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Acelerando la adopción de los aditivos industriales

Introducción 

La fabricación aditiva (AM), o impresión 3D, ofrece oportunidades increíbles e inexploradas. La AM permite innovar en el diseño de productos, mientras que sus capacidades de fabricación flexible apoyan un modelo de fabricación distribuido que ayuda a desbloquear nuevos potenciales de negocio. Sin embargo, cuando las empresas empiezan a considerar todo lo que se necesita para hacer realidad la fabricación aditiva, como el diseño generativo, la consolidación de piezas y la optimización de la topología, queda claro que las formas tradicionales de diseñar y fabricar piezas están desapareciendo. 

Sin embargo, la adopción de nuevas tecnologías de fabricación siempre se enfrenta a desafíos.  Afortunadamente, se han dado grandes pasos para incorporar la AM a la corriente principal. Nuevas herramientas, procesos y tecnologías emergentes están acercando a los adoptantes a la adición industrializada, sobre todo en forma de simulación. 

Un mundo de nuevos materiales 

La elección del material es la primera decisión y una de las más importantes para las aplicaciones de AM. La selección se basa en requisitos de diseño, como el peso, la resistencia, el rendimiento térmico y los objetivos de costo. Por ejemplo, un diseñador puede elegir el titanio para cumplir unos parámetros de resistencia específicos, mientras que la elección del aluminio podría responder a ciertas limitaciones de costo. Ambos materiales son imprimibles mediante técnicas de AM, pero la elección de los materiales depende de las necesidades del diseño y de la empresa. 

Actualmente, la historia de los materiales para la fabricación aditiva es un potencial creciente, tanto para la industria de los metales como para la de los polímeros. La lista de materiales disponibles no es comparable a la de los métodos de fabricación tradicionales, pero está creciendo. En los últimos cinco años, los materiales certificados para la AM han pasado de varios cientos a más de 3.000, y continuamente se certifican otros nuevos. Esperamos que el mercado de materiales imprimibles siga creciendo, y nos entusiasman las nuevas posibilidades de diseño que la expansión permitirá. 

Las capacidades avanzadas de simulación y diseño asistido por computadora (CAD) serán esenciales para comprender plenamente las propiedades de estos nuevos materiales durante el diseño y la validación de una pieza de AM. La simulación mediante técnicas convencionales de AEF no puede simular estos materiales sin una amplia calibración previa. Recientemente, han surgido nuevas capacidades de análisis de elementos finitos (FEA) multiescala que ayudan a predecir la durabilidad de una pieza impresa en 3D mediante la combinación de un modelo a escala local de la microestructura con un modelo a escala global de la pieza analizada. Estos dos análisis se realizan simultáneamente, y los resultados de un modelo afectan al comportamiento del otro. Este método de resolver cada dominio individualmente y luego vincular los resultados ha demostrado ser tan preciso como la técnica estándar de FEA, pero con una eficacia 1.000 veces mayor. El resultado es la capacidad de simular el comportamiento completo de los materiales en las piezas impresas.

Geometrías innovadoras

Los objetos fabricados aditivamente pueden tener casi cualquier forma o geometría definida por el modelo 3D. Se trata de una tecnología de geometría agnóstica, que permite a las empresas fabricar y producir geometrías intrincadas que antes eran imposibles con los métodos tradicionales de moldeo por inyección o fabricación sustractiva. Las geometrías casi ilimitadas también permiten la consolidación de piezas. En lugar de dividir un sistema en múltiples componentes para su fabricación con métodos de control numérico computarizado (CNC) o de fundición, la AM puede reducir incluso las geometrías más complejas a unas pocas o incluso una sola pieza. El ingeniero más experimentado puede incluso integrar capacidades funcionales en el sistema, como muelles o interruptores mecánicos, para reducir aún más el número de piezas.

Estas geometrías complejas pueden ser un arma de doble filo, ya que no son fáciles de definir en las técnicas tradicionales de CAD. Se necesitan herramientas de ingeniería generativa multidisciplinar con potentes capacidades de simulación. Las capacidades de exploración del espacio de diseño pueden automatizar el proceso de búsqueda de diseños óptimos que cumplan una multiplicidad de requisitos de rendimiento, iterando sobre cientos de posibles diseños en cuestión de minutos. Además, ayuda a los usuarios a visualizar las compensaciones de rendimiento del diseño entre los objetivos y las restricciones que compiten entre sí.

La simulación es la mejor amiga de todo diseñador que trabaje con tecnologías de AM. Cuando se diseña una pieza para la fabricación aditiva, es imperativo verificar y simular la impresión antes de comprometerse con la fabricación. El sector médico está muy familiarizado con esto, ya que fue uno de los primeros en adoptar la impresión 3D para crear implantes personalizados, como articulaciones de reemplazo. Como parte de este proceso, los diseñadores cuentan con herramientas especializadas para simular el proceso de impresión en metal. La impresión de una articulación de cadera en titanio puede llevar hasta 32 horas; un problema a mitad de la impresión podría costar hasta 50.000 dólares en tiempo y materiales perdidos. Por tanto, la simulación antes de la impresión física puede ahorrar tiempo y dinero. 

Escalado para la fabricación industrial

Otro de los obstáculos para la fabricación aditiva es su ampliación a la producción general, generando miles de piezas rápidamente con alta calidad. Aunque se ha avanzado hacia este objetivo, sigue habiendo incógnitas y desafíos para cada método de procesamiento. Tanto si se trata de termoplásticos como de materiales compuestos o metales, hay muchas interacciones entre materiales que aún no se conocen del todo. Esto supone un problema para la repetitividad de las piezas y la precisión del proceso, lo que crea la necesidad de nuevos métodos de diseño y nuevas tecnologías.

La fabricación aditiva consiste en calentar los materiales a temperaturas extremas y luego enfriarlos para darles la forma deseada. Las piezas impresas se enfrían en un espacio relativamente libre. En consecuencia, las piezas no se enfrían de forma homogénea, lo que puede provocar distorsiones inesperadas. Como resultado, a menudo se necesitan numerosas iteraciones para conseguir ciclos de carga térmica y enfriamiento aceptables, lo que conlleva una gran cantidad de desechos y a menudo anula el propósito de utilizar las capacidades de producción rápida de la AM. 

Afortunadamente, una sólida simulación basada en técnicas de dinámica de fluidos computacional (CFD) puede predecir las distorsiones termomecánicas y luego proponer posibles alteraciones de la geometría CAD para rectificar dichas distorsiones. Además, existen programas avanzados de preparación y simulación de la AM que permiten predecir y corregir los defectos a mesoescala provocados por el sobrecalentamiento a medida que el extrusor o el láser se desplazan por su trayectoria de impresión 3D. También es posible predecir dónde y por qué podría fallar la pieza, lo que ayuda a los diseñadores a optimizar las piezas impresas en 3D hasta el nivel microestructural. A medida que estas soluciones para manejar la sofisticada maquinaria de impresión 3D sigan evolucionando, conseguir un proceso de AM industrial repetible y de calidad se convertirá en algo habitual. 

Maximizando el potencial de los aditivos

Incluso en este breve debate, es evidente que abordar los retos de la AM requiere adoptar una nueva mentalidad para el diseño y un nuevo enfoque para la fabricación. Para la mayoría de los primeros adoptantes, se trata de un proceso gradual en lugar de un enfoque de todo o nada. 

A menudo, este proceso comienza a un nivel mínimo. En Alemania, por ejemplo, las empresas de automoción que experimentan con un enfoque combinado están utilizando la fabricación aditiva y el software de diseño para crear piezas estructuralmente sólidas del chasis o la estructura de un coche. Puede que no impriman un coche entero, pero están tomando vigas huecas extraídas, como las que se utilizan en la fabricación tradicional de automóviles, e imprimiendo nodos para conectar esas vigas entre sí. Estos nodos incluyen una estructura de celosía impresa en el interior para generar la rigidez estructural necesaria con una penalización mínima de peso. Empezando a pequeña escala y centrándose en un objetivo alcanzable, están imprimiendo piezas duraderas y eficientes que podrían cambiar la futura fabricación de automóviles.

Mientras tanto, en la industria aeroespacial, la producción de calidad se ve aumentada por sofisticación de las simulaciones actuales. Las técnicas de diseño basadas en la simulación se utilizan ahora para minimizar el peso de las piezas y el uso de materiales, manteniendo las características estructurales necesarias. Luego, durante la fabricación, la simulación se utiliza de nuevo para garantizar un resultado de calidad en la configuración de la construcción y el proceso de impresión.

En ejemplos como este, vemos cómo la tecnología aumenta la producción en todos los sectores y en todo el mundo. Este es el tipo de innovación y evolución de la fabricación aditiva que se necesitará para llevar la tecnología a niveles de producción industrial.

Adoptando un nuevo enfoque

Puede que la fabricación aditiva sea relativamente innovadora, pero está creciendo rápidamente a medida que se certifican nuevos materiales, se adopta la ingeniería generativa, la optimización de la topología se convierte en la norma y se introduce y adopta el software de fabricación. Los métodos de fabricación tradicionales han tardado siglos en consolidarse: la fundición existe desde la Edad de Bronce y la forja desde la Edad de Hierro. Sólo estamos empezando a aprender cómo la tecnología AM puede cambiar el diseño y la fabricación. Durante esta apasionante época de descubrimiento y maduración, un espíritu de diseño centrado en las capacidades y los retos de la AM y un nuevo enfoque de la fabricación están acercando la AM a desencadenar la próxima revolución industrial.

Ashley Eckhoff es directora de marketing del grupo de ingeniería de fabricación de Siemens Digital Industries Software centrado en la fabricación aditiva

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