3D Printing – 4 de 8 – Usos, oportunidades y realidades

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Entendiendo las conclusiones del artículo anterior, vamos a partir de la siguiente premisa:

El 3D Printing tiene sentido si se utiliza para fabricar productos de alto valor y en un número reducido de unidades.

Existen excepciones y variantes a la afirmación anterior (y en parte de las mismas está su riqueza), pero creo que es un buen punto de partida para entender mejor la impresión 3D y, en particular, qué usos puede tener.

Este artículo posiblemente es el más complicado de toda la serie. Es muy difícil sintetizar los usos, realidades y oportunidades de algo tan variado y extenso como la impresión 3D, que tiene tantas particularidades, tantos campos y tecnologías, tantas casuísticas… Sin embargo, voy a tratar de ordenar varias ideas que puedan ayudar a comprender mejor en dónde se aplica en la actualidad y, en unión a los otros artículos, dónde se puede aplicar la fabricación aditiva. Me dejaré muchos casos de uso, muchos sectores y aplicaciones, pero espero dar al menos con algunos puntos clave.

Al trabajar como ingeniero de producto, en mi empresa damos servicios de ingeniería asociada a la impresión 3D. En demasiadas ocasiones, nos preguntan cuánto cuesta hacer una pieza que posee un diseño claramente pensado para hacerse por otro medio de fabricación, como por ejemplo mecanizado. En estos casos, casi con total seguridad, será más caro crear este producto imprimiéndolo, que mecanizándolo, aun siendo por ejemplo una única unidad. En el fondo esto tiene mucho sentido. Si he diseñado una pieza para fabricarla de un modo particular, lo lógico es que haya buscado un diseño que se adapte a lo que la tecnología me permite; a esta tecnología, no a otras.

Hay que entender que la clave para triunfar en impresión 3D está en hacer un diseño que explote los beneficios de la tecnología, que esté orientado a la misma. Un diseño orientado a la impresión 3D, seguramente será más barato de fabricar en esta tecnología que en cualquier otra y sobre ello hablaremos en el siguiente artículo.

También es importante repasar las tecnologías, máquinas y materiales del artículo 2. Los usos de una tecnología vienen acotados por los límites de la misma. Por ejemplo, la impresión 3D no se usa para fabricar un objeto que sea mayor que balón medicinal, por poner un límite. Siempre existen excepciones, como puede ser la Mammoth de Materialise o soluciones más novedosas, pero por tener una idea de aplicaciones que tengan sentido, lo ideal es pensar en objetos menores que…. no sé, 50x50x50 cm aproximadamente. Eso sí, cada vez las máquinas profesionales de fabricación aditiva pueden imprimir objetos mayores y con mayor fiabilidad.

Lo anterior nos lleva ya a analizar cuáles son los usos, oportunidades y realidades de la impresión 3D. Para poder dar una visión amplia y ordenada, voy a exponer las aplicaciones del 3D Printing en dos perspectivas distintas:

  1. Clasificación en cuanto a funcionalidad

  2. Clasificación en cuanto a sector


1   Clasificación en cuanto a funcionalidad

La impresión 3D no va a sustituir a otros métodos de fabricación, sino a complementarlos gracias a sus maravillosos beneficios. Sin embargo, gracias a sus características, es una tecnología potencialmente viable para un nuevo modelo de fabricación distribuida en múltiples escenarios, de modo que sí pueda sustituir a otros métodos de fabricación en algunos casos, al ser como solución completa más beneficiosa.

Al clasificar los usos de la impresión 3D por funcionalidad, podemos definir los siguientes por orden de complejidad:

A – Prototipos

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Si dividimos los materiales imprimibles en 3: metales, polímeros y cerámicos (excluyo comida, tejido humano y otros materiales más exóticos), los prototipos se fabrican casi exclusivamente en polímeros. Existen muchos tipos de polímeros, tecnologías y calidades, pero principalmente entran en este grupo las impresoras en FDM, SLS, SLA y Polyjet. En este punto, volved al artículo 2 si queréis repasar las tecnologías y materiales de la fabricación aditiva.

Llamamos prototipos a productos intermedios que no están pensados para cumplir un servicio final o definitivo. En este campo la impresión 3D es increíblemente potente, como vimos en el artículo anterior. Nos ayuda a reducir los tiempos de desarrollo, reducir los costes y aumentar las posibilidades de diseño. Recordamos de nuevo que la impresión 3D es una evolución de lo que fue el llamado prototipado rápido.

El coste, acabado y tiempo de fabricación de un prototipo por este método depende mucho del producto en concreto, su forma, tamaño, la tecnología seleccionada… Y hay ocasiones en las que es mejor hacer un prototipo en madera, por poner un ejemplo. Sin embargo, las oportunidades que aporta el 3D Printing en este sentido son mayores que con ningún otro medio de fabricación. Si se requiere mucho detalle, tenemos el SLA. Si se requiere algo rápido y sencillo, tenemos FDM. Si se requiere algo que esté entre ambos, posiblemente nos interese el SLS. Cada caso es único y se debe valorar individualmente.

Aquí, un inciso. Muchas empresas o particulares piensan en adquirir una impresora 3D para hacer prototipos de todo tipo. El problema es que no existe ninguna impresora que te permita hacer cualquier cosa. Hay algunas que te permiten hacer mucho, muy distintos materiales y con buenos acabados y propiedades. Pero son caras. ¿Cuántos prototipos haces al año?

B – Herramientas intermedias

Muy interesante es el uso de la impresión 3D para fabricar herramientas, plantillas, moldes, útiles y, en general, todo el conjunto de productos que nos ayudan a fabricar un producto final mediante otra tecnología. Por ejemplo, para hacer ciertos moldes de plástico, lo más costoso habitualmente es el molde en sí, ya que tenemos que mecanizar el negativo de la pieza con formas complejas. Al poder hacer el molde en impresión 3D, los costes de las piezas finales serán mucho más bajos. En ciertas ocasiones, fabricar una herramienta/molde/etc. para fabricar por moldeo, por ejemplo, un producto del que sólo necesitamos 100 unidades, era un suicidio económico. Sólo eran rentables diseños que pudiésemos fabricar en un número elevado de unidades. Ahora, con la impresión 3D (que tiene sus limitaciones también en la fabricación de estos productos) podemos cambiar las reglas del juego al complementarla con otras tecnologías de fabricación.

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También podemos fabricar plantillas ergonómicas, herramientas personalizadas a los operarios, soportes que encajen en lugares muy raros, etc. De hecho, la mayor libertad de diseño nos permite crear piezas intermedias o auxiliares mucho más avanzadas a costes razonables. Muchos de estos objetos son realmente productos finales, pero digamos que no tienen grandes requisitos estructurales, o térmicos, o están expuestos a ambientes críticos o tienen un compromiso muy delicado en su uso.

C – Piezas de repuesto

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Gracias a la inmediatez de transformar un modelo virtual 3D en un objeto físico, la impresión 3D es una gran opción para fabricar piezas de repuesto, sin la necesidad de almacenar grandes cantidades y en largos periodos, lo cual supone en algunas empresas cantidades millonarias de dinero. Las piezas de repuesto pueden mantenerse en un “almacén virtual”, donde la información CAD está registrada y actualizada en un sistema PDM/PLM (o más). Cuando se requiera una pieza de repuesto, no hace falta buscar la pieza física sino la virtual, mucho más accesible, y así fabricarla in-situ. Gigantes como Siemens están empezando a aplicar esta metodología, que conlleva retos mayúsculos en digitalización del negocio. No es fácil implementar esta solución y en muchos casos está siendo descartada.

Nos encontramos en un momento de incertidumbre en el que no está claro si la impresión 3D va a ser una opción rentable para sustituir a gran escala las piezas de repuesto clásicas. Para piezas muy específicas y caras, cómo pueden ser válvulas o álabes de turbinas, parece que este enfoque tiene mucho sentido.

D – Piezas finales

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Componente aeroespacial desarrollado por Atos y Materialise [Link]
Por último, en impresión 3D podemos fabricar piezas finales totalmente funcionales. Y se hace. Y cada vez más. Con cualquiera de las tecnologías descritas en anteriores capítulos, podemos fabricar piezas que sirvan para un fin operativo. En este punto, cobra aún más sentido la frase del principio del artículo:

El 3D Printing tiene sentido si se aplica para fabricar productos de alto valor en un número reducido de unidades.

Como veremos a continuación al ver ejemplos por sectores, al encontrar oportunidades de productos que cumplan dicha descripción, podemos revolucionar una industria por completo. Hablamos de objetos con requisitos tan exigentes como puede tener una pieza de uso final fabricada con otro tipo de tecnología no aditiva.

En este grupo de piezas es donde más sentido tiene usar el metal: titanio, aluminio, acero… Podemos crear componentes finales que superen a los creados por otros medios de fabricación. Aquí es clave saber unificar todos los conocimientos de diseño, análisis, ciencia de materiales, procesos, tecnologías, etc. Esto lo exploraremos en los dos artículos siguientes.

Por supuesto, como productos finales también están los plásticos: carcasas de equipos electrónicos, utensilios médicos, zapatillas exclusivas, piezas de bicicletas… Es más, debido a que el proceso de fabricación no es tan “agresivo” como en el metal, es más sencillo pensar en productos finales fabricados aditivamente en plástico. Para más inri, los productos fabricados en plástico no suelen tener una demanda operativa tan exigente como los de metal, por lo que es más fácil diseñarlos con dicho material.

2   Clasificación en cuanto a sector

Son muchos los sectores donde se aplica ya la fabricación aditiva. Vamos a destacar los siguientes, no sólo por uso, sino porque cada uno representa conceptos de la impresión 3D relevantes:

  1. Medicina
  2. Aeroespacial y aeronáutica
  3. Automóvil
  4. Industria de alto valor
  5. Industria de fabricación
  6. Productos comerciales
  7. Ingeniería civil

Medicina

No existe mejor sector en el que encontrar productos de diseño único, personalizados y de alto valor individual. ¿Cuánto valor tiene una prótesis craneal para un bebé? ¿Cuánto estás dispuesto a pagar por una rótula de cadera de titanio perfectamente adaptada a tu anatomía?

En el sector de la salud es muy normal tener que fabricar prótesis únicas y adaptadas lo más posible a la anatomía particular del paciente, por lo que la impresión 3D está siendo una absoluta revolución. Recordad de artículos anteriores, que el mejor escenario de la impresión 3D es cuando se fabrican pocas unidades de un producto que tenga un alto valor. Caderas, hombros, mandíbulas y cráneos son actualmente las partes del cuerpo con más productos metálicos (generalmente aleación de titanio) fabricados por AM.

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Podemos además diseñar productos que antes no podíamos, con formas imposibles como estructuras que ayuden a la integración de la prótesis con el tejido del paciente. O productos ortopédicos con un diseño original, por qué no. El uso de plástico es habitual para planificar cirugías, ver la anatomía real de un paciente al traducirla de un escáner u otros conceptos similares.

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Se pueden fabricar moldes en el sector dental o prototipos para preparar una intervención. Pequeñas herramientas muy concretas o plantillas para todo tipo de operaciones están al orden del día en muchos hospitales. Otra vertiente más reciente y en un estado de madurez tecnológica muy primitivo es la impresión de órganos o de piel. La Universidad Carlos III de Madrid (de la que fui un orgulloso alumno), está investigando en este perímetro.

En definitiva, el sector médico en la impresión 3D es casi un mundo en sí solo. En este sector es clave la ciencia de materiales y la rapidez de fabricación (queremos una prótesis en dos o tres días, no meses). Para mí, es el sector estrella y más bonito.

Aeroespacial y aeronáutica

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Al tener mayor libertad de diseño, podemos crear productos con mayor ratio rigidez/peso. Es decir, podemos fabricar elementos con la misma funcionalidad que los originales, pero reduciendo drásticamente su masa. Imaginad por ejemplo una pieza de cualquier tipo de estructura, en el interior de un avión, que en vez de pesar 1 kg pese 300 gramos. Imaginad que esta estrategia la aplicamos a cientos de ellos. El ahorro total sería mayúsculo. Actualmente, gracias a softwares de optimización topológica, estamos creando nuevos diseños que disminuyen entre un 30 y un 70% el peso de su predecesor. El peso en todos los aparatos que vuelan es crucial, ya que se traduce en menor gasto de combustible, por lo que estas oportunidades de diseño están creando avances muy significativos en estas dos industrias.

El caso del sector espacio es similar. Un satélite se fabrica normalmente una sola vez, por lo que  sus productos son compatibles de fabricarse en impresión 3D. Encontrar oportunidades de ahorro de peso tiene mucho valor en estos sectores, complementándose con un creciente uso de materiales compuestos. Adicionalmente, se busca que los componentes aporten otro beneficio adicional, como puede ser la reducción de uniones o integración de piezas, pero para ello se requiere la unión de expertos en estructuras, aeronáutica y fabricación aditiva.

Estos sectores tienen regulaciones muy fuertes, sobre todo la aviación civil por el compromiso de seguridad de vidas humanas. Por ello, los procesos de calidad y certificación son muy, muy rigurosos y está costando un poco generalizar el uso de esta tecnología. Sus evidentes beneficios, en cualquier caso, están abriendo las puertas de su desarrollo a gran ritmo.

Automóvil

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Mencionábamos que la fabricación aditiva tiene sentido al producir pocas unidades; y en cambio en el sector de la automoción solemos hablar de cientos de miles o millones de unidades. Parece pues, que la impresión 3D no tiene sentido en este sector. Sin embargo, también mencionamos que los productos en AM pueden no ser productos finales, sino prototipos o productos intermedios. Es en este tipo de productos donde la fabricación aditiva tiene mayor aplicación en el sector del automóvil. De hecho, el llamado prototipado rápido, del cual deriva la fabricación aditiva, prácticamente tiene su origen en el sector de la automoción. Estamos hablando de un sector con una competitividad feroz, donde los ciclos de desarrollo de producto deben ser lo más cortos posibles. Gracias a poder desarrollar prototipos rápidos y baratos, los equipos de ingeniería consiguen diseñar nuevos vehículos más rápido que antes.

A la hora de mejorar la fábrica y las operaciones de montaje, los productos intermedios fabricados en 3DP pueden mejorar la eficiencia del proceso. Es muy extenso el uso de moldes en este sector.

Industria de alto valor

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Es un poco repetirse con lo anterior, pero considero oportuno mencionar este caso por algunos detalles. Existen sectores o industrias donde algunos de sus productos tienen un enorme valor. Por ejemplo, en la industria minera o del petróleo, las herramientas de perforación o excavación tienen costes desorbitados. Tienen piecería complicada, intrincada y con altas solicitaciones. Si podemos sustituir dichas piezas por otras mejores, la impresión 3D tendrá su oportunidad. La incursión de la impresión 3D de Titanio está teniendo mucha relevancia en este sentido.

En la industria de la joyería, resulta también muy interesante la impresión 3D, tanto para la fabricación de moldes donde colar el oro o la plata, como incluso para fabricar la joyería final. Productos pequeños, en pocas unidades y de gran valor económico, son la mejor combinación para la impresión 3D.

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En este grupo podemos añadir también productos artísticos únicos de considerable valor individual: sillas o esculturas de diseño, complementos o ropa exclusivos, etc.

Industria de fabricación

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Me encanta mencionar este caso, ya que muestra como una idea inicial a veces tiene un giro inesperado.

Uno de los sectores donde más se utiliza la fabricación aditiva, es la industria de otros tipo de fabricación. Por ejemplo, en una industria donde se producen piezas mecanizadas, las máquinas tienen que ser del más alto nivel. Pues bien, puede haber pequeñas piezas muy específicas de dichas máquinas, que estén hechas por fabricación aditiva porque son mejores al hacerlas de ese modo.

O puede tener sentido, en el sector de los materiales compuestos, fabricar moldes hechos en impresión 3D para después crear un apilado en fibras particular.

O puedo tener un negocio de fabricación de piezas de plástico por moldeo, como Lego, donde reducir unas centésimas de segundo en la fabricación de mis piezas  puede ahorrarme millones de dólares. Lego es la compañía del mundo que “más cosas” produce por segundo. Pues bien, resulta que usa la impresión 3D para diseñar piezas metálicas de sus máquinas, con canales interiores muy particulares, que ayuden en la refrigeración de las mismas y por ende se reduzca el tiempo de moldeo de cada pieza un poquito.

Productos comerciales

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El sector de los productos comerciales es posiblemente el que mayor cuota de mercado tiene. Carcasas de equipos electrónicos específicos hechas en plástico, piezas personalizadas para distintos fines, productos que se fabrican 100 o 500 veces al año… Este tipo de situaciones son las típicas en la fabricación aditiva. Cuando una compañía tiene que fabricar cierto producto, evalúa cuál es la mejor forma de hacerlo. En muchas ocasiones (típicamente pocas unidades producidas), la fabricación aditiva es la mejor solución.

En este punto, hay que mencionar a HP. Sus nuevas impresoras apuntan a mover significativamente ese punto que mencionábamos en el artículo 1, en el que a partir de un número importante de unidades, la fabricación aditiva no tenía sentido. Según ellos, quieren competir directamente con el negocio del moldeo de plástico. Aunque el escepticismo en el sector de AM acerca de este ambicioso objetivo sigue siendo muy grande, hay que decir que han creado unas máquinas muy buenas y que la inversión en I+D está dando sus frutos. Está aún por ver la estabilidad y madurez de su modelo de negocio, pero estamos hablando de una tecnología, la MJF, que puede transformar la forma en la que se fabrican algunos productos comerciales.

Ingeniería civil

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Por último, he querido volver a hacer mención al sector de la ingeniería civil, por su rareza, potencial y obstáculos.

Ya hemos visto muchas veces que se pueden imprimir casas, a lo que hemos dejado claro que esto no es así. La fabricación aditiva es muy amplia, pero en general está relacionada con la creación de productos con cierta precisión. Una hormigonera automática, no es una impresora 3D.

Sin embargo, se están haciendo importantes avances en el sector de la ingeniería civil en cuanto al desarrollo de nuevos formatos de fabricación aditiva. Por ejemplo, el primer puente impreso del mundo es español, creado por Acciona.

El problema de aplicar la impresión 3D a la ingeniería civil es evidente: la escala. ¿Cómo podemos imprimir cosas del tamaño de un edificio? ¿Necesitamos una impresora mayor que el propio edificio? Lo interesante de esta dificultad es que está impulsando la investigación en diferentes tecnologías que pueden beneficiar a todos. Yo soy un firme creyente en tecnologías tipo Laser Clading. Un brazo robótico depositando material en el punto del espacio donde es necesario, puede ser el futuro del 3DP. La ingeniería civil necesita encontrar tecnologías de este tipo, y por ello para mí es un sector muy interesante, a largo plazo. Su búsqueda de máquinas de impresión 3D que sean capaces de fabricar objetos más grandes, también está beneficiando sectores como la aeronáutica.

En la actualidad, se está utilizando la impresión 3D en la fabricación de prototipos en arquitectura, esculturas extravagantes o componentes muy específicos y más orientados al arte que a la ingeniería.


En resumen

Existen casi tantos usos de fabricación aditiva como sectores.  Cualquier sector puede encontrar oportunidades con esta tecnología si se consigue focalizar y comprender bien, aunque algunos tendrán más oportunidades que otros.

Los sectores más claros, como la medicina y la aeronáutica, están impulsando los desarrollos más innovadores, arrastrando a otros sectores y clientes gracias a sus avances. Actualmente la fabricación aditiva empieza a ser una tecnología algo madura, que aunque tiene retos que resolver, ya es usada para multitud de aplicaciones.


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Javier Buhigas

2 comentarios en “3D Printing – 4 de 8 – Usos, oportunidades y realidades

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