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La manufactura aditiva ofrece grandes oportunidades para innovar en diseño de productos, sus capacidades de fabricación flexible promueven un modelo de manufactura distribuido que ayuda a abrir nuevos potenciales de negocio.
Cuando las empresas empiezan a considerar todo lo que se necesita para hacerla realidad, por ejemplo, el diseño generativo, la consolidación de piezas y optimización topológica, comienza a quedar claro que las formas tradicionales de diseño y manufactura piezas están desapareciendo.
La adopción de nuevas tecnologías de fabricación siempre implica algunos retos. Afortunadamente se han dado grandes pasos en incorporar la manufactura aditiva a los procesos industriales. Nuevas herramientas, procesos y tecnologías se han puesto a disposición de quienes adoptan estos procesos aditivos industriales, tal es el caso de la simulación.
Nuevos materiales
La elección del material es la primera decisión y una de las más importantes para las aplicaciones de manufactura aditiva. La selección se basa en requisitos de diseño, como el peso, la resistencia, el desempeño térmico y costo. Por ejemplo, un diseñador puede elegir el titanio para cumplir parámetros de resistencia, y por otro lado la elección de aluminio podría responder a ciertas limitaciones de costo. Ambos materiales pueden ser impresos 3D, pero la elección de los materiales depende de las necesidades del diseño de la empresa.
Los materiales de manufactura aditiva están en pleno crecimiento tanto en la industria de los metales como para la de los polímeros. La lista de materiales disponibles está creciendo, pero aún no es comparable con los que hay en métodos tradicionales de fabricación. En los últimos cinco años, los materiales certificados de tecnología aditiva han pasado de varios cientos a más de 3,000. El mercado de materiales para impresión 3D seguirá creciendo y esto permitirá nuevas posibilidades de diseño.
Las capacidades avanzadas diseño asistido por computadora (CAD) y simulación serán esenciales para entender las propiedades de materiales durante el diseño y la validación de una pieza de impresión 3D. La simulación tradicional de elementos finitos no puede simular estos materiales sin una calibración previa. Recién han surgido nuevas funciones de análisis de elementos finitos que ayudan a predecir la durabilidad de una pieza impresa en 3D mediante la combinación de un modelo a escala de la microestructura con un modelo a escala global de la pieza. Estos dos análisis se realizan simultáneamente, y los resultados de un modelo afectan al comportamiento del otro. Este método de resolver cada dominio individualmente y luego vincular los resultados ha demostrado ser tan preciso como la técnica estándar de elementos finitos, pero con una eficiencia 1,000 veces mayor. El resultado es la capacidad de poder simular el comportamiento completo de los materiales impresos 3D.
Nuevos formas y geometrías
Las piezas fabricadas mediante manufactura aditiva pueden tener casi cualquier forma o geometría definida por el modelo 3D. Se trata de una tecnología de geometría agnóstica, que permite a las empresas crear geometrías intrincadas que antes serán imposibles con los métodos tradicionales de moldeo por inyección o mecanizado.
Las posibilidades de geometrías son casi ilimitadas lo que permite la consolidación de piezas. En lugar de dividir un sistema en múltiples componentes para su fabricación con métodos de control numérico o de fundición, la manufactura aditiva puede reducir incluso las geometrías más complejas a unas pocas piezas o incluso una sola pieza. El ingeniero puede incluso integrar capacidades funcionales en el sistema, como muelles o interruptores mecánicos, para reducir aún más el número de piezas.
Estas formas complejas pueden ser un arma de doble filo, ya que no son fáciles de definir en las técnicas tradicionales de CAD. Se necesitan herramientas de ingeniería de diseño generativo con potentes capacidades de simulación. Las capacidades de exploración del diseño se pueden automatizar para una búsqueda de diseños óptimos que cumplan con requisitos de desempeño, iterando sobre cientos de posibles diseños en cuestión de minutos. Además, ayuda a los diseñadores a visualizar las compensaciones de performance del diseño contra otros objetivos y restricciones que compiten entre sí.
La simulación CAE es la mejor amiga de todo diseñador que trabaje con tecnologías de manufactura aditiva. Cuando se diseña una pieza para este proceso es imperativo verificar y simular la impresión antes de comprometerse con la fabricación. El sector médico está muy familiarizado con esto, ya que fue uno de los primeros en adoptar la impresión 3D para crear implantes a la medida, como articulaciones de reemplazo. Como parte de este proceso, los diseñadores cuentan con herramientas especializadas para simular el proceso de impresión en metal. La impresión de una articulación de cadera en titanio puede llevar hasta 32 horas; un problema a mitad de la impresión podría costar hasta 50,000 dólares en tiempo y materiales perdidos. Por tanto, la simulación antes de la impresión física puede ahorrar tiempo y dinero.
Fabricación en serie o a escala industrial
Otro de los obstáculos para la manufactura aditiva es crecerla a producción en general, generando miles de piezas rápidamente con alta calidad. Aunque se ha avanzado hacia este objetivo, sigue habiendo incógnitas y retos para cada método de procesamiento. Tanto si se trata de termoplásticos como de materiales compuestos o metales, hay muchas interacciones entre materiales que aún no se conocen del todo. Esto supone un problema para la repetitividad de las piezas y la precisión del proceso, lo que crea la necesidad de nuevos métodos de diseño y nuevas tecnologías.
La manufactura aditiva consiste en calentar los materiales a temperaturas extremas y luego enfriarlos para darles la forma deseada. Las piezas impresas se enfrían en un espacio relativamente libre. En consecuencia, las piezas no se enfrían de forma homogénea, lo que puede provocar distorsiones inesperadas. Como resultado, a menudo se necesitan numerosas iteraciones en proceso para conseguir ciclos de carga térmica y enfriamiento aceptables, lo que conlleva una gran cantidad de desperdicio o scrap y a menudo anula el objetivo de utilizar las capacidades de producción rápida de esta tecnología
Afortunadamente, una simulación sólida basada en técnicas de dinámica de fluidos computacional (CFD) puede predecir las distorsiones termo mecánicas y luego proponer modificaciones de la geometría CAD para rectificar dichas distorsiones. Existen programas avanzados de preparación y simulación de manufactura aditiva que permiten predecir y corregir los defectos a escala provocados por el sobrecalentamiento a medida que el extrusor o el láser se desplazan por su trayectoria de impresión 3D. También es posible predecir dónde y por qué podría fallar la pieza, lo que ayuda a los diseñadores a optimizar las piezas impresas en 3D hasta el nivel microestructural. A medida que estas soluciones para manejar la sofisticada maquinaria de impresión 3D sigan evolucionando, conseguir un proceso de manufactura aditiva industrial repetible y de calidad se convertirá en algo habitual.
Maximizando el potencial
Incluso en este breve debate, es evidente que abordar los retos de la manufactura aditiva requiere adoptar una nueva mentalidad en diseño y un nuevo enfoque de fabricación. Para la mayoría de los primeros usuarios que la adoptan, se trata de un proceso gradual en lugar de un enfoque de todo o nada.
A menudo, este proceso comienza a un nivel mínimo. En Alemania, por ejemplo, las empresas de automotriz que experimentan con un enfoque combinado están utilizando la manufactura aditiva y el software de diseño CAD para crear piezas estructuralmente sólidas del chasis o la estructura de un coche. Puede que no impriman un coche entero, pero están tomando estructuras huecas como las que se utilizan en la fabricación tradicional de automóviles, e imprimiendo nodos y conectar esas estructuras o chasises entre sí. Estos chasises incluyen una estructura reticular impresa en el interior para generar la rigidez estructural necesaria para reducción de peso. Empezando a pequeña escala y centrándose en un objetivo alcanzable, están imprimiendo partes duraderas y eficientes que podrían cambiar la futura fabricación de coches.
En la industria aeroespacial, la producción de calidad se ve aumentada por sofisticación de las simulaciones actuales. Las técnicas de diseño basadas en la simulación se utilizan para minimizar el peso de las piezas y el uso de materiales, manteniendo las características estructurales necesarias. Durante la fabricación, la simulación se utiliza de nuevo para garantizar un resultado de calidad en la configuración de la construcción y el proceso de impresión.
En ejemplos como este, vemos cómo la tecnología aumenta la producción en todos los sectores y en todo el mundo. Este es el tipo de innovación y evolución de la manufactura aditiva que se necesitará para llevar la tecnología a niveles de producción industrial.
Adoptando un nuevo enfoque
La manufactura aditiva es relativamente innovadora, está creciendo rápidamente a medida que se certifican nuevos materiales, mientras se adopta el diseño generativo y la optimización topológica se convierte en la norma. Los métodos de manufactura tradicionales han tardado siglos en consolidarse: la fundición existe desde la edad de bronce y la forja desde la edad de hierro. Sólo estamos empezando a aprender cómo la tecnología aditiva puede cambiar el diseño y la fabricación. Durante esta apasionante época de descubrimiento y maduración, un espíritu de diseño centrado en manufactura aditiva y un nuevo enfoque de la fabricación están acercando esta nueva tecnología a desencadenar la próxima revolución industrial.
Por: Ashley Eckhoff marketing manager del grupo de ingeniería de manufactura en Siemens Digital Industries Software
