Fabricación aditiva: tendencias y oportunidades

Como director del Laboratorio 22 de CSIRO, el centro de innovación aditiva de Australia, he sido testigo del rápido e impresionante crecimiento de la industria de fabricación aditiva (AM).

Autor: Dr. Daniel East – líder de grupo, Fabricación Avanzada y Metales, CSIRO

Cuando establecimos Lab 22 en 2015, nuestro objetivo principal era presentar la tecnología pionera de impresión 3D a empresas australianas y demostrar sus beneficios potenciales.

Desde entonces, la fabricación aditiva ha evolucionado hasta convertirse en una industria madura y próspera, adoptada por empresas australianas de diversos sectores por su eficiencia y eficacia en la producción.

Las empresas aeroespaciales han utilizado la fabricación aditiva para crear piezas livianas y complejas, reduciendo costos y mejorando la eficiencia del combustible en el camino. En el sector sanitario, la FA ha sido fundamental en la producción de implantes y prótesis personalizados, lo que ha dado lugar a mejores resultados para los pacientes. Las empresas automotrices han adoptado la AM para la creación rápida de prototipos y la fabricación de piezas, lo que acelera el proceso de diseño.

Y las empresas de bienes de consumo han aprovechado la fabricación aditiva para ofrecer productos únicos y personalizables, diferenciándose en mercados abarrotados.

Todas estas empresas se han beneficiado de la capacidad de la fabricación aditiva para fabricar geometrías complejas, reducir los tiempos de entrega, minimizar el desperdicio y permitir la personalización masiva, impulsando así la eficiencia, fomentando la innovación y mejorando la satisfacción del cliente.

Estos procesos también abren la ventana de diseño para componentes que pueden no haber sido fabricables o económicos mediante otros procesos.

Un gran ejemplo de esto es la fabricación aditiva metálica, que se ha labrado su propio nicho de mercado produciendo piezas pequeñas geométricamente complejas, como intercambiadores de calor, implantes biomédicos, artículos deportivos personalizados, mezcladores y matrices de producción con canales de enfriamiento conformes.

En los últimos años, el crecimiento de la fabricación aditiva se ha acelerado aún más, catalizado por las interrupciones causadas por el COVID-19 que expusieron vulnerabilidades en las cadenas de suministro convencionales.

En medio del caos, la fabricación aditiva surgió como un sistema de producción modular y versátil, ganando reconocimiento por su potencial en la fabricación distribuida y en el punto de uso, que puede eliminar puntos únicos de falla. En este caso, la fabricación aditiva ofrece resiliencia, reduce la dependencia de las cadenas de suministro globales y se ha vuelto cada vez más valorada como tecnología habilitadora.

Este modelo de trabajo descentralizado es especialmente ventajoso para las empresas australianas, dada nuestra lejanía de los principales centros de fabricación de Asia y Europa. Los sectores remotos, como la defensa, la minería, los recursos y la agricultura, se beneficiarán especialmente. Estas industrias a menudo enfrentan desafíos logísticos para acceder a recursos de fabricación tradicionales y repuestos.

El crecimiento de la fabricación aditiva se ha visto respaldado por las mejoras tecnológicas y las capacidades de los equipos disponibles. Es de destacar la expansión de las capacidades de las impresoras de mayor formato, en particular aquellas que aprovechan las técnicas robóticas. Este avance ha impactado significativamente el tamaño y la complejidad de las piezas que se pueden fabricar, abriendo muchas aplicaciones y beneficios nuevos.

Las impresoras de mayor formato con armaduras robóticas equipadas con cabezales de deposición nos permiten producir componentes mucho más grandes que los sistemas AM tradicionales. Esto permite estructuras que antes no se podían producir en una sola pieza.

El resultado es un aumento de la integridad estructural y tiempos de montaje más rápidos.

Sin embargo, no se trata sólo de tamaño. Estas impresoras son ideales para crear piezas geométricamente menos complejas, lo que puede resultar beneficioso cuando la funcionalidad y la resistencia estructural son más importantes que el diseño complejo.

También hemos visto una notable expansión de las técnicas basadas en estado sólido, o aquellas que transforman materiales de una forma sólida a la parte final sin pasar por una fase líquida. Los beneficios incluyen tensiones térmicas reducidas, menos distorsión y la capacidad de procesar materiales que son difíciles de fundir o mezclar.

La impresión con filamento fundido es un proceso de estado sólido muy interesante. Funciona empujando una fina hebra de plástico calentado, llamada filamento, a través de una boquilla para construir objetos capa por capa. Esta técnica se emplea comúnmente para producir modelos complejos, piezas funcionales y prototipos detallados.

Otra técnica innovadora de estado sólido es la AM por fricción y agitación, que combina los principios de la soldadura por fricción y agitación y la AM para crear estructuras metálicas fuertes y sin defectos.

Con los avances en AM, hemos visto un aumento en el interés en los métodos de simulación y control de calidad. Estos son fundamentales para garantizar que las piezas producidas mediante FA cumplan con los estándares requeridos de rendimiento y seguridad, especialmente en industrias de alto riesgo como la defensa y las aplicaciones biomédicas.

Técnicas como la monitorización en tiempo real del proceso de fabricación aditiva y herramientas de software avanzadas para simulación se están volviendo cada vez más comunes, lo que resulta prometedor para el crecimiento continuo de las tecnologías de fabricación aditiva.

CSIRO continúa impulsando la innovación

Aquí en CSIRO, desempeñamos un papel importante en el impulso de la adopción de AM en Australia y continuamos nuestro compromiso con la innovación en la industria hasta el día de hoy.

En el frente de la investigación, CSIRO encabeza varias iniciativas. Nuestro trabajo de fabricación aditiva de gran formato, por ejemplo, podría permitir a las empresas mineras fabricar piezas en el sitio, generando ganancias de productividad mediante la reducción del tiempo de inactividad. También estamos trabajando en una variedad de herramientas de software que podrían agilizar y optimizar el proceso de fabricación aditiva.

Estoy particularmente entusiasmado con el software que estamos desarrollando para generar trayectorias de herramientas robóticas para reparación y fabricación de piezas. Nuestro trabajo en medición in situ también es notable, ya que esto podría proporcionar retroalimentación inmediata sobre el proceso de fabricación aditiva, permitiendo ajustes y mejoras en tiempo real para garantizar resultados de la más alta calidad.

Además de las piezas metálicas, CSIRO también está explorando la frontera de los materiales clasificados funcionalmente. Son piezas fabricadas a partir de una combinación de diferentes aleaciones o metales y cerámicas dentro de un mismo componente. Esto trae un nuevo mundo de posibilidades para AM, ya que nos permite crear piezas con propiedades que pueden variar según los requisitos específicos de las diferentes secciones de la pieza.

Estamos encantados de ser un socio principal del Programa de Universidades Trailblazer, financiado con fondos federales, una iniciativa destinada a apoyar a seis universidades australianas y sus socios para que se conviertan en líderes en la comercialización de la investigación.

Aquí, CSIRO desempeñará un papel vital al brindar a las universidades acceso a equipos de AM especializados y experiencia esenciales para sus proyectos.

Por ejemplo, para Resources Technology and Critical Minerals Trailblazer, liderado por la Universidad de Curtin, adquiriremos impresoras Binderjet conocidas por su capacidad para lograr resultados de alta resolución en producción de gran volumen. Estas máquinas cuentan con una tasa de producción más rápida en comparación con otros procesos de fabricación aditiva.

El proyecto Trailblazer inicial implica la fabricación de piezas para la tecnología SpiroPak desarrollada en Curtin. SpiroPak aumenta la eficiencia de los procesos químicos mediante el uso de piezas con una geometría única inspirada en la naturaleza que mejora la transferencia de masa y reduce la pérdida de energía.

CSIRO apoyará este trabajo investigando métodos para reducir el costo de fabricación de piezas que puedan producirse de manera confiable con el proceso Binderjet.

Otra tecnología que CSIRO obtendrá con Defense Trailblazer – Concept to Sovereign Capability, liderado por la Universidad de Adelaide en asociación con UNSW, es el equipo robótico de deposición de alambre láser, que puede crear grandes estructuras con mayor resolución que el arco de alambre AM, sin dejar de usar Alimentación de alambre rentable en lugar de costosos polvos metálicos.

Los procesos láser ofrecen un mayor control sobre el aporte de calor, lo que permite un mejor control de las propiedades del material. El proyecto inicial se centrará en la fabricación de piezas aeroespaciales a partir de aleaciones de titanio.

Nuestra investigación explorará la producción de piezas de más de un metro, utilizando materiales que tradicionalmente son difíciles de fabricar mediante otras técnicas.

CSIRO también adquirirá un lecho de polvo láser SLM de material, para trabajar con la Universidad del Sur de Queensland, a través del iLAuNCH Trailblazer para la investigación espacial. Este instrumento es particularmente adecuado para piezas que operan a altas temperaturas, permitiendo la incorporación de canales de enfriamiento dentro de la estructura utilizando una superficie de cobre para una conducción eficiente del calor.

Las secciones estructurales de la pieza se pueden unir con otro metal que tenga mayor resistencia. El equipo se utilizará para la producción de prototipos de componentes que funcionan en entornos extremos.

Estas adquisiciones, junto con otros equipos interesantes, prometen desbloquear aplicaciones de fabricación aditiva más complejas y diversas, superando los límites de lo que se puede lograr. Estamos encantados de estar a la vanguardia de este esfuerzo, impulsando la innovación e impulsando a la industria hacia un futuro prometedor.