És una de les tecnologies amb un potencial disruptiu més gran fins a l’any 2025, segons asseguren alguns estudis com l’informe del McKinsey Global Institute. Ens referim a la fabricació additiva o 3D printing, que està sent usada per grans sectors industrials com l’aeronàutic, el mèdic o l’automobilístic. Opel, per exemple, ha reduït en un 90% les despeses de producció d’eines d’acoblament gràcies a l’ús de la fabricació additiva. Un dels efectes de la irrupció d’aquesta nova tecnologia de fabricació i desenvolupament es notarà en el model logístic actual. No obstant això, el fet que estalviï moltes fases de fabricació tradicional situa la fabricació additiva en el centre de l’anomenada indústria 4.0.
Els sistemes productius industrials tradicionals, mantinguts fins ara sota les premisses de la producció en cadena i la globalització, estan deixant al descobert algunes de les seves febleses. La manca de rapidesa en el desenvolupament i en la producció, una capacitat de personalització del producte final molt limitada i la dependència d’un sistema logístic global estan deixant oberta la porta a altres alternatives. La fabricació additiva està en condicions de resoldre molts d’aquests problemes. Però, què entenem per fabricació additiva?
José Antonio Jaldo i Felip Esteve són el president i el director, respectivament, de l’Associació Espanyola de Rapid Manufacturing (ASERM), entitat que té la seu al Parc Tecnològic de Cerdanyola del Vallès. Jaldo i Esteve expliquen que, si ens referim a fabricació additiva o impressió en 3D industrial, “estem parlant d’un procés orientat a una planta industrial en lloc d’un que s’utilitza en un laboratori o servei de prototipatge, en què l’atenció se centra en la fabricació de peces per a la producció en sèrie en lloc de prototips o eines. En aquest cas, l’objectiu és utilitzar les capacitats de la fabricació additiva per maximitzar el rendiment del producte, en lloc de limitar-se a comprimir terminis de fabricació”.
Les peces obtingudes en processos industrials de fabricació additiva han de ser peces consistents i qualificades que mostrin una alta integritat i que siguin adequades per a la vida útil del producte, en lloc de peces per al modelatge o la verificació. En aquest sentit, “es trien els materials per la seva resistència i integritat en lloc de la seva aparença estètica o la seva facilitat de processament”. En un procés industrial s’ha de tenir en compte “tota la cadena de procés que cal per dissenyar, construir, acabar i verificar els productes fabricats amb impressió en 3D”.
L’impacte sobre el sector industrial
Jesús López, R&D 3D Printing Program Manager de HP, està convençut que el 3D printing protagonitzarà un canvi de paradigma en el sector industrial. “Una de les grans estratègies que HP té al davant és l’acceleració dels processos de desenvolupament i l’altra és oferir una manera de transformar la indústria. Fins ara s’està produint en centres de baix cost i després es distribueix. El que es necessita ara és produir les peces que es necessiten en el lloc on es necessiten”, assegura López.
“Perquè et puguin servir la peça de recanvi del cotxe en dos dies s’ha de tenir un gran inventari distribuït per tot el món. Amb el 3D printing la tens disponible el mateix dia o el dia següent i t’has estalviat els costos d’inventari. Amb HP Multiject Fusion Technology serà més cert que podrem canviar la cadena de subministrament global del món”, vaticina López.
L’impacte que pot arribar a tenir la fabricació additiva en el sector logístic també és destacat per José Antonio Jaldo: “És una manera d’estalviar costos logístics i maximitzar les operacions d’un magatzem perquè ja no és necessari haver d’emmagatzemar referències de fa deu o vint anys i refer constantment els motllos, que no saps si utilitzaràs. Ara tens un fitxer, fabriques la peça i ja està. Per tant, està canviant totalment el sector industrial. I aquestes tecnologies formen part de la indústria o revolució 4.0 d’una manera essencial. A més, s’ha de destacar que estalvies costos i el pes de les peces”.
Aplicacions
Les aplicacions més clares de la fabricació additiva es donen en sectors com el health care, el transport (automòbil i aeronàutica), el retail i consumer i l’arquitectura i hàbitat. Què pot aportar la fabricació additiva en aquests sectors? Vegem-ho:
? Productes de consum: la popularitat de la impressió en 3D és ja un fet a les botigues per aportar diferenciació o nous models de negoci. La indústria és testimoni de com la tecnologia i els fabricants d’impressores en 3D ja col·laboren amb els gegants de la distribució.
? Automoció: la indústria està considerant l’ús de la impressió en 3D per a la producció en massa de components crítics d’un automòbil, per reduir el temps del procés, les operacions i els costos de la cadena de subministrament (per exemple, BMW i Jaguar).
? Aeronàutica: la fabricació additiva ja s’utilitza en la producció de prototips i ara també en components finals per a naus espacials i avions comercials i de defensa, tant en components de seguretat i del motor com en peces no estructurals (per exemple, Airbus i Boeing).
? Indústria: el prototipatge ràpid ja ha demostrat grans avantatges en la indústria i la quantitat i la qualitat dels prototips que reprodueixen les característiques del material original està mostrant una tendència a l'alça imparable (per exemple, General Motors i Siemens).
? Mèdic i dental: el desenvolupament de la tecnologia digital per a aplicacions mèdiques està propiciant la penetració de la impressió en 3D al sector. Les aplicacions més destacades actualment són les pròtesis i els implants, però ja s’està treballant en la regeneració de cèl·lules i la reproducció d’òrgans humans. En el sector dental la producció d’implants ja és una indústria consolidada (per exemple, Phibo i Avinent); també, en el camp de l’òptica existeix un projecte avançat d’implantació de muntures personalitzades (Indo).
? Arquitectura: la impressió en 3D s’utilitza per desenvolupar models i maquetes d’edificis, però el sector també està immers en una intensa recerca sobre la construcció de cases utilitzant tecnologia d’impressió en 3D.
A més, Felip Esteve subratlla que la fabricació additiva “s’està utilitzant molt per crear peces de recanvi. Quan tens una sèrie antiga, la fase logística desapareix, però algú pot necessitar una peça a qualsevol part del món. Només fent un escàner o tenint una referència de la peça es pot reproduir i enviar. També hi ha un àmbit d’aplicació que es desenvoluparà en els propers anys i és el referent al sector alimentari”. En canvi, Jaldo destaca el sector mèdic, atès que “és una gran solució perquè simplifica les operacions i estalvia temps a l’hora de, per exemple, col·locar un implant a un pacient. I estem parlant de qualsevol implant, siguin bucals, ossis o inclús els audiòfons, que s’estan fabricant a tot el món amb tecnologia additiva”. Segons l’opinió de Jesús López, la fabricació additiva també s’implementa “en la indústria pesant, que és un bon exemple de tirades curtes, perquè invertir en un tooling moltes vegades no els surt a compte”.
Principals empreses fabricants de tecnologia: HP, Stratasys, 3D Systems, Renishaw, EOS, Concept Laser, SLM Solutions, Mcor Technologies, Arcam, EnvisionTEC
Tecnologia pròpia
El centre de desenvolupament d'HP de Sant Cugat del Vallès ha desenvolupat la seva pròpia tecnologia de 3D printing. Presentada oficialment l’octubre de 2014, Jesús López ens explica que “la tecnologia HP Multiject Fusion Technology té el potencial per fer la producció de peces finals”. “El que ofereix HP Multiject Fusion Technology com a tecnologia disruptiva són bàsicament tres prestacions. La primera és la velocitat, deu vegades més ràpida que les tecnologies actuals. La segona, la qualitat. Tant de la peça, és a dir, que tingui un bon comportament mecànic, l’aparença i les dimensions ajustades, com de les màquines en si, perquè quan entren en producció i han d’imprimir moltes peces alhora, ens hem trobat que amb altres tecnologies el resultat no sempre és igual. La tercera, el cost tant de l’equip com de produir les peces en 3D.” Aquesta tecnologia funciona així: “Ens basem en pols i en un termoplàstic semblant al niló, però estem treballant en la formulació final del material. Aquest material es disposa en una primera capa sobre la qual se selecciona l’àrea que volem fondre. En aquest procés el que fem és aplicar els agents químics de fusió. Allà on hem posat les gotes de l’agent de fusió, en una segona fase, el que hi fem és una nova passada i s’hi aplica energia. És molt important perquè les gotes penetren en la pols i fonem allò que volem amb una sola passada. La fusió és molt bona i aconseguim que les peces siguin fortes. Els agents d’acabat s’apliquen a la part exterior de la capa que s’està fent perquè així controlem la reacció tèrmica, obtenim que l’acabat superficial sigui bo i que les dimensions siguin les correctes. Tenim algoritmes que són capaços de calibrar les imperfeccions i corregir-les”.
Les matèries primeres, clau de l’èxit
Actualment el mercat de materials està dominat pels fotopolímers i els materials metàl·lics. El creixement dels materials fotopolímers el 2014 va ser d’un 30,3% i va arribar als 298,4 milions de dòlars. Mentre que el creixement dels materials metàl·lics ha estat d’un 49,4% i per un valor total de 48,7 milions de dòlars. Segons l’estudi de l’IDTechEx, les previsions futures dels propers deu anys mostren una tendència de creixement similar per a la pols termoplàstica i la metàl·lica, gràcies a les noves aplicacions per al prototipatge i la fabricació de peces finals.
Els materials més utilitzats són els de la família dels plàstics. L’oferta és molt variada i presenta característiques molt diferents en les propietats funcionals com ara els colors, la transparència, la biocompatibilitat, la resistència, la rigidesa, la duresa, l’elasticitat, etc. Per exemple, l’estereolitografia utilitza els fotopolímers: les seves propietats canvien segons la llum.
En funció de les seves reaccions davant de temperatures elevades, els plàstics es divideixen en dues categories: els termoplàstics, que tenen la qualitat de poder ser reutilitzats, i els termoplàstics termostables, que són materials polímers líquids o mal·leables a temperatures baixes però que només poden ser utilitzats una sola vegada.
Dins dels termoplàstics més utilitzats trobem l’ABS, la poliamida (PA), el policarbonat (PC) i l’àcid polilàctic (PLA).
En el camp dels metalls, trobem grans avenços en els materials que permeten peces funcionals d’alta qualitat. Els materials més utilitzats són el crom-cobalt, els aliatges a base de níquel, els aliatges de titani, el coure, els aliatges d’alumini, així com els metalls preciosos com l’or, la plata o el platí. També, l’acer inoxidable i l’acer per a utillatges. La investigació constant fa que hi hagi cada vegada més oferta de materials, tot i que avui dia són encara una limitació sobretot pel que fa al cost, a causa dels processos específics d’atomització de la matèria primera.
Irrupció de les primeres fires sobre fabricació additiva
L’esclat de les diferents tecnologies de fabricació additiva i l’aplicació que n’estan fent grans sectors industrials verticals han fet que Fira de Barcelona hagi decidit organitzar la primera edició d’In(3D)ustry, el nou esdeveniment que vol avançar el futur de la impressió en 3D. Del 21 al 23 de juny d’enguany, el pavelló 1 del recinte de Gran Via de Fira de Barcelona acollirà aquest nou esdeveniment d’àmbit internacional que analitzarà el present i el futur de la fabricació avançada i additiva, coneguda popularment com a impressió en tres dimensions (3D). El certamen, que es defineix com un hub global, aplegarà tots els segments que configuren l’ecosistema de la fabricació avançada i additiva per tal de fomentar la millora tecnològica d’aquests innovadors sistemes.
No obstant això, la de Fira de Barcelona no serà la primera mostra professional del sector a l’Estat espanyol. El Bilbao Exhibition Centre (BEC) acollirà la celebració de la fira ADDIT3D, que se celebrarà de manera paral·lela a la Biennal de Màquina-Eina (BIEMH) entre el 30 de maig i el 4 de juny.
Tendències futures de la fabricació additiva
Seguint algunes de l recomanacions de l’agenda estratègica de R+D (SRA) de la Plataforma Europea de Fabricació Additiva AM Platform, destaquem alguns aspectes prioritaris per al desenvolupament de les tecnologies de fabricació additiva en els propers anys. Pel que fa a la productivitat, cal augmentar la velocitat de fabricació de les peces, mitjançant noves formes d’escaneig i a través de noves fonts d’energia. També, reduir el temps de fabricació de cada capa i el temps de construcció entre capa i capa, així com la posada en marxa i l’apagament del procés. D’altra banda, cal desenvolupar un volum de producció més gran, a través de metodologies eficients amb lots consistents per al subministrament de materials.
Pel que fa a l’estabilitat del procés, cal augmentar la capacitat de processament, la qualitat i el rendiment dels materials. També, desenvolupar metodologies per encertar a la primera el tractament i augmentar el control de les toleràncies en el procés. Finalment, cal analitzar el consum d’energia i desenvolupar metodologies per a la seva reducció. En relació amb el procés i la qualitat del producte final, convé desenvolupar sistemes per al control durant el procés, incloent-hi tècniques de reducció dels requisits d’accions en el postprocessament. Per millorar la qualitat de la superfície, caldrà desenvolupar la caracterització del material i el mecanisme pel qual el material és processat. Pel que fa als costos, serà molt important reduir les deixalles i millorar la repetibilitat de la peça, així com facilitar noves fonts de producció o millors sistemes de processament de materials per a la integració de la cadena de subministrament.
