AMFAB a la vanguardia de la innovación en sectores manufactureros tradicionales

El crecimiento socio-económico de los sectores manufactureros tradicionales como el juguete, textil y calzado transcurre necesariamente por la transformación e innovación de las empresas del sector a través de nuevos productos y procesos que otorguen a los distintos sectores de un elevado valor añadido y funcionalidades diferentes.

Por ello, para poder innovar en aspectos cruciales dentro de cada uno de los sectores tradicionales mencionados (juguete, textil y calzado), es trascendental conocer cuáles son las debilidades actuales. Posteriormente, la introducción de nuevos materiales con propiedades innovadoras y de nuevos procesos, como la impresión 3D o FDM, que permitirá al sector manufacturero tradicional dar un salto de calidad. A continuación, se resumen las necesidades encontradas para cada sector.

En el sector del juguete, las tendencias actuales por parte del usuario giran en torno a la personalización de juguetes, obtención de productos que se asemejen a productos reales. De forma más específica, ciertos sectores abogan por productos infantiles con características y funcionalidades especiales. Actualmente, la fabricación de productos mediante técnicas tradicionales conlleva un alto coste. Sin embargo, la introducción de técnicas de impresión 3D permitirá la personalización de un juguete determinado por parte del usuario, e incluso, dotarle de un aspecto real como puede ser aspecto madera. Desde el punto de vista del sector hospitalario, se reclaman productos infantiles que posean propiedades autolimpliables puesto que dentro de un hospital infantil, el juguete es una herramienta muy valiosa para canalizar las situaciones difíciles de un niño que se encuentra hospitalizado. Sin embargo, los juguetes actuales no pueden ser limpiados debido a sus propiedades (componentes eléctricos, pelos de muñeca, tipo de material). Así, la introducción de materiales autolimpliables o con propiedades antimicrobianas, permitirá al sector del juguete fabricar series cortas para sectores concretos, que posean las necesidades y requerimientos vitales como el sector hospitalario.

En el sector textil, actualmente surge la necesidad de introducir personalizaciones sobre sustratos textiles obtenidos mediante procesos tradicionales para obtener piezas personalizadas a gusto del usuario o bien, por requerimientos profesionales o deportivos. Así, dentro de la fabricación de indumentaria en masa, empleando la tecnología de impresión 3D, se pueden crear figuras complejas/sencillas, textos a gusto del cliente sobre los textiles deseados. En el caso de perfiles técnicos como ropa deportiva o sectores técnicos, se pueden realizar por impresión 3D substratos como protecciones personalizadas después de un escaneo 3D del usuario final para ajustar la protección. Finalmente, también ofrece la oportunidad de encapsular dispositivos electrónicos en el propio tejido a partir de la impresión con materiales conductores, generando tejidos diferentes con conductividad, refuerzos mecánicos o con cambios de color para sectores específicos.

En el sector del calzado, la introducción de la impresión 3D por la tecnología de FDM permitirá a los diseñadores modificar los tacones para introducir nuevas formas, texturas o colores, así como la introducción en la industria auxiliar de nuevos materiales y métodos de fabricación para la obtención de adornos, hebillas, etc. Desde un punto de vista médico o deportivo, la combinación de software de diseño junto con el desarrollo de materiales personalizados, se podrá obtener piezas técnicas como plantillas personalizadas u ortopédicas con propiedades innovadoras, como distintos puntos de absorción de impactos, diferente geometría, grados de dureza o propiedades antimicrobianas, que serán personalizadas a cada usuario otorgándole un elevado valor añadido.

El proyecto AMFAB nace con la finalidad de mejorar la competitividad de los sectores manufactureros tradicionales del juguete, textil y calzado mediante el desarrollo nuevos productos funcionales y personalizados de alto valor añadido empleando técnicas de fabricación 3D. Para ello el Instituto tecnológico del producto infantil y el ocio (Aiju), el instituto tecnológico textil (Aitex) y el instituto tecnológico del calzado (Inescop) colaborarán en el desarrollo de de un sistema integrado de fabricación avanzada de piezas funcionales y/o personalizadas para cada sector industrial, obtenidas mediante FDM, desarrollando nuevas formulaciones con materiales poliméricos funcionalizados, filamento apropiado para su procesado y herramientas de diseño para esta tecnología.

La innovación en sectores tradicionales como el juguete, textil y calzado pasa necesariamente por el desarrollo de productos técnicos de elevado valor añadido y con amplia funcionalidad, de tal forma que sea posible su aplicación en diversos y nuevos ámbitos técnicos, favoreciendo en todo momento el comportamiento y crecimiento socio-económico de los mismos. La elaboración de estos materiales innovadores se realizará mediante la modificación de las características mecánicas, eléctricas, físicas y térmicas de los materiales poliméricos a través de la incorporación de (nano)-materiales funcionales o bien a través de la utilización de materiales medioambientalmente sostenibles.

Posteriormente, la incorporación de estos materiales funcionales sobre la tecnología de fabricación aditiva o impresión 3D por FDM permitirá abrir nuevas oportunidades y mercados a las empresas del sector como consecuencia de la obtención de nuevos diseños personalizados (plantillas, scaffolds, muletas, etc.) y/o especiales (juguetes de uso hospitalario, estructuras mecánico-funcionales, etc.).

El objetivo principal del proyecto AMFAB es mejorar la competitividad de las empresas de los sectores del Juguete, Textil y Calzado a partir de la introducción de las tecnologías de fabricación aditiva por FDM para la personalización de piezas del sector y la incorporación de nuevos materiales funcionales.

Para ello, desde el proyecto AMFAB se han establecido una serie de objetivos específicos que han sido la definición de los requerimientos de las aplicaciones de los tres sectores involucrados, en cuanto a características de los materiales, funcionalidad y diseño, así como los requisitos que para la obtención de filamento y posterior procesado mediante FDM. En segundo lugar, la selección y desarrollo de las formulaciones de materiales con características especiales como aspecto madera, antimicrobianos, flexibles, foto/termocrómicos, luminiscentes, conductores, etc. A continuación, procesar los compuestos anteriores para la obtención de filamentos técnicos que serán empleados para fabricación por FDM de prototipos demostrativos tanto para el sector del Juguete, textil o calzado. Adicionalmente, se creará una herramienta de diseño para la mejora de piezas cuando se está realizando el diseño. Finalmente, se evaluarán los prototipos demostrativos en función de las propiedades innovadoras aplicadas a cada sector.

A continuación se muestran los desarrollos y resultados obtenidos basados en el desarrollo de nuevos materiales avanzados y funcionales empleados para la fabricación de prototipos demostradores en cada uno de los sectores manufactureros tradicionales que son el sector del juguete, textil y calzado.

1. Desarrollos realizados en el sector del juguete.

Dentro del sector del juguete, inicialmente se ha realizado un estudio para la obtención de filamentos técnicos para su uso en impresión 3D por FDM con dos tipos de propiedades innovadoras.

En primer lugar, Aiju ha desarrollado filamentos con aspecto madera mediante la adición de cargas lignocelulósicas procedentes de fuentes renovables como son la cáscara de almendra o la planta del tomate. Estos dos subproductos de la agricultura intensiva han sido molturados y tamizados a tamaño micrométrico para su incorporación como cargas sobre matrices convencionales como el ABS o biodegradables como ácido poliláctico (PLA) o policaprolactona (PCL). Estos filamentos se pueden emplear en impresoras 3D por FDM para la fabricación de juguetes con un aspecto similar a la madera como mobiliario de casas de muñecas, juguetes infantiles educativos o bien para enseñarles a clasificar, categorizar u ordenar como juegos de bloques o encajables que pueden ser personalizados con diferentes diseños creados por el usuario.

En segundo lugar, Aiju ha desarrollado nuevos filamentos con nano-cargas funcionalizadas con agentes antimicrobianos para su uso en impresoras 3D para la fabricación de juguetes personalizados que le confiere propiedades antimicrobianas sobre matrices e ABS o PCL. La ventaja de estos materiales es que los juguetes fabricados se podrán empelar en ludotecas o salas de juegos de un hospital debido a que desde un punto de vista sanitario, es importante que este juguete se encuentre siempre libre de gérmenes al ser empleado por constantemente por niños.

2. Desarrollos realizados en el sector del textil.

Desde AITEX se ha desarrollado dos tipos de materiales. En primer lugar, se han desarrollado filamentos innovadores para impresión 3D donde sobre la matriz polimérica se han adicionado aditivos basados en nanopartículas que confieren al filamento desarrollado propiedades ópticas, térmicas o eléctricas que posteriormente se transponen a los prototipos fabricados con estos filamentos.

En segundo lugar se han desarrollado monofilamentos con una estructura característica denominada “core/sheat” la cual está compuesta por dos fases donde la parte interna contiene un polímero base mayoritariamente y la parte externa está compuesta por el polímero base cargado con nanopartículas.

A continuación, de los materiales desarrollados en las primeras etapas del proyecto, se seleccionaron los filamentos basados en nano-cargas conductoras térmicas y eléctricas y se emplearon para la fabricación de tejidos. El motivo principal de la elección de estos materiales se debe a que los soportes para impresión 3D deben de poseer ciertas características especiales. Además, la capacidad de dispara el calor de los tejidos conductores térmicos facilitará la impresión 3D de las primeras capas de tejidos. Durante las etapas de impresión 3D, se estudió el efecto que tiene los parámetros de tejeduría y de las concentraciones de carga en las propiedades térmicas y eléctricas de los sustratos finales preparados.

3. Desarrollos realizados en el sector del calzado.

Dentro del sector calzado, este primer año se han realizado pruebas de extrusión con diferentes materiales con el fin de obtener un filamento con unas propiedades innovadoras adecuadas para la fabricación mediante FDM de piezas funcionalizadas.

Se ha establecido el conocimiento que se tiene acerca de cómo se debe realizar el diseño en 3D de una pieza del calzado de manera correcta, para facilitar su posterior fabricación mediante técnicas de fabricación aditiva, y se ha desarrollado una herramienta software para el diseño y fabricación mediante AM de plantillas anatómicas. Mediante el uso de este software se mejoran las funcionalidades habituales en función de las restricciones impuestas por las impresoras 3D y las diferentes técnicas de fabricación aditiva.

Asimismo, se ha desarrollado un sistema que permite la impresión en 3D de diversos prototipos funcionales relacionados con el sector del calzado, empleando tanto materiales rígidos como materiales con un cierto grado de flexibilidad. Como parte de este sistema, se ha desarrollado un cabezal de extrusión/impresión que nos ha permitido la fabricación de ciertos tipos de piezas, empleando tanto materiales rígidos como materiales con cierto grado de flexibilidad. De esta manera, hemos logrado la impresión 3D de algunas piezas simples y su caracterización mediante análisis DMA. Posteriormente hemos sido capaces de fabricar varias plantillas, con el software desarrollado para tal efecto, con cierto grado de flexibilidad.

Con el objetivo de proporcionar una mayor innovación en los sectores tradicionales descritos, se espera desarrollar nuevos filamentos técnicos con propiedades especiales. Así, en el sector del juguete se buscará nuevos filamentos técnicos con propiedades fotocrómicas o termocrómicas para el desarrollo de nuevos prototipos demostradores del sector del juguete.

En el sector textil se va a seguir profundizando en la producción de hilos monofilamento para su uso en impresión FDM y en la fabricación de tejido soporte maximizando la adherencia entre el tejido y la parte impresa por FDM por la impresora 3D.

En el caso del sector del calzado, los objetivos a corto plazo pasan por desarrollar nuevos filamentos con diversas propiedades innovadoras para ser utilizados en la fabricación de piezas con propiedades no existentes actualmente, así como mejorar tanto el software como el sistema de impresión 3D existentes, de manera que seamos capaces de aumentar la complejidad de las piezas que somos capaces de fabricar mediante FDM, y de añadir a las piezas fabricadas nuevas propiedades funcionales.

La posibilidad de innovar en los sectores tradicionales a partir de nuevas tecnologías de fabricación como es la impresión 3D mediante técnicas de fabricación aditiva es muy importante para darle un nuevo impulso a los sectores del juguete, textil y calzado. Así, se han diseñado nuevos materiales técnicos y un programa de diseño 3D que permite la mejora de los diseños, personalización en función de los requerimientos de los usuarios, todo ello a través de la fabricación por impresión 3D mediante FDM.

Agradecimientos

El proyecto AMFAB, Fabricación avanzada de productos manufactureros tradicionales mediante tecnologías de Additive Manufacturing, está financiado por el Instituto Valenciano de Competitividad Empresarial (Ivace) co-financiado con fondos Feder a través del programa “Proyectos de I+D en colaboración” en la actuación Imdeca-Proyectos de I+D en colaboración siendo los centros del consorcio Aiju, coordinador del proyecto, (REF. Imdeca/2015/66), Aitex (REF. Imdeca/2015/50) e Inescop (REF. Imdeca/2015/43).