Fabricación por adición de capas: la nueva revolución industrial

La fabricación aditiva, o Additive Manufacturing como se conoce internacionalmente, consiste en la sucesiva superposición de capas micrométricas de material, normalmente en forma de polvo hasta conseguir el objeto deseado. La consolidación del material en cada una de las capas se consigue de manera distinta según la tecnología. Esta modalidad de fabricación supone una nueva revolución industrial, íntimamente vinculada con el desarrollo de las TIC, y es la pieza angular de la fábrica de la era digital y del futuro industrial de los países desarrollados al permitir, entre otras ventajas, prescindir de herramientas y utillajes de fabricación, reproducir cualquier geometría que el ser humano pueda imaginar, ofrecer una respuesta inmediata a las cambiantes necesidades del mercado y atender a la creciente demanda de diferenciación y personalización de los productos por parte de los consumidores.

En las tres últimas décadas se ha producido una transición hacia lo digital en todos los ámbitos y las fábricas no han sido ajenas a este fenómeno incorporando desde sistemas de Diseño Asistido por Computación (CAD), software de Fabricación Asistida por Computador (CAM), pasando por el empleo de autómatas y robots, la inspección de calidad mediante visión artificial y el control del avance de la producción en tiempo real (MES), hasta la modelización y recreación virtual de procesos y fábricas enteras con software de simulación (CAPE).

Todos estos avances han permitido procesar a gran velocidad ingentes cantidades de datos y manejar sistemas mecánicos, superando los límites conocidos de fiabilidad y precisión pero, sin embargo, los procesos de fabricación, aunque asistidos por controles más avanzados siguen siendo mayormente tradicionales por arranque de material, por fundición o por inyección. Estos métodos se enfrentan a limitaciones, ya no de control, sino físicas, como la imposibilidad de realizar taladros curvos, las colisiones de herramientas con la pieza de geometría compleja, o las restricciones de ángulos de desmoldeo, por ejemplo, que bloquean la creatividad y constituyen una barrera, muchas veces infranqueable, al desarrollo de nuevos productos de alto valor añadido o con nuevas funcionalidades.

Según se recoge en el documento de Cotec, las tecnologías de fabricación aditiva, aprovechando el conocimiento de la era digital, permiten superar esas limitaciones y suponen una auténtica revolución respecto a los procesos tradicionales de fabricación al permitir fabricar por deposición controlada de material, capa a capa, aportando exclusivamente allí donde es necesario, hasta conseguir la geometría deseada, en lugar de arrancar material (mecanizado, troquelado, …), o conformar con ayuda de utillajes y moldes (fundición, inyección, plegado, …).

Son muy diversas las técnicas de fabricación aditiva como la estereolitografía o el sinterizado selectivo láser, que permiten obtener piezas desde un archivo CAD 3D, ‘imprimiéndolas’ de forma totalmente controlada sobre una superficie. Por eso también se han empleado otros términos para referirse a ellas como e-manufacturing (fabricación electrónica), Direct Manufacturing (fabricación directa) o Additive Layer Manufacturing-ALM (fabricación aditiva por capas).

Las principales características que distinguen los procesos de fabricación aditiva de cualquier otro proceso tradicional y que le confieren grandes ventajas competitivas son:

• La complejidad geométrica que se debe conseguir no encarece el proceso. Características como la esbeltez, un vaciado interior, canales internos, los espesores variables, las formas irregulares e incluso la reproducción de la naturaleza (persiguiendo ergonomía, aerodinámica, hidrodinámica, entre otros) son retos que los métodos convencionales (sustractivos y conformativos) de fabricación no han resuelto más que con aproximaciones, ensamblajes o por medio de procesos de muy alto coste, y que para la fabricación aditiva son, en muchas ocasiones, propiedades muy poco relevantes a la hora de fabricar una pieza.
• Con la fabricación aditiva, la personalización no encarece el proceso porque permite fabricar productos, sin penalizar el coste, independientemente de si se tiene que fabricar un determinado número de piezas iguales o todas distintas, lo que facilita la personalización, que es una de las principales tendencias actuales en el desarrollo de productos de alto valor añadido y uno de los paradigmas que persigue la industria en los países desarrollados al considerarlo clave para su sostenibilidad.
• Fabricación competitiva de series cortas de productos. Dependiendo del número de piezas a fabricar se hace necesario estudiar a partir de qué cantidad de piezas es rentable fabricar tradicionalmente, por ejemplo a través de molde de inyección, o si por el contrario es más rentable producir las piezas por fabricación aditiva, donde se añade la ventaja de poder realizar modificaciones durante la vida del producto sin apenas coste adicional o parametrizar el producto y fabricarlo según necesidad, sin estar atado a un costoso molde (coste inicial, mantenimiento, almacenamiento, …).

Estas características suponen un cambio radical en el proceso de diseño de los productos y permiten gran libertad creativa, así como la réplica exacta de modelos teóricos de ingeniería sin las aproximaciones que imponen los métodos sustractivos o conformativos, de forma que se podría afirmar que con la fabricación aditiva se puede fabricar cualquier objeto al alcance de la imaginación humana. Otra ventaja de la libertad geométrica que confieren estas tecnologías es la adaptación de los productos a la biomecánica humana, de forma que los diseños alcancen una mejor interacción con el usuario y se adapten no solo a unas tallas estándar, sino exactamente a las particularidades antropométricas de cada individuo, sin afectar a los costes de fabricación.

Además, estos procesos de fabricación permiten integrar distintas geometrías y materiales en un mismo objeto para conseguir incluso que simultáneamente se fabrique un eje y su cojinete, un rodamiento, un muelle y su soporte, un tornillo y su corona, es decir, un mecanismo totalmente integrado en la pieza en la que deberá trabajar, sin necesidad de armados y ajustes posteriores. También permiten jugar con la porosidad de un mismo material o fabricar aportando simultáneamente varios materiales en un mismo sólido, superando así las limitaciones que imponen los procesos de tradicionales en la relación peso/resistencia mecánica, aportando nuevas funcionalidades y abaratando los costes de los materiales.

Aunque existen actualmente limitaciones y retos tecnológicos que deben ser resueltos, el enorme potencial de las ventajas que la tecnología aporta al cambiar conceptualmente la forma de fabricar (de los sustractivo a lo aditivo), abre un mundo infinito de interesantísimas oportunidades de nuevos productos y modelos de negocio para el futuro. Conociendo la evolución que han tenido otras tecnologías en el pasado en poco tiempo, habrá que preguntarse hasta dónde llegará esta tecnología en los próximos años. Al igual que hoy en día es normal disponer de una impresora de papel en nuestras casas, ¿se llegará a disponer de impresoras 3D en las casas de nuestros hijos para que se fabriquen sus propios productos, que previamente han diseñado?, ¿qué interrelación surgirá con las redes sociales, donde un grupo colaborativo de profesionales o consumidores finales puedan concebir, diseñar y fabricar productos localmente bajo demanda, personalizados, …?, ¿nos encontramos ante un nuevo concepto de fabricación, la fábrica digital 2.0? Hoy en día, la fabricación aditiva permite ya esto.

Los sectores donde las tecnologías de fabricación aditiva ya se emplean actualmente son, entre otros, la automoción, la aeronáutica, la joyería, el arte, el sector textil y el médico, pero también tiene un gran potencial en la industria manufacturera en general y en nuevos sectores económicos como el de los videojuegos.

El sector médico ha sido un motor para el desarrollo de la tecnología desde sus orígenes y uno de los principales fabricantes de maquinaria para fabricación aditiva identifica este sector como el de mayor aplicación de los productos fabricados con esta tecnología (23%), seguido del sector de automoción (15%) y el aeronáutico (15%). Ese elevado interés se debe, entre otros motivos, a la necesidad de piezas únicas y de modelos geométricos de gran complejidad para adaptarse bien al cuerpo humano, además de la familiaridad entre los sistemas de captura de datos médicos (TAC, escáner, …) y las técnicas de tratamiento de ficheros necesarias para la fabricación aditiva, de forma que es posible integrarlos con relativa facilidad.

Entre los susbsectores médicos de aplicación cabe destacar los biomodelos, para reproducir de manera exacta partes o la totalidad del cuerpo de un paciente, con el fin de que el cirujano pueda planificar una intervención quirúrgica compleja; los implantes artificiales personalizados de oído, dentales, prótesis articulares a medida (rodilla, hombro, cadera, …); instrumental quirúrgico y herramientas de ayuda en las intervenciones; y los ‘scaffolds’, que son estructuras porosas que propician el crecimiento de tejidos artificiales, como el óseo o el cartilaginoso, y que cada vez son más empleados en ingeniería tisular. La fabricación aditiva permite, en este caso, fabricar estas estructuras con toda la complicación que se requiera, consiguiendo formas en 3D en las que el nuevo tejido se puede aproximar perfectamente a su forma final.

Las tecnologías de fabricación aditiva también atienden las exigencias del sector aeronáutico, en el que los bajos volúmenes de fabricación, la necesidad de un compromiso óptimo entre la resistencia mecánica de las piezas y su peso, la personalización y la necesidad de utilizar geometrías complejas las hacen imbatibles frente a procesos de fabricación tradicionales. Y a las del sector de automoción, en el que los grandes constructores ya están aplicando estas tecnologías para la fabricación de prototipos y para la validación de las primeras series de los nuevos modelos, y de la Fórmula 1, para dar respuesta a los requisitos de resistencia mecánica con reducción de peso, exigencias aerodinámicas y personalización de cada escudería.

Otros sectores de aplicación son aquellos intensivos en diseño como los de joyería, arte, textil y mobiliario que aprovechan las ventajas de la fabricación aditiva en cuanto a la libertad absoluta para diseñar cualquier forma, por muy compleja que resulte, y a la rapidez en el rediseño; el sector del molde y la matricería, para construir moldes o partes de moldes de fabricación muy complejos, con características como canales interiores de refrigeración para controlar la refrigeración de la pieza allí donde se necesite; o en el sector de los videojuegos, al permitir la fabricación exacta en tres dimensiones de lo personajes virtuales o ‘avatares’.