates en 2016, entre 2007 y 2015 el número anual de impresoras 3D vendidas creció de 66.000 a 139.584 unidades, consiguiendo un ritmo de crecimiento del 35% y habiendo alcanzado más de 4,5 billones de euros en ventas en 2015.

Estas cifras continúan creciendo a lo largo de 2018 con una estimación de 6,4 billones de euros, alcanzando los 18,6 billones en 2020.

¿Qué tecnologías de impresión 3D están siendo más significativas?

Tecnologías de Fotopolimerización:

La fotopolimerización es el sistema de impresión 3D más antiguo que existe. Básicamente consiste en el endurecimiento selectivo de un fotopolímero líquido en una cubeta mediante diversos métodos.

Los 3 tipos de fotopolimerización más comunes son: SLA (Stereolithography) o Estereolitografía, DLP (Digital Light Processing) o Fotopolimerización por Luz Ultravioleta y Fotopolimerización por absorción de fotones.

Las tecnologías de impresión 3D cuentan con infinidad de aplicaciones dependiendo del sector al que se destinen, aunque las puedo resumir, según el uso de las piezas fabricadas mediante esta técnica, como

“fabricación de prototipos con acabados físico-mecánicos similares al producto final”

o, en el caso de equipos destinados a este fin, “producción de piezas finales con acabados estructurales y estéticos de alto detalle”.

Gracias a su bajo coste de producción y la aparición de modelos de impresoras SLA y DLP basadas en open source, como la conocida B9 Creator, o los inumerables modelos low-cost como los comercializados por formlabs, estas tecnologías de impresión 3D han adquirido mucha notoriedad en sectores como el de la joyería, odontología, miniaturas, reproducciones y, por supuesto, en el prototipado para diversas industrias.

Aunque cabe destacar que no son equipos concebidos para la producción de piezas finales, por lo que es importante tener en cuenta que conllevan un alto grado de aprendizaje y práctica hasta conseguir unos resultados estables y predecibles.

En los últimos 10 años se ha popularizado la producción final de piezas mediante estas tecnologías, especialmente mediante el uso de equipos destinados a producción profesional o industrial, entre los que podemos encontrar los comercializados por la marca 3DSystems, como el Projet 6000 o Projet 7000, o la familia 3SP de la marca Envisiontec.

Tecnologías de Fusión de lecho de polvo:

Las tecnologías de impresión 3D de Fusión de lecho de polvo (Powder Bed Fusion) consisten básicamente en una capa de polvo (del material con el que se desea construir) al cual se le aplica una fuente de energía térmica que funde con la forma programada capa a capa hasta formar el objeto deseado.

Existen 5 procesos que usan la tecnología de fusión de lecho de polvo:

• EBM (Electron Beam Melting) o fusión por haz de electrones.
• SLS (Selective Laser Sintering) o sinterización selectiva por láser.
• SHS (Selective Heat Sintering) o sinterización selectiva por calor.
• SLM (Selective Laser Melting) o fusión selectiva por láser.
• DMLS (Direct Metal Laser Sintering) o sinterización de metal directa por láser.

Estas tecnologías de impresión 3D se están expandiendo por todo el mundo debido a la facilidad que tienen para fabricar piezas de geometrías muy complejas directamente de los modelos digitales CAD.

Aunque comenzaron a utilizarse como un método de obtención de prototipos, durante los últimos 5 años se vienen usando cada vez más en la producción de tiradas cortas de piezas para uso final en industrias tan significativas como la aeroespacial o la automovilística.

Una de las tecnologías de impresión 3D más populares dentro de esta familia es la SLS, la cual es muy utilizada actualmente para la fabricación de piezas metálicas o poliméricas de alto rendimiento, y entre la que podemos encontrar modelos como el M-400, de la marca Eos, o el ProX 300, de 3D Systems.

La principal característica a tener en cuenta en estas tecnologías es la alta resistencia de sus materiales de construcción, ya que son capaces de fabricar modelos en materiales poliméricos, como el nylon o el poliestireno, y también metales como el acero, níquel, titanio y otras aleaciones industriales.

Aunque también debemos tener en cuenta el alto coste de un equipo de estas características, cuyo precio oscila entre 150.000 € hasta los 2.000.000 €, lo que provoca que su principal uso se destine a nichos industriales o profesionales con altos requerimientos técnicos.

Inyección de aglutinante (Binder Jetting)

La Inyección de aglutinante es una de las tecnologías de impresión 3D más versátiles, ya que permite imprimir con gran variedad de materiales y colores. Esta tecnología puede ser considerada una mezcla entre inyección de material y fusión de lecho de polvo.

Existen dos procesos que usan esta tecnología: PBIH (Powder Bed and Inker Head) y PP (Plaster based 3D Printing).

Estos sistemas consisten en la pulverización de aglutinantes líquidos o resinosos sobre un lecho de polvo, que luego se solidifican en sección transversal.

Cada capa se imprime de una manera similar a como lo hacen las impresoras de papel tradicionales de chorro de tinta, con la diferencia de que, en este caso, la capa de tinta o aglutinante son aplicados sobre un lecho de polvo, capa a capa.

Entre los materiales más comunes utilizados por estas tecnologías podemos encontrar: cerámicos (composites), resinas, cristal, metal (aluminio, acero inoxidable y plata), termoplásticos y ceras.

La mayoría de estos materiales precisan de un proceso de infiltrado de las piezas fabricadas con diversas técnicas según la tecnología concreta utilizada, que otorga a las mismas una mayor resistencia.

Entre sus principales aplicaciones podemos encontrar el prototipado rápido para infinidad de industrias, utillaje (tooling) y modelos para aplicaciones científicas y de diseño.

La tecnología de fabricación Color Jet Printing (CJP), de 3D Systems, permite imprimir en varios colores sobre materiales compuestos, lo que consigue prototipos y muestras de validación con un alto realismo estético.

En el caso de la tecnología Hp Fusion Jet, la forma en que ésta aglutina las partículas de material, permite conseguir piezas con distintas características de dureza y elasticidad dentro de la misma pieza.

Al igual que ocurre con otras tecnologías de impresión 3D de lecho de polvo, no son necesarias estructuras de apoyo, ya que el polvo suelto soporta los sobresalientes y objetos apilados o suspendidos.

Las principales empresas que se dedican a esta tecnología son Voxeljet, Exone, 3D Systems y Hp.

Inyección de material (Material Jetting)

Dentro de esta familia, denominada comunmente como “Multimaterial”, podemos encontrar varias tecnologías de impresión 3D.

La marca 3D Systems es propietaria de la tecnología MJM (MultiJet Modeling), y la marca Stratasys comercializa la tecnología Polyjet.

Estas consisten en la utilización de un cabezal de impresión que se mueve inyectando un fotopolímero (material plástico reactivo a la luz).

Las impresoras que utilizan esta tecnología son capaces de imprimir con múltiples materiales en un solo trabajo. Los materiales pueden ser posicionados selectivamente en el modelo.

El funcionamiento de estas tecnologías resulta relativamente sencillo, los materiales principales (fotopolímeros) son inyectados sobre una bandeja de construcción para formar las diferentes capas.

Como material de soporte se utiliza un gel o cera para apoyar voladizos y geometrías complejas de la pieza.

Cuando se termina la impresión, el material de soporte de cera se elimina fácilmente mediante la disolución con agua a presión o la aplicación de calor.

El producto terminado queda listo poco después de sacarlo de la máquina, a diferencia de otros procesos de fabricación aditiva que pueden requerir largos tratamientos de post-procesado.

Dentro de estas tecnologías de impresión 3D podemos encontrar un extenso abanico de materiales, como céreos concebidos para procesos a la cera perdida o fotopolímeros que se pueden combinar entre sí (en algunas impresoras) para conseguir distintas características fisico-mecánicas dentro de una misma pieza.

Además, la combinación de estos materiales en distintas tonalidades permite reproducir una amplia variedad de colores pudiendo conseguir degradados, sombras y tonos definidos.

Entre las principales aplicaciones podemos encontrar la fabricación de maquetas de alta precisión y prototipos rápidos de ajuste y forma.

Así como también son indicadas para productos finales con geometrías interiores muy complejas que no permiten la utilización de soportes convencionales.

En la industria médica, dental y joyería, a menudo se utiliza la inyección de material para la fundición a la cera perdida.

Extrusión de material

Ésta es la tecnología de impresión 3D o fabricación aditiva más extendida gracias a las conocidas como “impresoras 3D de escritorio”, aunque posee una gran capacidad productiva en entornos profesionales o industriales.

Esta tecnología fue inventada por el cofundador de Stratasys, S. Scott Crump, junto a su esposa en 1989.

El proceso que emplea se conoce como FDM (Fused Deposition Modeling) o Modelado por Deposición Fundida, aunque este término está registrado por la mencionada multinacional Stratasys Inc., lo que hace que se conozca también como FFF (Fused Filament Fabrication) o Fabricación por Filamento Fundido, para evitar problemas legales.

Esta tecnología utiliza un material en forma de filamento polimérico o metálico que se almacena en bobinas, éste es introducido en un cabezal extrusor que se encuentra por encima de la temperatura de fusión del material y puede desplazarse en tres ejes, lo que permite mediante su deposición en una superficie de impresión y la posterior superposición de capas, crear objetos con una precisión limitada, pero suficiente en muchas aplicaciones.

El uso de esta tecnología resulta muy amplio dada la gran variedad de materiales que existen para este fin, aunque las impresoras de licencia «propietaria», como las pertenecientes a las gamas FDM profesional e industrial de Stratasys, están mucho más limitadas en cuanto a opciones de materiales a utilizar.

Como ya sabemos, éste es el coste de una producción desatendida y fiable, además es limpia, fácil de usar y adecuada para oficinas y centros de trabajo con poca ventilación. Por último, como dato más importante, los termoplásticos de producción compatibles son estables mecánica y medioambientalmente, lo que favorece la fabricación de piezas finales a un coste relativamente reducido.

¿Cual es la mejor tecnología de impresión 3D?

Resulta obvio que esta pregunta tiene trampa, pero la leemos muy a menudo en foros de debate o consultas en redes sociales, por lo que responderé de forma breve.

No existe la tecnología perfecta para todos usos, cada una posee unas propiedades de precisión, acabados o precio de producción totalmente distintos, por lo que cualquiera que os intente vender una impresora 3D capaz producir todo lo que deseéis, os está engañando.

Aunque esta fuese capaz de fabricar con los materiales y propiedades físico-mecánicas que necesitamos, no significa por ello que sea la mejor opción.

Determinar la tecnología y equipo ideales para cubrir una necesidad concreta precisa de un gran abanico de conocimientos que no se pueden conseguir leyendo comparativas o reviews, lo siento por aquellos que creen que son capaces de hacerlo con la información que existe en Internet, todos antes o después nos topamos con esta realidad, y cuanto menos con la información que nos pueda facilitar el comercial de una u otra marca de impresoras.

¿Qué información podemos encontrar en internet?

A este efecto no solo necesitamos saber si la tecnología o el equipo escogido cumple con todas nuestras exigencias, sino que además necesitaremos saber cual será el coste de mantenimiento durante los primeros 5 años en los que debemos amortizarlo, y obviamente qué tipo de atención nos dará la marca una vez que ese periodo haya finalizado, coste de los recambios, precio de las horas de mano de obra, disponibilidad de técnicos con conocimientos para repararlo en las inmediaciones, errores comunes y soluciones a los mismos y un sinfín de datos que solo se pueden conseguir entrevistando a distintos profesionales con años de experiencia en su uso.

Pero, ese servicio de asesoramiento independiente no es difícil de conseguir ni algo tan caro que solo se lo pueden permitir grandes industrias.

Lo más habitual es que no tenga un coste mayor al de los consumibles que gastaremos mientras aprendemos a utilizarlo, por lo que os puedo asegurar que es una inversión amortizada a muy corto plazo.