Guía sobre la fabricación aditiva: ¿le puede funcionar?
Los avances en las máquinas de impresión 3D y una amplia gama de materiales de impresión han transformado la industria manufacturera. De hecho, varios sectores ya están aprovechando las ventajas de la fabricación aditiva (AM).
Lo cierto es que muchos fabricantes han incursionado en la AM como medio para fabricar productos finales directamente. Sin embargo, la adopción a gran escala de este enfoque todavía sigue siendo limitada. En este blog exploraremos las principales ventajas y limitaciones de la AM para ayudarle a tomar las mejores decisiones para su empresa.
¿Qué es la fabricación aditiva (AM)?
La fabricación aditiva (AM), también conocida como máquinas de impresión 3D, es un proceso de impresión innovador para crear objetos 3D. A diferencia de los métodos de fabricación tradicionales que eliminan material (sustractivos), la AM construye objetos capa por capa a partir de un diseño digital. Esto permite la creación de formas complejas y diseños intrincados que no serían posibles con las técnicas convencionales. La fabricación aditiva utiliza diversos materiales como plásticos, metales e incluso cerámica para crear prototipos funcionales y piezas para uso final.
La adopción global de la AM
Una investigación de Spherical Insights sugiere que la fabricación aditiva, tras más de 40 años de desarrollo, se está generalizando. Las previsiones indican que el sector mundial de la fabricación aditiva pasará de 19 970 millones de dólares en 2023 a 143 300 millones de dólares en 2033 [1]. Esto supone una Tasa de Crecimiento Anual Compuesta (CAGR, por sus siglas en inglés) del 21,78 %. Sin embargo, el hecho de que la fabricación esté en el nombre no significa que la AM sea funcional para todos los fabricantes.
Implementar la tecnología de la AM para simplemente cambiar las creaciones de componentes existentes a partir de métodos de fabricación convencionales rara vez resulta ventajoso. La fabricación aditiva ofrece su mayor beneficio cuando los componentes se modifican y rediseñan. Sin embargo, este beneficio es limitado debido al alto coste de la tecnología y los materiales compatibles. Por ejemplo, crear espacios huecos para aligerar los componentes es mucho más fácil con la AM que con los medios convencionales, que exigirían pasos adicionales y complejos.
Además, los fabricantes a menudo tienen dificultades para encontrar mano de obra calificada capaz de aplicar la impresión 3D a la producción del mundo real. Esto se debe en gran medida a la naturaleza relativamente nueva de la tecnología. Esta fuerza laboral calificada limitada es solo una de las razones por las que los fabricantes necesitan evaluar cuidadosamente cuáles de sus aplicaciones se beneficiarían más de la AM.
Ventajas de la fabricación aditiva
1) Reducción del consumo energético en las industrias manufactureras
Entre los numerosos beneficios de la fabricación aditiva se encuentra la posibilidad de reducir el consumo energético hasta en un 25 % [2]. Los procesos de la AM tienen la ventaja de ser más selectivos en el uso energético. Pueden centrarse únicamente en el material que se va construyendo capa por capa.
A medida que los precios de la energía continúan aumentando en todos los sectores, la fabricación aditiva ofrece una gran oportunidad para que los fabricantes puedan ahorrar costes. Además de la oportunidad de ser más ecológicos.
Si bien la disminución del consumo energético y de los residuos es notable, los fabricantes no pueden beneficiarse completamente de ella debido a las restricciones que supone producir piezas de uso final a una escala lo suficientemente grande.
2) Disminución de los residuos
Además de su potencial de ahorro energético, la fabricación aditiva tiene otras importantes ventajas medioambientales y económicas. Una disminución drástica de los residuos y de los costes de materiales.
El enfoque de construcción capa por capa de la AM disminuye el desperdicio de materiales en comparación con los métodos de fabricación sustractiva tradicionales. Estos métodos implican la eliminación de material de un bloque sólido para lograr la forma deseada. Según los estudios, la fabricación aditiva tiene el potencial de lograr una reducción de residuos de hasta un 90 % [2]. Esto, a su vez, puede conducir a una disminución masiva del consumo de materias primas.
3) Racionalización del suministro y la producción
Los beneficios ambientales no son las únicas ventajas de la implementación de la fabricación aditiva. Se supone que la tecnología ayudará a que las plantas de producción sean más flexibles y eficientes.
La AM permite a las empresas imprimir componentes según sus necesidades. Esto contrasta con la fabricación tradicional, que suele implicar grandes series de producción y niveles de inventario predeterminados. Esto reduce el riesgo de sobreproducción y disminuye la necesidad de un amplio espacio de almacenamiento para productos terminados o materias primas.
Desventajas de la fabricación aditiva
1) Mayores costes de producción para grandes volúmenes
Las impresoras 3D industriales tienen un coste inicial de puesta en marcha enorme. Esto supone entre cinco mil y cientos de miles de dólares por una sola máquina.
Paralelamente, en 2011, Atzeni y Salmi llevaron a cabo un estudio que reveló conclusiones interesantes. Descubrieron que los costes de material de una pieza metálica concreta, fabricada con métodos tradicionales, ascendían a 2,59 € por pieza. Sin embargo, el coste de la misma pieza utilizando el sinterizado selectivo por láser en la AM se disparó hasta los 25,81 € por pieza [3].
Esto significa que a los fabricantes les costaría diez veces más usar la AM en lugar de las técnicas tradicionales. Sin embargo, es importante señalar que los costes de material probablemente hayan disminuido desde que se publicó este estudio. Además, la gama más amplia de materiales disponibles podría incluir opciones más baratas. Sin embargo, a pesar de estos factores, la diferencia de costes entre la AM y los métodos tradicionales sigue existiendo.
Si el objetivo principal de una planta es reducir el consumo energético, es posible que quieran considerar una alternativa más rentable. Una opción podría ser repensar su fuente de energía, por ejemplo, instalando paneles solares.
El coste de los paneles solares en el Reino Unido para sistemas de 6 kW puede oscilar entre 9500 £ y 10 500 £ para 24 paneles, que cubren 43 m² de tejado. Aunque, cuando la sostenibilidad es la prioridad, la implementación de paneles solares puede ofrecer un retorno de la inversión (ROI) más rápido. Además de ofrecer beneficios que se pueden ver en toda la fábrica.
Aunque los beneficios medioambientales de la reducción de residuos son innegables, los beneficios en cuanto a costes dejan mucho que desear. Los fabricantes aún podrían mejorar su conciencia ambiental y reducir los costes de materiales adoptando métodos de reducción de desechos. Uno de estos métodos es la fabricación de circuito cerrado, que implica la reutilización de materiales utilizados en la producción.
2) Velocidad de producción más lenta
Actualmente, la tecnología de la AM se ve limitada por cuestiones de tiempo y complejidad. Los fabricantes pueden encontrar que la tecnología de la AM es muy beneficiosa para crear prototipos. O solo es útil en campos como el aeroespacial y la medicina, donde es necesario la manipulación del diseño. Teniendo en cuenta este factor, sería mucho más beneficioso para los fabricantes encontrar otros métodos de reducción de costes energéticos para ahorrar costes.
La menor velocidad de producción también podría causar a los fabricantes el problema contrario de racionalizar el suministro y la producción. Aquí se evita el exceso de existencias, pero la planta tiene dificultades para cumplir con los pedidos. El proceso de impresión de objetos 3D puede tardar entre treinta minutos y varios días. Cuanto mayor y más compleja sea la pieza, más tiempo se tardará.
3) Selección limitada de materiales
Actualmente, la fabricación aditiva ofrece una selección más pequeña de materiales en comparación con las técnicas de fabricación tradicionales. Esto puede ser una limitación importante para ciertas aplicaciones. La construcción, por ejemplo, depende en gran medida de materiales fácilmente disponibles y rentables, como el hormigón y el acero. Sin embargo, estos materiales aún no están ampliamente disponibles en los procesos de la AM.
La investigación y el desarrollo avanzan constantemente, lo que hace prever un aumento de la gama de materiales compatibles con la AM. Sin embargo, en la actualidad, la limitada selección de materiales puede plantear restricciones al uso eficiente de la AM en diversas aplicaciones.
¿La AM le puede funcionar? - Aplicaciones de la fabricación aditiva
Aunque la AM tiene muchas cualidades beneficiosas, la tecnología aún se encuentra en las primeras fases de utilidad para el sector de la fabricación en general. Hasta que se logren avances en la velocidad del proceso y en el coste de los materiales, otros métodos de producción podrían ser más adecuados para las aplicaciones que requieran una producción de bajo coste y eficiente en el tiempo.
Por otra parte, es posible que la industria manufacturera en su conjunto no se beneficie de esta tecnología en el corto plazo. Sin embargo, sectores como el aeroespacial, la medicina y la energía ya han visto los beneficios de la AM. Puede que la tecnología de la FA no sea lo que los fabricantes necesitan en estos momentos, pero conforme se avance, es probable que esta situación cambie.
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Fuentes:
[2] https://www.energy.gov/sites/prod/files/2014/05/f15/energy-nam.pdf
[3] Atzeni, E, Iuliano, L, y Salmi, A. (2011) Sobre la competitividad de la fabricación aditiva para la producción de piezas metálicas. En AMST’11–Advanced Manufacturing Systems and Technology (págs. 351-362). Arti Grafiche Friulane.
