Proyecto Fin de Carrera Ingeniería Aeronáutica Estudio sobre la aplicación de las tecnologías de fabricación aditiva al sector aeronáutico y espacial. Impresión 3D. Autor: Francisco Manuel Acevedo Vallejo Tutor: Mª Gloria del Río Cidoncha Dpto. Ingeniería Gráfica Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2016 i Proyecto Fin de Carrera Ingeniería Aeronáutica Estudio sobre la aplicación de las tecnologías de fabricación aditiva al sector aeronáutico y espacial. Impresión 3D. Autor: Francisco Manuel Acevedo Vallejo Tutor: Mª Gloria del Río Cidoncha Profesora titular Depto. de Ingeniería gráfica Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2016 Proyecto Fin de Carrera: Estudio sobre la aplicación de las tecnologías de fabricación aditiva al sector aeronáutico y espacial. Impresión 3D. Autor: Francisco Manuel Acevedo Vallejo Tutor: Mª Gloria del Río Cidoncha El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2016 El Secretario del Tribunal 雨降って、地固まる “Tras la lluvia, la tierra se endurece” – Proverbio japonés A mis queridos padres, que lo han dado todo para que haya podido llegar hasta aquí. Agradecimientos. Al haber llegado a este punto y echar la vista atrás, impresiona la plétora de personas que han contribuido directa o indirectamente a que se haya podido realizar este Proyecto. El esfuerzo y dedicación que se ha necesitado no sólo para la elaboración del mismo, sino para la formación que ha sido necesaria acumular durante los años para alcanzar el nivel necesario para ello, hace imprescindible valorar y agradecer debidamente a aquellos involucrados. A todos mis profesores, que desde la infancia hasta mi paso por la universidad han inculcado en mí los valores, constancia y conocimientos necesarios para llegar hasta donde estoy, os agradezco vuestra sabiduría y vuestra dedicación a la enseñanza – sois un pilar fundamental de la sociedad sin el cual nuestra civilización no sería la que es. De entre todos ellos, mi agradecimiento más profundo a Juan Palacios y Gloria del Río del Departamento de Ingeniería Gráfica de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Sevilla por haberme propuesto este Proyecto tan fascinante que ha despertado en mí una gran pasión que perseguiré a lo largo de mi carrera profesional. A mi familia –tanto la de sangre como la que he encontrado entre extraños– os agradezco encarecidamente vuestro apoyo incondicional, vuestro amor, amistad y ánimo sin el cual no podría haber llegado a donde estoy hoy. En especial, a mis padres, Antonia y José, y a mi compañero de penurias, fatigas y alegrías durante años en nuestro segundo hogar, el monstruo rojo, Álvaro. Por fin lo hemos logrado. Francisco Manuel Acevedo Vallejo Sevilla, 2016 i ii Resumen. Este Proyecto, Estudio sobre la aplicación de las tecnologías de fabricación aditiva al sector aeronáutico y espacial. Impresión 3D trata de discernir si es posible y factible la aplicación de la impresión 3D para la fabricación de piezas y componentes aeroespaciales. Para ello, en primer lugar, se dan a conocer las tecnologías actuales de fabricación aditiva y se proponen cuáles podrían ser las más deseables para el sector teniendo en cuenta las características particulares de éste a la vez que se presentan las opciones comerciales disponibles actualmente. Con todo ello, se analiza desde el punto de vista económico y tecnológico la implantación en el marco empresarial actual de la fabricación aeroespacial, identificando las limitaciones presentes a la vez que se contrasta con casos ilustrativos reales. Finalmente se valora el posible impacto que estas nuevas tecnologías podrían tener en el futuro cercano sobre el marco productivo y social. iii iv Abstract. This Project, A Study on the Applicability of Additive Manufacturing Technologies to the Aerospace Sector. 3D Printing tries to discern whether the use of current 3D printing technologies is feasible and possible for the production of aerospace parts and components. In order to do this, firstly, current additive manufacturing technologies are showcased and studied, ultimately coming up with a selection of those most adequate taking into account the peculiarities of the aerospace sector while also presenting current commercially available options. With all this, and with the use of real-world case studies, the implementation of these technologies within the aerospace company sector is analysed economically and technologically, identifying current limitations. Lastly, the possible impact that these new technologies could have on production and society in the near future is explored. v vi Índice. Agradecimientos. ........................................................................................ i Resumen. .................................................................................................. iii Abstract...................................................................................................... v 1. Introducción. ........................................................................................ 1 1.1. Objetivos. ...................................................................................................................... 1 1.2. Estructura y nomenclatura. Convenios. ........................................................................ 2 2. Fundamentos teóricos. ........................................................................ 5 2.1. Introducción. ................................................................................................................. 5 2.2. Fabricación aditiva. ....................................................................................................... 5 2.2.1. Definiciones y conceptos básicos. ......................................................................... 5 2.2.2. Nomenclatura complementaria alternativa.......................................................... 7 2.2.2.1. “Rapid Prototyping”. ..................................................................................... 8 2.2.2.2. Fabricación automatizada (“Autofab”). ........................................................ 9 2.2.2.3. Fabricación de formato o forma libre (“Freeform Fabrication”). ................. 9 2.2.2.4. Estereolitografía o impresión 3D (“Stereolithography”). ............................ 10 2.2.2.5. Fabricación digital directa (“Direct Digital Manufacturing”). ...................... 11 2.2.2.6. Otra terminología y aclaraciones. ............................................................... 11 2.2.3. El proceso genérico: de CAD a pieza final. .......................................................... 13 2.2.3.1. Diseño en CAD. ............................................................................................ 14 2.2.3.2. Conversión a formato de archivo propio de la máquina AM. STL vs. AMF. 15 2.2.3.3. Transferencia y manipulación del archivo por la máquina. ........................ 21 2.2.3.4. Configuración de la máquina....................................................................... 22 2.2.3.5. Fabricación de la pieza. ............................................................................... 23 2.2.3.6. Obtención y limpieza de la pieza. ................................................................ 23 2.2.3.7. Post-procesado............................................................................................ 24 2.2.3.8. Puesta en servicio de la pieza...................................................................... 25 2.2.4. Clasificación de las tecnologías de fabricación aditiva........................................ 26 2.2.4.1. Clasificación según la ASTM. Clasificación según el proceso. ..................... 27 2.2.4.1.1. Procesos de fotopolimerización (“Vat Photopolymerization”). ............... 28 vii 2.2.4.1.2. Procesos de impresión (“Printing Processes”). ........................................ 29 2.2.4.1.3. Procesos de extrusión de material (“Extrusion Processes”). ................... 32 2.2.4.1.4. Procesos de fusión en lecho de polvo (“Powder Bed Fusion”). ............... 34 2.2.4.1.5. Procesos de laminación de chapas (“Sheet Lamination Processes”). ...... 35 2.2.4.1.6. Procesos de depositado mediante energía dirigida (“Directed Energy Deposition”). ............................................................................................................... 37 2.2.4.2. 2.3. Clasificación según D.T. Pham. .................................................................... 38 Tecnologías de AM de especial interés. ...................................................................... 41 2.3.1. Definición y determinación de las tecnologías de “especial interés”. ................ 41 2.3.2. Procesos de fusión en lecho de polvo (“PBF”). ................................................... 48 2.3.2.1. Sinterizado selectivo por láser (“Selective Laser Sintering”)....................... 48 2.3.2.2. Sinterizado directo de metal por láser (“Direct Metal Laser Sintering”). ... 51 2.3.2.3. Sinterizado selectivo térmico (“Selective Heat Sintering”). ........................ 59 2.3.2.4. Fundido selectivo por láser (“Selective Laser Melting”). ............................ 61 2.3.2.5. Fundido por rayo de electrones (“Electron Beam Melting”). ..................... 66 2.3.2.6. Resumen: comparación entre las tecnologías de “PBF”. ............................ 69 2.3.3. Procesos de depositado mediante energía dirigida (“DED”). ............................. 71 2.3.3.1. Formado por láser de polvo (“Laser Powder Forming”). ............................ 73 2.3.3.2. Formación por fusión de iones (“Ion Fusion Formation”)........................... 77 2.3.3.3. Fabricación directa mediante haz de electrones (“Electron Beam Direct Manufacturing”). ............................................................................................................. 78 2.3.3.4. 2.4. Resumen: comparación entre las tecnologías “DED”. ................................ 81 Otras tecnologías de AM. ............................................................................................ 83 2.4.1. Procesos de fotopolimerización. ......................................................................... 83 2.4.1.1. Estereolitografía (“Stereolithography”). ..................................................... 84 2.4.1.2. Procesado digital de luz (“Digital Light Processing”). .................................. 85 2.4.2. Procesos de extrusión. ........................................................................................ 87 2.4.2.1. Modelado mediante depositado de fundidos (“Fused Deposition Modelling”)...................................................................................................................... 87 2.4.2.2. 2.4.3. Elaboración de contornos (“Contour Crafting”). ......................................... 89 Procesos de laminado de chapas. ....................................................................... 90 2.4.3.1. Fabricación de objetos laminados (“Laminated Object Manufacturing”). . 90 2.4.3.2. Consolidación ultrasónica (“Ultrasonic Consolidation”). ............................ 92 2.4.4. Procesos de impresión. ....................................................................................... 96 2.4.4.1. Procesos de inyección de material. ............................................................. 96 viii 2.4.4.2. 2.5. Procesos de inyección de aglutinante. ........................................................ 99 Consideraciones finales de AM. ................................................................................ 102 2.5.1. Consideraciones de materiales en AM. El problema de los cerámicos. ............ 102 2.5.2. Listado de tecnologías de AM de interés. ......................................................... 103 2.5.3. Comparación entre las tecnologías de interés. ................................................. 104 3. Estado del arte. ................................................................................ 109 3.1. Introducción. ............................................................................................................. 109 3.2. Evolución histórica de las tecnologías de fabricación aditiva. .................................. 109 3.2.1. Década de 1980. ................................................................................................ 110 3.2.2. Década de 1990. ................................................................................................ 111 3.2.3. Década de 2000. ................................................................................................ 113 3.2.4. Década de 2010 hasta la actualidad.................................................................. 115 3.3. Estado actual del mercado de la AM......................................................................... 118 3.3.1. 3.3.1.1. “3D Systems”. ............................................................................................ 119 3.3.1.2. “EOS”. ........................................................................................................ 121 3.3.1.3. “Optomec”. ............................................................................................... 122 3.3.1.4. “Concept Laser”......................................................................................... 123 3.3.1.5. “Renishaw”. ............................................................................................... 124 3.3.1.6. “ReaLizer”. ................................................................................................. 125 3.3.1.7. “SLM Solutions”. ........................................................................................ 126 3.3.1.8. “Stratasys”. ................................................................................................ 127 3.3.1.9. “Solidica” y “Fabrisonic”. ........................................................................... 128 3.3.1.10. “Arcam AB”................................................................................................ 128 3.3.1.11. “Sciaky Inc.”. .............................................................................................. 129 3.3.1.12. “BeAM”...................................................................................................... 130 3.3.1.13. Otras empresas de interés. ....................................................................... 130 3.3.2. 3.4. Breve descripción de las principales empresas fabricantes actuales. .............. 118 Discusión sobre el estado actual del mercado. Tipos adicionales de empresas. ………………………………………………………………………………………………………………………131 Estado actual de las tecnologías de AM de interés. .................................................. 134 3.4.1. Tecnologías de fusión en lecho de polvo (“PBF”).............................................. 135 3.4.1.1. Principales fabricantes y máquinas de “SLS” y “DMLS” (sinterización). ... 135 3.4.1.1.1. Modelos de “3D Systems”. ..................................................................... 135 3.4.1.1.2. Modelos de “EOS”. ................................................................................. 136 ix 3.4.1.2. Principales fabricantes y máquinas de “SLM” (fusión).............................. 137 3.4.1.2.1. Modelos de “ConceptLaser”. ................................................................. 137 3.4.1.2.2. Modelos de “SLM Solutions”. ................................................................ 138 3.4.1.2.3. Modelos de “ReaLizer”. .......................................................................... 138 3.4.1.2.4. Modelos de “Renishaw”. ........................................................................ 138 3.4.1.2.5. Modelos de “Arcam AB”. ....................................................................... 138 3.4.1.3. 3.4.2. Discusión sobre el mercado de impresoras de “PBF”. .............................. 139 Tecnologías de depositado mediante energía dirigida (“DED”). ....................... 140 3.4.2.1. Modelos de “Optomec”. ........................................................................... 140 3.4.2.2. Modelos de “BeAM”.................................................................................. 140 3.4.2.3. Modelos de “Sciaky Inc.”. .......................................................................... 141 3.4.3. Consolidación ultrasónica. ................................................................................ 141 3.4.4. Modelado mediante depositado de fundidos (“FDM”). ................................... 142 3.5. Estado actual de otras tecnologías de AM. ............................................................... 143 3.6. Consideraciones finales. ............................................................................................ 146 3.6.1. El problema de la comercialización del material. ............................................. 146 3.6.2. Vista general del mercado de AM. Eventos e información de interés. ............. 148 3.6.3. Comparación de las tecnologías de interés. ..................................................... 150 4. Implementación de las tecnologías de AM en el sector aeroespacial actual. Análisis económico y técnico. ..................................................... 154 4.1. Introducción. ............................................................................................................. 154 4.2. Antecedentes: estudio del empleo de las tecnologías de AM en el sector aeroespacial. ......................................................................................................................... 155 4.2.1. Perspectiva general. Pasos y caminos estratégicos. ......................................... 155 4.2.1.1. Compatibilidad del sector aeroespacial con las tecnologías de AM. Estado actual, problemas y posibles soluciones. ...................................................................... 155 4.2.1.2. Caminos estratégicos para la adopción de tecnologías de AM por empresas del sector aeroespacial.................................................................................................. 160 4.2.2. Estudio de casos específicos. ............................................................................ 163 4.2.2.1. Empresas pertenecientes al primer camino estratégico........................... 163 4.2.2.2. Empresas pertenecientes al segundo camino estratégico. ....................... 167 4.2.2.3. Empresas pertenecientes al tercer camino estratégico. ........................... 172 4.2.2.4. Empresas pertenecientes al cuarto camino estratégico. .......................... 178 4.2.3. Casos de AM en el entorno institucional-educativo de Sevilla. ........................ 184 x 4.3. Análisis económico y técnico de la implementación de la AM en el sector aeroespacial. ......................................................................................................................... 186 4.3.1. Análisis económico. ........................................................................................... 186 4.3.2. Análisis técnico. ................................................................................................. 194 4.3.2.1. Los grandes retos técnicos que presenta la AM actualmente. ................. 196 4.3.2.2. Análisis de las posibles soluciones a los retos técnicos de la AM actuales: identificación de parámetros clave en la falta de consistencia de la calidad. .............. 198 4.3.2.2.1. Influencia de los parámetros en procesos de “DMLS” y “SLM”. Estudio sobre “SLS” y materiales poliméricos resultantes..................................................... 199 4.3.2.2.2. Estudio sobre las propiedades de piezas fabricadas mediante “DED”. . 205 4.3.2.2.3. Estudio sobre las propiedades de las piezas fabricadas mediante “FDM”. ……………………………………………………………………………………………………………208 4.3.2.3. Estudio desde el punto de vista técnico de la conformidad de las tecnologías de AM “de interés”. ................................................................................... 210 4.4. Discusión. Relevancia del empleo de las tecnologías de AM en el sector aeroespacial. ……………………………………………………………………………………………………………………………..212 5. Impacto de las tecnologías de AM en la industria y en la sociedad actual y futura. Investigación y desarrollos futuros relevantes para el sector aeroespacial. ............................................................................... 215 5.1. Introducción. ............................................................................................................. 215 5.2. Impacto sobre las tecnologías de AM en la industria actual y futura. ...................... 215 5.3. Análisis sobre el impacto de la AM sobre la sociedad del futuro próximo. .............. 219 5.4. Casos ilustrativos recientes sobre la AM. Discusión sobre aplicaciones noveles dentro del sector aeroespacial futuro. ............................................................................................. 221 6. Conclusiones. ................................................................................... 226 6.1. Análisis del cumplimiento de los objetivos. .............................................................. 226 6.2. Resumen y conclusión final. ...................................................................................... 228 6.3. Líneas futuras de trabajo........................................................................................... 228 7. Anexos. ............................................................................................ 231 7.1. Anexo 1. Modelos de “3D Systems”. ......................................................................... 231 7.2. Anexo 2. Modelos de “EOS”. ..................................................................................... 246 7.3. Anexo 3. Modelos de “ConceptLaser”. ..................................................................... 264 7.4. Anexo 4. Modelos de “SLM”. .................................................................................... 271 7.5. Anexo 5. Modelos de “ReaLizer”. .............................................................................. 280 7.6. Anexo 6. Modelos de “Renishaw”. ............................................................................ 286 xi 7.7. Anexo 7. Modelos de “Arcam AB”. ........................................................................... 288 7.8. Anexo 8. Modelos de “Optomec”. ............................................................................ 293 7.9. Anexo 9. Modelos de “BeAM”. ................................................................................. 299 7.10. Anexo 10. Modelos de “Sciaky Inc.”. ..................................................................... 302 7.11. Anexo 11. Modelos de “Fabrisonic”. ..................................................................... 304 7.12. Anexo 12. Modelos de “Stratasys”. ....................................................................... 306 8. Bibliografía y referencias. ................................................................. 313 xii Índice de figuras. Figura 2-1: comparación de una pieza fabricada con distintos espesores de capa mediante fabricación aditiva. Muestra el espesor de las capas y el tiempo empleado por una máquina en particular en fabricarlas. ............................................................................................................... 7 Figura 2-2: ejemplos de la complejidad geométrica de las piezas que se puede conseguir usando máquinas de fabricación aditiva. Ilustración del concepto de “fabricación de formato o forma libre de sólidos” (SFF). ...................................................................................................... 10 Figura 2-3: Ilustración de los ocho pasos genéricos en el proceso que lleva desde el diseño de la pieza en un entorno CAD hasta su puesta en servicio. [15] .................................................... 13 Figura 2-4: Representación simplificada a título ilustrativo de la aproximación de un toroide tal como aparece en un archivo CAD (trazo discontinuo) mediante una superficie formada por triángulos planos (trazos continuos) presentes en un archivo STL. La “x” representa el punto de distancia mínima entre el plano formado por el triángulo de lados “a”, “b” y “c” y el toroide. 16 Figura 2-5: Muestra de los cambios opcionales que el método de aproximación para el formato AMF introduce respecto al formato STL. Curvatura de los triángulos en tres dimensiones (superior derecha) o curvatura de los lados (inferior derecha). ................................................. 18 Figura 2-6: División recursiva de los triángulos de la aproximación AMF generando 4n triángulos adicionales para obtener las superficies triangulares curvas. En este caso, n = 2 y el triángulo inicial es plano para simplificar la representación del concepto. Nótese que esta división recursiva sólo se aplica si el triángulo inicial ha de ser curvo........................................ 19 Figura 2-7: Dos gráficas de “error” vs. “número de triángulos” en el caso de intentar aproximar la esfera unidad mediante los métodos del formato STL frente a los del AMF con n = 1, 2, 3, …, 6 subdivisiones. ........................................................................................................................... 20 Figura 2-8: Esquema ilustrativo de la clasificación de las tecnologías de fabricación aditiva según el proceso seguido por la máquina en la fabricación. ...................................................... 28 Figura 2-9: Esquema del proceso de fotopolimerización. .......................................................... 29 Figura 2-10: Esquema de un proceso de impresión. A la izquierda, inyección de material. A la derecha, inyección de aglutinante. ............................................................................................. 30 Figura 2-11: Esquema del proceso de extrusión de material. .................................................... 33 Figura 2-12: Esquema del proceso de fusión en lecho de polvo. ............................................... 35 Figura 2-13: Esquema del proceso de laminación. ..................................................................... 36 Figura 2-14: Esquema del proceso de depositado mediante energía dirigida. .......................... 38 Figura 2-15: Esquema o tabla ilustrativa de la selección de las tecnologías de fabricación aditivas de interés según parámetros técnicos........................................................................... 43 Figura 2-16: Diagrama de una máquina que emplea la tecnología de sinterizado selectivo por láser (“SLS”). ................................................................................................................................ 50 Figura 2-17: Ejemplos de piezas fabricadas mediante la tecnología “SLS”................................. 50 Figura 2-18: Piezas fabricadas mediante “SLS” en el lecho de polvo antes de ser extraídas y limpiadas. .................................................................................................................................... 51 xiii Figura 2-19: Operarios realizando tareas de extracción y limpieza de piezas fabricadas por “SLS”. ........................................................................................................................................... 51 Figura 2-20: Cámara interior de una máquina de “DMLS” fabricada por EOS. .......................... 52 Figura 2-21: Actuación del láser sobre una capa de polvo metálico, sinterizándola en el interior de una máquina de “DMLS”. ....................................................................................................... 53 Figura 2-22: Proceso de recuperación del polvo metálico durante la limpieza de la pieza fabricada mediante “DMLS” empleando una manguera de succión y un tamizado. ................. 57 Figura 2-23: Proceso de limpieza de piezas fabricadas mediante “DMLS”................................. 58 Figura 2-24: Ejemplos de piezas fabricadas de diferentes materiales mediante el proceso de “DMLS”. ....................................................................................................................................... 58 Figura 2-25: Dos piezas fabricadas mediante la tecnología “Micro Laser Sintering” (“MLS”). ... 59 Figura 2-26: Máquina de fabricación aditiva de la empresa “Blueprinter” que emplea la tecnología “SHS”. ........................................................................................................................ 60 Figura 2-27: Muestrario de piezas fabricadas mediante la tecnología “SHS”. ........................... 60 Figura 2-28: Ilustración del proceso de “SLM”. .......................................................................... 62 Figura 2-29: Ilustración de los fuertes gradientes de temperatura y tensiones residuales que causan deformaciones en piezas no-ancladas empleando el proceso de “SLM”. ...................... 62 Figura 2-30: Máquina de “SLM” de la empresa “Concept Laser”. Actualmente una de las de mayores dimensiones en el mercado. ........................................................................................ 64 Figura 2-31: Actuación del láser durante la creación de una capa en el interior de una máquina de “SLM”. .................................................................................................................................... 64 Figura 2-32: muestrario de piezas fabricadas mediante la tecnología “SLM”. ........................... 66 Figura 2-33: Ilustración del proceso de “EBM”. .......................................................................... 67 Figura 2-34: muestrario de piezas fabricadas en aleaciones de titanio mediante la tecnología “EBM”. ......................................................................................................................................... 68 Figura 2-35: Tres ejemplos de reparación de componentes de turborreactores mediante la tecnología de “DED”. ................................................................................................................... 71 Figura 2-36: esquema ilustrativo sobre el proceso de “LPF”. ..................................................... 73 Figura 2-37: ejemplo de máquina de “LPF” con cámara inerte (izq.) y otra sin ella (der.). ........ 73 Figura 2-38: empleo de chorro de gas inerte para la inyección del material en polvo en la tecnología “LPF”. ......................................................................................................................... 74 Figura 2-39: muestrario de piezas fabricadas mediante la tecnología “LPF”. ............................ 76 Figura 2-40: secuencia de reparación de un eje de un fan de una aeronave dañado mediante la tecnología de “LPF”. .................................................................................................................... 77 Figura 2-41: máquina de “EBDM”, mostrando su cámara de construcción de 22 m3. ............... 79 Figura 2-42: sistema de alimentación único de alambre en una máquina “EBDM”................... 79 Figura 2-43: muestra de los diferentes acabados superficiales de piezas fabricadas mediante “EBDM”. ...................................................................................................................................... 80 Figura 2-44: ilustración del proceso de “SLA”............................................................................. 84 Figura 2-45: Máquina de “SLA”. .................................................................................................. 84 Figura 2-46: muestrario de objetos fabricados mediante la tecnología “SLA”. .......................... 85 Figura 2-47: esquema ilustrativo de la tecnología “DLP”. .......................................................... 86 Figura 2-48: máquinas que emplean la tecnología “DLP”. ......................................................... 86 Figura 2-49: muestrario de modelos creados mediante la tecnología “DLP”. ............................ 86 Figura 2-50: ilustración del proceso de “FDM”. .......................................................................... 87 xiv Figura 2-51: máquina de “FDM” de uso doméstico (izq.) y máquina de “FDM” de uso profesional (der.)......................................................................................................................... 88 Figura 2-52: aplicación del tratamiento mediante baño en vapor de acetona para eliminar las marcas de las capas de la superficie de una pieza fabricada mediante “FDM”.......................... 89 Figura 2-53: piezas fabricadas mediante “FDM” para un modelo de aeronave en fase de diseño de la NASA. .................................................................................................................................. 89 Figura 2-54: empleo de la tecnología “CC” para la construcción de un edificio. ........................ 89 Figura 2-55: ilustración esquemática detallada del proceso de una máquina de “LOM”. ......... 91 Figura 2-56: máquina de “LOM”. ................................................................................................ 91 Figura 2-57: muestrario de tres piezas fabricadas de papel mediante la tecnología “LOM”. .... 92 Figura 2-58: las dos fases de la consolidación ultrasónica: (izq.) soldadura ultrasónica; (der.) fresado. ....................................................................................................................................... 93 Figura 2-59: máquina de consolidación ultrasónica. .................................................................. 93 Figura 2-60: pares de metales y aleaciones compatibles para ser unidos en el proceso de “UC”. ..................................................................................................................................................... 95 Figura 2-61: detalles de algunos pares metálicos unidos mediante soldadura ultrasónica. ...... 95 Figura 2-62: muestrario de piezas aeroespaciales fabricadas mediante la tecnología “UC”. .... 96 Figura 2-63: luz UV en un cabezal de impresión curando la foto-resina a la vez que la deposita. ..................................................................................................................................................... 97 Figura 2-64: diferentes cabezales de foto-resinas para impresoras 3D pertenecientes a la tecnología de “MJ”. ..................................................................................................................... 97 Figura 2-65: Dos ejemplos de máquinas de AM que emplean la tecnología de impresión con inyección de material. ................................................................................................................. 98 Figura 2-66: muestrario de objetos fabricados mediante la tecnología de impresión con inyección de material. ................................................................................................................. 98 Figura 2-67: máquinas de impresión mediante inyección de aglutinante.................................. 99 Figura 2-68: ilustración detallada del proceso de impresión mediante inyección de aglutinante. ................................................................................................................................................... 100 Figura 2-69: muestrario de piezas fabricadas mediante metales y cerámicas mediante la tecnología de inyección de aglutinante. ................................................................................... 101 Figura 3-1: primera máquina de AM de la historia, así como algunos de las piezas creadas con ella. 1983. .................................................................................................................................. 111 Figura 3-2: sistema complejo de engranajes fabricado mediante las tecnologías AM de la década de los 90........................................................................................................................ 113 Figura 3-3: “Urbee”, el primer coche de la historia cuyo chasis exterior ha sido fabricado empleando AM. ......................................................................................................................... 116 Figura 3-4: UAV “SULSA”, primera aeronave fabricada mediante AM. .................................... 116 Figura 3-5: estructura interna de “SULSA”, fabricada mediante polivinilo empleando “SLS”.. 117 Figura 3-6: aerorreactor del programa “LEAP” de “GE”, que para el año 2016 prevé incluir en él hasta 19 componentes creados mediante “EBM” y otras técnicas AM. .................................. 117 Figura 3-7: primer exoesqueleto fabricado mediante tecnologías de AM, permitiéndole andar de nuevo a Amanda Boxtel, parapléjica durante años a causa de un accidente. ..................... 118 Figura 3-8: actual logotipo de la empresa “3D Systems”.......................................................... 119 Figura 3-9: logotipo actual de la empresa “EOS”. ..................................................................... 121 Figura 3-10: logotipo actual de la empresa “Optomec”. .......................................................... 122 xv Figura 3-11: logotipo actual de la empresa “ConceptLaser”. ................................................... 123 Figura 3-12: logotipo actual de la empresa “Renishaw”........................................................... 124 Figura 3-13: logotipo actual de la empresa “Realizer”. ............................................................ 125 Figura 3-14: actual logotipo de la empresa “SLM Solutions”. .................................................. 126 Figura 3-15: logotipo actual de la empresa “Stratasys”............................................................ 127 Figura 3-16: logotipos actuales de las empresas “Solidica” y “Fabrisonic”. ............................. 128 Figura 3-17: logotipo actual de la empresa “Arcam AB”. ......................................................... 128 Figura 3-18: logotipo actual de la empresa “Sciaky Inc.”. ........................................................ 129 Figura 3-19: logotipo actual de la empresa “BeAM”. ............................................................... 130 Figura 3-20: gráfico ilustrativo sobre los precios de material típico por kg frente al mercado libre (“Free market”) y mercado cerrado (“Lockin”). ................................................................ 147 Figura 4-1: logotipo actual de la empresa “Boeing”. ................................................................ 164 Figura 4-2: modelo conceptual del UAV “Phantom Swift” de “Boeing”. .................................. 164 Figura 4-3: prototipo funcional de un UAV de VTOL fabricado por la empresa “Boeing” en menos de 30 días de desarrollo. ............................................................................................... 165 Figura 4-4: logotipo actual de la agencia estadounidense “NASA”. ......................................... 165 Figura 4-5: prototipos funcionales de vehículos de exploración de marte de “NASA” durante pruebas en el desierto que contienen unas 70 piezas diferentes fabricadas mediante “FDM”. ................................................................................................................................................... 166 Figura 4-6: ejemplos de dos piezas fabricadas de termoplásticos de altas prestaciones por máquinas de “FDM” en el vehículo de exploración de Marte de la “NASA”. ........................... 166 Figura 4-7: logotipo actual de la empresa “ACS”. ..................................................................... 166 Figura 4-8: ejemplos de utillajes altamente personalizados fabricados mediante “FDM” empleados para la reparación de componentes aeronáuticos por la empresa “ACS”. ............ 167 Figura 4-9: logotipo actual de la empresa “BAE Systems”........................................................ 168 Figura 4-10: pieza de repuesto fabricada mediante “SLS” para la aeronave BAe 146 por la empresa “BAE Systems”. ........................................................................................................... 169 Figura 4-11: detalles de la pieza de nailon del tubo respirador de ventana fabricado mediante “SLS”. ......................................................................................................................................... 169 Figura 4-12: logotipo actual de la empresa “Rolls-Royce”........................................................ 170 Figura 4-13: reparación de una brida (“flange”) en una de las carcasas de un motor “RollsRoyce” mediante “DED”. ........................................................................................................... 170 Figura 4-14: geometría mallada fabricada en aleación de níquel mediante “DED” sobre un elemento del estátor de la turbina de alta presión favoreciendo las propiedades de la capa de barrera térmica (“TBC”) en un aerorreactor de “Rolls-Royce”. ................................................ 171 Figura 4-15: logotipo actual de la empresa “Lufthansa Technik”. ............................................ 171 Figura 4-16: reacondicionamiento de ranura desgastada de álabe del compresor de alta presión en un aerorreactor mediante “laser cladding”. ........................................................... 172 Figura 4-17: logotipo actual de la empresa “GE Aviation”. ...................................................... 174 Figura 4-18: refuerzos de titanio de los álabes del fan del nuevo aerorreactor de “GE” cuyas secciones más complejas se han fabricado mediante “EBM”. ................................................. 175 Figura 4-19: inyector de combustible de los nuevos turbofan “LEAP” fabricados por “GE” mediante AM............................................................................................................................. 175 Figura 4-20: fabricación de los inyectores de combustible del aerorreactor “LEAP” mediante “SLM”. ....................................................................................................................................... 176 xvi Figura 4-21: logotipo actual de la empresa “Airbus”. ............................................................... 176 Figura 4-22: varias iteraciones de uno de los soportes bisagra de la góndola del motor de un “A320” rediseñado y fabricado en titanio mediante “DMLS”. La pieza de acero obtenida mediante fundición original se encuentra a la derecha............................................................ 177 Figura 4-23: logotipo actual de la empresa “Lockheed Martin”. .............................................. 177 Figura 4-24: soporte de detección de fuga de aire de sangrado fabricado en titanio mediante “EBM” antes (arriba) y después (debajo) del post-procesado.................................................. 178 Figura 4-25: logotipo actual de la empresa “Lockheed Martin”. .............................................. 179 Figura 4-26: caza “F-35” de la empresa “Lockheed Martin”..................................................... 179 Figura 4-27: larguero de titanio de los “flaperon” del caza “F-35” fabricado mediante “EBDM”. ................................................................................................................................................... 180 Figura 4-28: logotipo actual de la empresa “GE Aviation”. ...................................................... 180 Figura 4-29: Álabe de turbina fabricado por “Morris Technologies” para “GE” (izq.) y máquinas de “DMLS” de las que dispone (der.). ....................................................................................... 181 Figura 4-30: logotipo actual de la agencia estatal “NASA”. ...................................................... 181 Figura 4-31: impresora de “FDM” “Zero-G Printer” de “Made in Space”................................. 182 Figura 4-32: impresora de “FDM” instalada en la ISS (arriba) y astronauta comandante de la ISS con la llave de carraca recién fabricada por dicha impresora (debajo). ................................... 183 Figura 4-33: Máquina de “FDM” de “Stratasys” perteneciente a la Universidad Politécnica Superior de la Universidad de Sevilla. ....................................................................................... 184 Figura 4-34: muestrario de piezas creadas mediante la impresora 3D de “FDM” de la EPS de la US. ............................................................................................................................................. 185 Figura 4-35: Máquinas de AM que actualmente posee “FADA-CATEC” de “SLA” (izq.) y de “SLM” (der.)............................................................................................................................... 185 Figura 4-36: proyección desde 2014 de la inversión en AM de las empresas aeroespaciales. 186 Figura 4-37: mercado de las tecnologías de fabricación aditiva. .............................................. 187 Figura 4-38: venta de sistemas AM por sectores industriales para el 2013. ............................ 187 Figura 4-39: venta de impresoras 3D que procesan metales. .................................................. 188 Figura 4-40: número total de impresoras 3D vendidas globalmente. Previsión hasta el 2017.188 Figura 4-41: gastos totales del sector aeroespacial en cuanto a la fabricación. ...................... 189 Figura 4-42: gastos totales del sector aeroespacial en cuanto a materiales en el 2013. ......... 190 Figura 4-43: visualización del parámetro “distancia entre puntos” o “PD”. Se muestran tres distancias diferentes. ................................................................................................................ 194 Figura 4-44: visualización del parámetro “velocidad de escaneado” o “SP” a diferentes “PD” constantes y todo a potencia constante. .................................................................................. 195 Figura 4-45: ilustración del parámetro de “tiempo de exposición” a tres distancia entre puntos diferentes y potencia del láser constante. ................................................................................ 195 Figura 4-46: esquema de los aspectos técnicos y económicos que influyen en las propiedades físico-mecánicas de piezas fabricadas mediante “DMLS”. ........................................................ 199 Figura 4-47: efecto de la potencia del láser en la sinterización de metales en “DMLS”. Arriba: polvo metálico sin procesar. Abajo: sinterización de dicho polvo a potencias de láser mayores, incrementando en orden alfabético. ........................................................................................ 201 Figura 4-48: resultados sobre la influencia de distancia entre puntos y potencia del láser en los parámetros de la pieza final resistencia a compresión (izq.), densidad (centro) y dureza (der.). ................................................................................................................................................... 202 xvii Figura 4-49: Influencia de la velocidad de escaneado a potencia de láser constante (195 W) y densidad de energía ascendente (izq.) y de la potencia del láser y velocidad de escaneado a densidad energética constante (der.) en la densidad de un acero obtenido mediante “SLM”. ................................................................................................................................................... 202 Figura 4-50: influencia de la potencia del láser y velocidad de escaneado en la porosidad de una pieza fabricada mediante “SLM” con densidad energética variable y constante. ............. 203 Figura 4-51: porosidad “tipo bola” presente en metales procesados en “SLM” a altas potencias de láser y a altas velocidades de escaneado. Detalle de una grieta producida por tensiones térmicas residuales. .................................................................................................................. 203 Figura 4-52: porosidades típicas de bajas potencias del láser para un material dado. Suelen estar presentes partículas del polvo no procesado, como se muestra en la ampliación (der.). ................................................................................................................................................... 204 Figura 4-53: estructuras “tipo cuenco” típicas del “SLM” resultantes en los planos X-Z e Y-Z. 204 Figura 4-54: cambio en la dirección del crecimiento de los granos según la dirección de escaneado del láser en una aleación de níquel “Inconel 625” en un proceso “DED”. ............. 206 Figura 4-55: estructura de columna dendrítica presente en la aleación de níquel “Inconel 625” procesada mediante “DED”. Su orientación respecto al sustrato varía según la dirección de escaneado del láser. .................................................................................................................. 206 Figura 4-56: comparación entre porosidades en una aleación de titanio 6-4 empleando “DED”. Izq.: a bajas potencias de láser (400 W) debido a partículas no fundidas; der.: a alta potencia (800 W) debido a burbujas de gas atrapados en el caldo fundido. .......................................... 207 Figura 4-57: visualización de los “huecos de aire” típicos de piezas fabricados mediante “FDM”. ................................................................................................................................................... 208 Figura 4-58: orientaciones de la dirección de depositado en “FDM” empleado en las probetas de prueba de una investigación. (a) a 0˚, (b) a 45˚, (c) a 90˚ y (d) a ± 45˚. ............................... 209 Figura 4-59: rotura de una pieza fabricada por “FDM” por la capa más débil. ........................ 209 Figura 4-60: roturas por tracción de piezas fabricadas mediante “FDM” con diferentes orientaciones de depositado..................................................................................................... 209 Figura 4-61: deformación importante de una pieza fabricada mediante “FDM” a compresión cuya orientación de depositado es de 45˚ ................................................................................ 210 Figura 5-1: aplicación de la robótica a la fabricación aditiva. Empleo de pequeños robots trabajando conjuntamente para la fabricación de una estructura mucho mayor. .................. 222 Figura 5-2: concepto y proyecto de la “ESA” para la fabricación de estructuras en la Luna empleando un robot con funciones de fabricación aditiva. ..................................................... 223 Figura 5-3: posible empleo de materiales adaptables o “morphing” para aplicaciones aeroespaciales futuras. ............................................................................................................. 223 Figura 7-1: Impresoras de la serie “ProX”; izq. “ProX 500”, der. “ProX 500 Plus”. ................... 231 Figura 7-2: Impresora de SLS “sPro 60 HD” de “3D Systems”................................................... 233 Figura 7-3: Impresora de SLS “sPro 140” de “3D Systems”. ..................................................... 235 Figura 7-4: Impresora de SLS “sPro 230” de “3D Systems”. ..................................................... 237 Figura 7-5: Impresora de DMLS “ProX 100” de “3D Systems”. ................................................. 239 Figura 7-6: Impresora de DMLS “ProX 200” de “3D Systems”. ................................................. 241 Figura 7-7: Impresora de DMLS “ProX 300” de “3D Systems”. ................................................. 243 Figura 7-8: Impresora de DMLS “ProX 400” de “3D Systems”. ................................................. 244 Figura 7-9: Impresora de SLS “FORMIGA P 110” de “EOS”. ...................................................... 246 xviii Figura 7-10: Impresora de SLS “EOS P 396” de “EOS”. ............................................................. 248 Figura 7-11: Impresora de SLS “EOSINT P 760” de “EOS”. ........................................................ 250 Figura 7-12: Impresora de SLS “EOSINT P 800” de “EOS”. ........................................................ 253 Figura 7-13: Impresora de DMLS “EOSINT M 280” de “EOS”. .................................................. 256 Figura 7-14: Impresora de DMLS “EOS M 290” de “EOS”. ........................................................ 259 Figura 7-15: Impresora de DMLS “EOS M 400” de “EOS”. ........................................................ 261 Figura 7-16: Impresora de SLM “M1 Cusing” de “ConceptLaser”. ........................................... 264 Figura 7-17: Impresora de SLM “M2 Cusing” de “ConceptLaser”. ........................................... 266 Figura 7-18: Impresora de SLM “X Line 1000R” de “ConceptLaser”. ........................................ 269 Figura 7-19: Impresora de SLM “SLM 125 HL” de “SLM Solutions”. ......................................... 271 Figura 7-20: Impresora de SLM “SLM 280 HL” de “SLM Solutions”. ......................................... 274 Figura 7-21: Impresora de SLM “SLM 500 HL” de “SLM Solutions”. ......................................... 277 Figura 7-22: Impresora de SLM “SLM 50” de “ReaLizer”. ......................................................... 280 Figura 7-23: Impresora de SLM “SLM 100” de “ReaLizer”. ....................................................... 282 Figura 7-24: Impresora de SLM “SLM 125” de “ReaLizer”. ....................................................... 284 Figura 7-25: Impresora de SLM “SLM 250” de “ReaLizer”. ....................................................... 284 Figura 7-26: Impresora de SLM “AM250” de “Renishaw”. ....................................................... 286 Figura 7-27: Impresora de EBM “Arcam Q10” de “Arcam AB”. ................................................ 288 Figura 7-28: Impresora de EBM “Arcam Q20” de “Arcam AB”. ................................................ 290 Figura 7-29: Impresora de EBM “Arcam A2X” de “Arcam AB”. ................................................ 291 Figura 7-30: Impresora de DED “LENS 450” de “Optomec”. .................................................... 293 Figura 7-31: Impresora de DED “LENS MR-7” de “Optomec”. .................................................. 295 Figura 7-32: Impresora de DED “LENS 850-R” de “Optomec”. ................................................. 297 Figura 7-33: Impresora de DED “VC LF200” de “BeAM”. .......................................................... 299 Figura 7-34: Impresora de DED “VI LF4000” de “BeAM”. ......................................................... 300 Figura 7-35: Impresora de DED “VX-110” de “Sciaky Inc.”. ...................................................... 302 Figura 7-36: Impresora de UC “SonicLayer 4000” de “Fabrisonic”. .......................................... 304 Figura 7-37: Impresora de UC “SonicLayer 7200” de “Fabrisonic”. .......................................... 305 Figura 7-38: Impresoras de FDM “Fortus 360mc” (izq.) y “Fortus 400mc” (der.) de “Stratasys”. ................................................................................................................................................... 306 Figura 7-39: Impresoras de FDM “Fortus 450mc” (izq.) y “Fortus 380mc” (der.) de “Stratasys”. ................................................................................................................................................... 308 Figura 7-40: Impresora de FDM “Fortus 900mc” de “Stratasys”. ............................................. 310 xix xx Índice de tablas. Tabla 2-1: Clasificación de las tecnologías de AM según D.T. Pham, de acuerdo a dos criterios diferentes. ................................................................................................................................... 40 Tabla 2-2: parámetros relevantes de las aleaciones que proporciona EOS para uso en sus máquinas de “DMLS”. ................................................................................................................. 56 Tabla 2-3: Resumen sobre conformidad de cada tecnología de “PBF” con los objetivos del Proyecto. ..................................................................................................................................... 70 Tabla 2-4: resumen y comparación de las diferentes tecnologías “DED”. ................................. 82 Tabla 2-5: Comparación relativa y cuantitativa entre las tecnologías de AM de interés. ........ 106 Tabla 3-1: Recopilación de datos relevantes de las impresoras de otras tecnologías de AM. . 145 Tabla 3-2: tabla resumen de las principales características de las impresoras “de interés” estudiadas. ................................................................................................................................ 151 Tabla 4-1: Aplicaciones actuales y potenciales de las tecnologías de fabricación aditiva en el sector aeroespacial. .................................................................................................................. 158 Tabla 4-2: Problemas más importantes actuales y posibles soluciones para una mayor adopción de las tecnologías de AM en el sector aeroespacial. ................................................ 159 Tabla 4-3: consideraciones y posibles impactos en las empresas aeroespaciales al adoptar las tecnologías AM.......................................................................................................................... 192 Tabla 4-4: consideraciones estratégicas y beneficios de la adopción de las tecnologías de AM en la cadena de valores de una empresa aeroespacial............................................................. 193 Tabla 4-5: comparación de las tecnologías de AM “de interés” cuyos resultados de investigaciones se han podido estudiar en comparación con las fabricadas mediante métodos convencionales. La calidad de las piezas de AM se considera sin aplicarle ningún postprocesado. ................................................................................................................................. 211 Tabla 7-1: datos relevantes del modelo “500” de la serie “ProX” de “3D Systems”. ............... 232 Tabla 7-2: datos relevantes del modelo “60 HD” de la serie “sPro” de “3D Systems”. ............ 235 Tabla 7-3: datos relevantes del modelo “140” de la serie “sPro” de “3D Systems”................. 236 Tabla 7-4: datos relevantes del modelo “230” de la serie “sPro” de “3D Systems”................. 238 Tabla 7-5: datos relevantes del modelo “100” de la serie “ProX” de “3D Systems”. ............... 240 Tabla 7-6: datos relevantes del modelo “200” de la serie “ProX” de “3D Systems”. ............... 242 Tabla 7-7: datos relevantes del modelo “300” de la serie “ProX” de “3D Systems”. ............... 244 Tabla 7-8: datos relevantes del modelo “400” de la serie “ProX” de “3D Systems”. ............... 245 Tabla 7-9: datos relevantes del modelo “FORMIGA P 110” de “EOS”. ..................................... 248 Tabla 7-10: datos relevantes del modelo “EOS P 396” de “EOS”. ............................................ 250 Tabla 7-11: datos relevantes del modelo “EOSINT P 760” de “EOS”. ....................................... 252 Tabla 7-12: datos relevantes del modelo “EOSINT P 800” de “EOS”. ....................................... 256 Tabla 7-13: datos relevantes del modelo “EOSINT M 280” de “EOS”. ..................................... 258 Tabla 7-14: datos relevantes del modelo “EOS M 290” de “EOS”. ........................................... 261 Tabla 7-15: datos relevantes del modelo “EOS M 400” de “EOS”. ........................................... 263 Tabla 7-16: datos relevantes del modelo “M1 Cusing” de “ConceptLaser”. ............................ 265 xxi Tabla 7-17: datos relevantes del modelo “M2 Cusing” de “ConceptLaser”. ............................ 268 Tabla 7-18: datos relevantes del modelo “X Line 1000R” de “ConceptLaser”. ........................ 270 Tabla 7-19: datos relevantes del modelo “SLM 125 HL” de “SLM Solutions”. ......................... 273 Tabla 7-20: datos relevantes del modelo “SLM 280 HL” de “SLM Solutions”. ......................... 276 Tabla 7-21: datos relevantes del modelo “SLM 500 HL” de “SLM Solutions”. ......................... 279 Tabla 7-22: datos relevantes del modelo “SLM 50” de “ReaLizer”........................................... 281 Tabla 7-23: datos relevantes del modelo “SLM 100” de “ReaLizer”......................................... 283 Tabla 7-24: datos relevantes del modelo “SLM 250” de “ReaLizer”......................................... 285 Tabla 7-25: datos relevantes del modelo “AM250” de “Renishaw”. ........................................ 287 Tabla 7-26: datos relevantes del modelo “Arcam Q10” de “Arcam AB”. ................................. 289 Tabla 7-27: datos relevantes del modelo “Arcam Q20” de “Arcam AB”. ................................. 291 Tabla 7-28: datos relevantes del modelo “Arcam A2X” de “Arcam AB”. ................................. 292 Tabla 7-29: datos relevantes del modelo “LENS 450” de “Optomec”. ..................................... 294 Tabla 7-30: datos relevantes del modelo “LENS MR-7” de “Optomec”. .................................. 296 Tabla 7-31: datos relevantes del modelo “LENS 850-R” de “Optomec”................................... 298 Tabla 7-32: datos relevantes del modelo “VC LF200” de “BeAM”. .......................................... 300 Tabla 7-33: datos relevantes del modelo “VI LF4000” de “BeAM”. ......................................... 301 Tabla 7-34: datos relevantes del modelo “VH LF4000” de “BeAM”. ........................................ 301 Tabla 7-35: datos relevantes del modelo “VX-110” de “Sciaky Inc.”. ....................................... 303 Tabla 7-36: datos relevantes de los modelos “Fortus 360mc” y “Fortus 400mc” de “Stratasys”. ................................................................................................................................................... 308 Tabla 7-37: datos relevantes de los modelos “Fortus 380mc” y “Fortus 450mc” de “Stratasys”. ................................................................................................................................................... 310 Tabla 7-38: datos relevantes del modelo “Fortus 900mc” de “Stratasys”. .............................. 311 xxii xxiii 1. Introducción. 1.1. Objetivos. El objetivo principal de este Proyecto Fin de Carrera es hacer un análisis exhaustivo sobre las denominadas máquinas de fabricación aditiva, comúnmente también conocidas como máquinas de impresión tridimensionales o impresoras 3D, desde diversos puntos de vista, aunque con especial énfasis en el enfoque tecnológico y económico para determinar su viabilidad en cuanto a la fabricación de piezas o componentes para el sector aeronáutico y espacial. Se indagará en el estado del arte y se realizarán análisis con vistas a las aplicaciones industriales actuales y posibles en estos sectores; por ende, este Proyecto tiene el claro objetivo final de determinar, mediante las investigaciones realizadas, si dicha tecnología sería de aplicación viable en el sector aeronáutico y espacial actual y futuro, desde el punto de vista económico y de la ingeniería de fabricación. Aunque se presentarán las bases teóricas y técnicas suficientes para poder entender el funcionamiento y procesos de estas máquinas, no será objeto de este Proyecto una descripción detallada técnica de las mismas, ya que la principal inquietud que ha llevado a la realización de este estudio es sobre la implementación y uso de éstas, no sobre su diseño ni funcionamiento. Por lo tanto, sólo se tendrán en cuenta los aspectos que conduzcan a este objetivo. Los objetivos secundarios de este Proyecto a su vez son divulgativos, es decir, los que pretenden dar a conocer esta tecnología de una forma más amplia. Cierto que este Proyecto tendrá un especial énfasis en su aplicación para el sector aeronáutico y espacial, pero no se puede ignorar el impacto tremendo que esta tecnología está empezando a tener y tendrá en no sólo los demás sectores industriales y en la fabricación, sino en la sociedad como tal, revolucionando y llegando a cambiar el modelo productivo global hasta cierto punto. Por este motivo, se ha estimado oportuno que estos aspectos tan importantes también han de ser reflejados aquí en este Proyecto, aunque su tratamiento será secundario al del objetivo principal. Obviamente, la intención es que la información presentada aquí sirva como punto de partida para aquellos interesados en estos otros aspectos de las tecnologías de fabricación aditiva y que puedan servir como líneas de investigación futuras. Por ende, con todo lo expuesto, este Proyecto se puede enmarcar dentro de los proyectos de investigación sobre las aplicaciones actuales y futuras de una tecnología que está despertando curiosidad en multitud de sectores y que podría cambiar la forma de concebir ciertos procesos y etapas del diseño y producción de piezas para prototipos, modelos o incluso para series de fabricación comerciales, con especial énfasis en el sector aeronáutico y espacial. Para lograr este fin, se ha estimado oportuno consultar diversas fuentes bibliográficas –la mayoría de ellas muy recientes–, tanto libros como artículos tecnológicos y de prensa 1 especializada, así como hacer consultas con profesionales que actualmente trabajan con dichas máquinas en sus respectivas empresas. Dicha labor se ha visto complementada con visitas del autor a instalaciones que poseen algunas de estas máquinas y, por supuesto, con la inagotable cantidad de información procedente de internet, principalmente de las páginas de fabricantes del sector, organismos oficiales y sitios de divulgación profesionales del sector. 1.2. Estructura y nomenclatura. Convenios. Este Proyecto estará dividido en cuatro capítulos, que agruparán temas de interés semejantes, a excepción de los apartados que no pueden ser considerados como tales, como esta introducción general, el apartado de conclusiones, los anexos y el de referencias bibliográficas situados al final. Cada capítulo contará con una introducción propia donde se detallará de lo que trata cada uno de forma resumida, acompañado de una breve descripción de la estructura del capítulo en cuestión. Cada capítulo estará dividido a su vez en tantos subapartados como sean necesarios para facilitar su consulta y comprensión. En concreto, el primer capítulo (sección segunda según la numeración usada en este proyecto) tratará sobre los fundamentos teóricos necesarios para poder llegar a conocer y comprender el funcionamiento de las impresoras 3D, de una manera progresiva desde lo genérico (fabricación aditiva) hasta las máquinas de interés para este Proyecto. El segundo capítulo (sección tercera) indagará en el actual estado del arte de las impresoras 3D. Sin embargo, en éste también se seguirá un proceso progresivo, donde se detallará la historia del desarrollo de la tecnología someramente hasta llegar al estado en el que se encuentra hoy, llegando al nivel de identificar tecnologías estudiadas en el primer capítulo con nombres de empresas y modelos de máquinas que ofrecen actualmente, recogidas en los anexos. En el tercer capítulo (sección cuarta), se podrá encontrar información más cercana al objetivo del Proyecto. Teniendo en cuenta lo expuesto en los anteriores dos capítulos, se profundizará en las industrias actuales que hacen uso de las impresoras 3D en el sector aeroespacial y se analizarán las claves del éxito y fórmulas que han empleado para que la implementación de estas tecnologías haya sido viable y práctico. Con la información obtenida y estudiada, se hará un análisis económico y desde el punto de vista de la tecnología de la fabricación sobre su implementación y su uso, y se propondrán criterios más específicos para el sector para ayudar a determinar bajo qué circunstancias es viable la implementación de estas tecnologías. El cuarto y último capítulo (sección quinta) será donde se intentará analizar de una forma más global esta tecnología dentro de la industria y de la sociedad, ya que presenta posibilidades que ninguna tecnología de fabricación anterior posee. Se expondrán casos de actualidad y avances en la investigación relacionados con esta tecnología así como un análisis sobre su impacto. Así mismo, a vistas de todo ello y con los conocimientos adquiridos, se propondrán sugerencias y posibles líneas y tendencias futuras en el sector aeroespacial que podrían resultar de interés. 2 Este Proyecto se finalizará con unas conclusiones donde se analizará si se han conseguido alcanzar los objetivos de éste y se propondrán líneas futuras de trabajo según los resultados obtenidos. En cuanto a nomenclatura, el término impresora(s) 3D será el más utilizado en este Proyecto para hacer referencia a la tecnología bajo estudio, a no ser que se esté llevando a cabo una definición exacta. Aunque existen otros términos para hacer referencia a esta tecnología, ésta es la más usada y común actualmente, lo que sugiere su uso aquí. En cambio, el término fabricación aditiva será el usado para hacer referencia de forma genérica a esta tecnología de fabricación cuando se estén realizando definiciones de forma rigurosa. Sin embargo, esto se aclarará con más exactitud en el apartado 2.2.2 y sus subapartados. Así mismo, en cuanto a las diversas citas y referencias bibliográficas, para este Proyecto se ha adoptado el formato estándar IEEE. Las figuras presentes en este Proyecto serán nombradas según el número de la sección donde se encuentra seguido de un número que mostrará el orden de aparición de dicha figura en la sección correspondiente, separados por un guion. Todas ellas se encuentran referenciadas en el índice de figuras para facilitar su consulta. Las tablas seguirán el mismo patrón. 3 4 2. Fundamentos teóricos. 2.1. Introducción. Antes de poder exponer el actual estado del arte y proceder a alcanzar los objetivos que se han establecido para este Proyecto, se hace indispensable un breve estudio sobre qué es lo que son exactamente las impresoras 3D y cómo se diferencian de las demás tecnologías de fabricación. Poder explicar y diferenciar términos y conceptos como la fabricación aditiva, stereolithography o rapid prototyping, entre otros, será el objetivo de esta sección para que la labor que posteriormente se pretende llevar a cabo en este Proyecto sea lo menos ardua posible. Por ende, en este capítulo, se detallarán y se establecerán los conceptos básicos para poder describir la tecnología en sí, para más adelante poder hacer distinciones entre los diferentes tipos de máquinas que serán objeto del estudio. En cuanto a la estructura de este capítulo, se empezará por un análisis de lo que es el concepto de la fabricación aditiva en sí además de presentar la problemática actual de la terminología existente, intentando de esta manera amortiguar su impacto sobre este Proyecto. Tras esto, se detallarán generalidades que todas las máquinas de fabricación aditiva comparten de forma genérica, en particular los pasos que se suelen seguir para llevar a cabo la fabricación de una pieza con esta tecnología, para posteriormente exponer una clasificación de las diferentes tecnologías de fabricación aditiva existentes actualmente. Una vez expuesta dicha clasificación, se indagará con más detalle en cada tecnología de forma general para después centrarse más en las que más interés tienen para este proyecto. 2.2. Fabricación aditiva. 2.2.1. Definiciones y conceptos básicos. El término fabricación aditiva (“Additive Manufacturing” o “AM”) es un término reciente que ha adoptado oficialmente el organismo de normalización ASTM International [1] para hacer referencia a todas las tecnologías de fabricación que comparten el mismo principio básico: fabricación directa de un modelo físico generado a partir de un programa de diseño asistido por ordenador en tres dimensiones (3D CAD) sin necesidad de tener en cuenta o llevar a cabo la planificación para los procesos de fabricación (process planning). [2] 5 En otras palabras, toda tecnología de fabricación capaz de fabricar una pieza final a partir de un modelo puramente geométrico diseñado y guardado en cualquier programa CAD sin necesidad de convertir ese modelo geométrico en uno que tenga en cuenta parámetros propios de la fabricación (propios de la CAM), se puede considerar como una máquina de fabricación aditiva. Esto no quiere decir que para ciertas piezas de cierta complejidad no se tengan en cuenta elementos auxiliares de refuerzo o soporte en el modelo geométrico CAD necesarios para mantener la integridad de la pieza durante su fabricación, simplemente que no es necesario generar un archivo o proceso propio de la fabricación tradicional asistida por ordenador, como los usados en máquinas de control numérico. Es decir, debe bastar con un modelo exclusivamente geométrico diseñado y guardado en un programa CAD. Esto le permite al diseñador desarrollar una pieza con una geometría que corresponderá con su función final desde el principio, no diseñar una geometría pensando en cómo se fabricará dicha pieza, como ocurre con las tecnologías de fabricación convencionales. Pero, ¿por qué el nombre de fabricación aditiva? Según [3], este nombre es debido al rasgo distintivo que poseen todas las máquinas pertenecientes a esta tecnología de fabricación actualmente. Todas ellas se basan en fabricar una pieza depositando o agregando el material en capas, donde cada capa es una sección procedente de la discretización por secciones planas de la pieza presente en el modelo CAD que la máquina realiza previa a la fabricación, por lo que la pieza final se va conformando de forma aditiva, en contraposición con otros procesos de fabricación como el mecanizado o el fresado, que se basan en el principio de la sustracción de material para obtener la pieza final. Sin embargo, como puede encontrarse en el apartado correspondiente de [4], esto no es completamente cierto, pues existen máquinas de fabricación aditiva que en una parte del proceso de fabricación de una pieza se procede a sustraer material. A pesar de ello, esto sólo es una matización que no describe el proceso en su conjunto de forma global, ya que antes de sustraer este material, éste se ha depositado por la máquina. Por ende, queda justificado el uso del término fabricación aditiva. Obviamente, cada capa deberá tener un espesor determinado, y cuanto menor sea dicho espesor, más se aproximará la pieza fabricada a la original del modelo CAD. Por lo tanto, toda pieza fabricada por este método o por una de estas máquinas de fabricación aditiva, siempre será una aproximación a la pieza diseñada en un modelo CAD, donde su parecido con la original vendrá determinado, principalmente, por el espesor de las distintas capas empleadas por la máquina. Esto se puede apreciar en la Figura 2-1. Actualmente, ya que todas las máquinas de fabricación aditiva emplean el mismo método de fabricación, unas se diferencian de otras por los siguientes tres rasgos principales: Qué material o materiales son empleados en la fabricación de la pieza por la máquina Cómo se crean las capas Cómo se unen unas capas con otras 6 Estas tres diferencias serán las que determinarán, en última instancia, tales parámetros como las propiedades mecánicas del material de la pieza final, su acabado o su grado de exactitud con respecto a la original del modelo CAD, así como la determinación de otros factores más específicos de la máquina en sí, tales como el tiempo que se empleará en fabricar la pieza, el tamaño de la máquina o el coste total del proceso y de ésta. Figura 2-1: comparación de una pieza fabricada con distintos espesores de capa mediante fabricación aditiva. Muestra el espesor de las capas y el tiempo empleado por una máquina en particular en fabricarlas. Como es de esperar, a mayor exactitud (menor espesor de las capas, también referido como a mayor resolución en el eje Z), más tiempo tardará la máquina en fabricar la pieza y mayores serán los costes de producción, aunque esto se discutirá en más profundidad más adelante. 2.2.2. Nomenclatura complementaria alternativa. Dado que el término fabricación aditiva es tan reciente y no se ha adoptado de forma oficial hasta hace poco tiempo, y aun así, no es de uso obligado, cabe esperar que aún se utilicen y se sigan utilizando muchos otros términos complementarios o alternativos para hacer referencia a esta tecnología o a un subconjunto de ésta. Muchos de estos nombres están asociados bien a empresas o sectores particulares que asociaron su nomenclatura con algún producto que desarrollaron, bien a colectivos que han intentado nombrar esta tecnología teniendo en cuenta puntos de vista diferentes para su clasificación. Con todo esto, es válido presentarlos aquí antes de seguir avanzando ya que ayudará a obtener una mayor comprensión de esta tecnología al estudiarla desde otros puntos de vista, así como la inestimable ayuda que presentará al consultar fuentes al poseer el conocimiento sobre la mayoría de las posibles nomenclaturas en uso actualmente para la tecnología bajo estudio. 7 Para llevar a cabo esta labor, se ha juzgado oportuno seguir una estructura similar a la presente en [4] con algunas adiciones, por lo que se puede consultar dicha fuente, en su mayor parte, para obtener una información más detallada. Sin embargo, a pesar de lo que se exponga a continuación, a lo largo de este Proyecto para referirse a la tecnología objeto de éste, se hará uso indistinto de los términos fabricación aditiva e impresión 3D para referirse a la misma tecnología. Sin embargo, durante el estudio teórico más riguroso presente en este capítulo, el término fabricación aditiva será el más empleado para hacer referencia al conjunto genérico de todas las tecnologías ya que el término impresión 3D se puede confundir con un proceso o tecnología en particular, que será resuelto en apartados venideros. 2.2.2.1. “Rapid Prototyping”. Este término (“prototipado” rápido) surgió para hacer referencia a la tecnología de fabricación aditiva cuando en un principio se desarrolló para mejorar o reemplazar las tecnologías existentes para llevar a cabo la tarea de la creación de prototipos durante el proceso de diseño. Antes del desarrollo de ésta, esta etapa del diseño (fabricar prototipos) a veces era prohibitivamente compleja y costosa con las tecnologías existentes (de fabricación) para muchas empresas, por lo que a menudo no se realizaba en detrimento de las fases creativas del desarrollo de un nuevo producto. Sin embargo, con la llegada de las tecnologías de fabricación aditiva, el proceso de fabricar prototipos durante las tempranas fases del diseño de un producto nuevo se facilitó y aceleró, por lo que a estas nuevas tecnologías se hicieron llamar de “prototipado” rápido. Sin embargo, pronto se percataron los proponentes de este nombre conforme empezó a avanzar esta tecnología de fabricación que, por sus características, podía ser capaz de no sólo limitarse a la fabricación de prototipos, sino de incluso fabricar el producto en otras etapas del desarrollo posteriores (por ejemplo, para realizar ensayos) e incluso llegar a fabricar la pieza final. Por lo tanto, este término es más empleado en la actualidad para referirse al conjunto de tecnologías de fabricación aditiva que se suelen emplear principalmente para la fase de la fabricación de prototipos durante el diseño de un producto, aunque dichas máquinas se puedan emplear en otras fases del desarrollo y fabricación si así se desease. Por lo tanto, dicho nombre corresponde con una función en particular que puede desarrollar una máquina de fabricación aditiva. Sin embargo, tal como se puede comprobar en [5], algunos colectivos siguen usando este término para hacer referencia a un subconjunto de máquinas dentro de la fabricación aditiva que se emplean, principalmente, para esta labor de fabricación de prototipos. También es comprensible que este término sea bastante prolífico y aceptado en el sector de la fabricación de prototipos ya que históricamente fue el primero usado para la tecnología de fabricación aditiva, durante la década de 1980, como se constata en [6]. 8 2.2.2.2. Fabricación automatizada (“Autofab”). Quizá uno de los nombres menos empleados en la actualidad, se usó para hacer referencia no solo a la fabricación aditiva, sino a un conjunto de tecnologías de fabricación cuyo nexo común era, como su propio nombre indica, la automatización en el proceso de fabricación. Sin embargo, este término no hace alusión alguna a cómo se fabrica la pieza, sólo se limita a exigir que sean ordenadores y microcontroladores los que controlen los actuadores de la máquina y realicen la tarea de supervisión de las variables del sistema, por lo que también es de aplicación a otras tecnologías de fabricación tales como los centros de mecanizado de control numérico, por ejemplo. Sin embargo, tal como estipula el apartado correspondiente de [4], este término para hacer referencia a la fabricación aditiva fue hecho popular por el libro homónimo (Autofab) de Marshall Burns durante los primeros años de la década de 1990, ya que a pesar de la vaguedad del título, su libro trataba en su mayoría sobre las máquinas de fabricación aditiva. Para más información sobre éste, se ruega consultar la referencia “[1]” de [7]. 2.2.2.3. Fabricación de formato o forma libre (“Freeform Fabrication”). También conocido como fabricación de formato o forma libre de sólidos (“Solid Freeform Fabrication” o por sus siglas “SFF”), este nombre intenta describir una de las grandes ventajas de la fabricación aditiva, y es que la complejidad geométrica de la pieza no es un factor determinante a la hora de su fabricación, ni una limitación. Es decir, es una fabricación de “forma libre” ya que la complejidad geométrica de la pieza no supone una limitación que se deba tener en cuenta en la fabricación, pudiéndose fabricar sólidos de prácticamente cualquier geometría o forma. De hecho, como se constata en la sección correspondiente de [4] y en [8], fabricar formas geométricamente sencillas en una misma máquina conllevaría prácticamente el mismo esfuerzo y tiempo que la fabricación de una forma geométrica extremadamente compleja encerrada en el mismo volumen que la sencilla. Esto es completamente contrario a los métodos tradicionales de fabricación, en los cuales según aumenta la complejidad geométrica de la pieza, el esfuerzo de diseño para la fabricación aumenta en la misma medida, llegando a ser inviable su fabricación si esta complejidad alcanza un grado demasiado alto para la tecnología en cuestión. Como ejemplo de formas complejas fabricadas con máquinas de fabricación aditiva, véase la Figura 2-2, donde se podrá apreciar la validez de la denominación fabricación de forma libre. Por ende, el uso de este término para hacer referencia a las tecnologías de fabricación aditiva en su conjunto está muy extendido actualmente, debido a que describe una de sus principales ventajas de forma explícita y no es raro encontrarse con este término usado en lugar de fabricación aditiva en innumerables textos, empresas e instituciones educativas y de investigación. 9 Figura 2-2: ejemplos de la complejidad geométrica de las piezas que se puede conseguir usando máquinas de fabricación aditiva. Ilustración del concepto de “fabricación de formato o forma libre de sólidos” (SFF). 2.2.2.4. Estereolitografía o impresión 3D (“Stereolithography”). Quizá el nombre más extendido actualmente para hacer referencia al conjunto de todas las tecnologías de fabricación aditiva sea el de la impresión 3D (“3D Printing”), especialmente cuando se tiene en cuenta la sociedad en general en vez de los que tienen un contacto profesional o industrial con la tecnología de fabricación aditiva. Esto es debido a que la mayoría de las personas posee el concepto de lo que es la impresión convencional por su contacto cotidiano con esta tecnología, y extrapolar una impresión en dos dimensiones a una en tres es lo que más asimilable se hace, y es lo que la gran mayoría imagina cuando se hace referencia a lo que se ha denominado como tecnologías de fabricación aditiva aquí. Es decir, el término impresión 3D se puede considerar como una denominación informal del término fabricación aditiva en el léxico común. Sin embargo, rigurosamente, esta denominación no hace referencia al conjunto de todas las tecnologías de AM, sino a un subconjunto específico – de hecho son nombres comerciales de tecnologías patentadas. Inicialmente, según [4] (y las referencias “[3, 4, 5]” encontradas en el apartado 1.4.4 de dicha obra), el término estereolitografía (“Stereolithography”) fue el nombre comercial que la compañía estadounidense “3D Systems” le dio al conjunto de máquinas de fabricación aditiva que desarrollaron para describirlas. A su vez, el término impresión 3D (“3D Printing” o “3DP”) fue empleado por los investigadores del MIT para dar nombre al nuevo proceso y máquinas de fabricación aditiva que comercializaron basadas en una técnica similar a las de las impresoras de inyección de tinta tradicionales, ya que también fueron los que desarrollaron la tecnología de impresión 2D basados en la inyección de tinta presente en la mayoría de las impresoras comerciales disponibles actualmente. Ambos términos, tanto el que empleó “3D Systems” como el MIT se justifican ya que muestran el punto de vista de extrapolar la idea en dos dimensiones de la litografía y de la impresión convencional a tres. 10 A pesar de ello, la extensión e importancia del término coloquial o informal impresión 3D o impresora 3D (cuando se hace referencia a la tecnología o la máquina, respectivamente) no puede ser ignorado, razón por la cual incluso se ha incluido en el título de este Proyecto aunque la tecnología concreta desarrollada por el MIT sea la de menos interés para el objeto de éste. Debido al uso y aceptación tan extendido que dicho término posee actualmente, y a que es previsible que esta tendencia siga en el futuro hasta que lo que hoy se denomina fabricación aditiva un día sólo se conozca como impresión 3D, se empleará en la mayoría de los apartados de este proyecto como sinónimo de fabricación aditiva. Sin embargo, a efectos rigurosos, se debe recordar que el término impresión 3D es más válido para hacer referencia a un subconjunto de tecnologías y máquinas particulares que se pueden aglutinar bajo el término más amplio de fabricación aditiva. Sin embargo, su uso actual es tan escaso para hacer referencia a una tecnología en particular que fuera del capítulo teórico de definiciones no cabe usar dicho término como tal, sino usar su acepción más común. 2.2.2.5. Fabricación digital directa (“Direct Digital Manufacturing”). El nombre fabricación digital directa (“Direct Digital Manufacturing” o “DDM”) es, actualmente, un término casi sinónimo con el de fabricación aditiva. Se aplica en las mismas situaciones que éste o de forma complementaria, como se puede observar en [9], [10] y especialmente en [11]. Su popularidad radica esencialmente en que, tal como ocurre con el caso de la denominación “SFF”, su nombre apela a otro de los puntos fuertes que presenta esta tecnología, y es que la fabricación final de una pieza se hace directamente desde un formato digital, tal como se explicó en el apartado 2.2.1. Por esta razón, muchas empresas prefieren usar esta denominación para referirse a los servicios que ofrecen de fabricación aditiva para así resaltar dicha cualidad. Sin embargo, algunos autores, como se constata en [12], prefieren reservar el nombre de fabricación digital directa para referirse a aquellas máquinas de fabricación aditiva cuyo principal cometido es la fabricación de piezas finales, por lo que emplean este término para describir un subconjunto de tecnologías que se dedican a un mismo cometido, como ocurre en el caso del “Rapid Prototyping”. De hecho, también proponen el término de fabricación rápida (“Rapid Manufacturing”) como sinónimo de fabricación digital directa en este contexto, bajo la misma definición. 2.2.2.6. Otra terminología y aclaraciones. Además de los términos que ya han sido empleados en los subapartados de la sección 2.2.2, existen otros términos que no se han cubierto ya que o bien su uso no está muy extendido, o bien son casi sinónimos de términos que ya se han descrito aquí y su uso en lugar de ellos es también escaso. Sin embargo, los siguientes cuatro términos adicionales que se presentan aquí se pueden considerar como lo suficientemente extendidos aún para al menos nombrarlos, aunque en menor medida que los que ya se han indicado anteriormente. Por lo tanto, sólo se presentan aquí a título informativo adicional. 11 “On-Demand Manufacturing” (fabricación bajo demanda). Sinónimo de fabricación aditiva que hace alusión al alto grado de personalización y bajos volúmenes de fabricación que se alcanzan con esta tecnología. [11] “Additive Processes” (procesos aditivos) y “Additive Techniques” (técnicas aditivas). Sinónimos de fabricación aditiva que a veces se emplean en lugar de ésta para describir la tecnología en sí. [13] “Additive Layer Manufacturing” (“ALM”) (fabricación aditiva por capas). De nuevo, otro sinónimo de fabricación aditiva que resalta el hecho de que el material se agrega en capas a la hora de la fabricación. Se suele emplear cuando se desea recalcar dicho rasgo. [13] A modo de aclaración final, tal como se ha podido comprobar en los últimos apartados, existe multitud de terminología para intentar dar nombre al conjunto, o a un subconjunto, de la tecnología de fabricación aditiva. El panorama mostrado pretende dar una visión sobre lo variado y a veces confuso que es actualmente tratar con los diversos nombres presentes en la industria y fuentes académicas, de investigación y divulgativa, ya que cada autor o empresa elige una terminología diferente según le convenga a sus necesidades. Es posible que en los años venideros cierta terminología específica se asiente con mayor firmeza y solidez en el léxico específico del sector y la actual confusión en el empleo de la variedad de términos desaparezca conforme la tecnología vaya madurando. Sin embargo, hasta entonces, los que decidan involucrarse en este sector de cualquier forma, deben lidiar con el actual problema de terminología, como es de esperar con cualquier tecnología reciente que aún está en proceso de maduración. Es por esta razón, para amortiguar en la medida de lo posible dicha confusión, que se ha estimado oportuno dedicar un apartado específico en este Proyecto al problema en cuestión. Además de elegir una terminología específica para esta obra, se ha intentado presentar todas las más comunes en uso actualmente, además de intentar describir el porqué detrás de dichos nombres. Sin embargo, es de esperar que dicha lista esté incompleta debido al estado actual de la tecnología, que aún se encuentra madurando en cuanto a aplicaciones industriales y desarrollo, por lo que pueden existir otros términos que no se han incluido aquí pero que se puedan entender con la información aquí presente. A pesar de todo, esfuerzos por órganos de estándares como la ASTM e ISO siguen actuando actualmente para que exista una normalización en cuanto a terminología dentro de este sector y ocurra lo antes posible, al menos para el sector profesional. 12 2.2.3. El proceso genérico: de CAD a pieza final. Actualmente, dado que la fabricación aditiva es una tecnología bastante reciente que está empezando a tener su auge durante esta década, aún no hay grandes acuerdos entre los profesionales del sector sobre terminología (como se ha podido comprobar en la sección anterior) o ni siquiera sobre la clasificación de las máquinas de fabricación aditiva ya que prácticamente mes a mes surgen nuevas máquinas que ponen en entredicho clasificaciones o terminología establecida. Sin embargo, algunos autores, como muestra [14], han intentado presentar lo que han denominado como el proceso genérico de la fabricación aditiva para intentar generalizar tanto como sea posible dentro de las tecnologías de la fabricación aditiva. Por ende, se ha estimado oportuno presentar dicho proceso –adaptándolo a desarrollos recientes– ya que se ha juzgado que permite ilustrar de una forma bastante resumida el funcionamiento que comparten la mayoría las máquinas actuales de fabricación aditiva, algo necesario antes de entrar en la clasificación. Por lo tanto, se puede afirmar que de forma genérica, todas las máquinas de fabricación aditiva, en su mayoría, comparten ocho pasos en un proceso que describe cómo se lleva a cabo la fabricación completa de una pieza, desde su diseño en un programa CAD hasta su puesta en servicio. Dichos pasos se detallan en los siguientes apartados y se muestran en la Figura 2-3. Figura 2-3: Ilustración de los ocho pasos genéricos en el proceso que lleva desde el diseño de la pieza en un entorno CAD hasta su puesta en servicio. [15] 13 2.2.3.1. Diseño en CAD. Tras el diseño de una pieza, el primer paso para llevar a cabo la fabricación aditiva ha de ser necesariamente la que lleva a su introducción en un programa de diseño asistido por ordenador en tres dimensiones (3D CAD1). En principio, cualquier programa actual es suficiente para llevar a cabo este cometido, entre los que CATIA de Dassault Systèmes, SolidWorks de SolidWorks Corp. o AutoCAD de Autodesk en sus versiones más recientes son los más conocidos en el entorno educativo e industrial europeo, pero cualquier programa de similares características es igual de válido. Como se ha comentado con anterioridad, sólo es necesario el modelado geométrico de la pieza en el entorno CAD, sin llevar a cabo pasos adicionales propios de la fabricación asistida por ordenador (CAM). Este modelado se puede llevar a cabo mediante la construcción directa a través de una interfaz de usuario o mediante técnicas de ingeniería inversa, tal como usando un escáner tridimensional. Sin embargo, se ha de prestar un especial cuidado con algunos aspectos como se detallan en el apartado 3.2.1 de [14] a la hora del modelado, entre los que cabe destacar, especialmente, los que pueden causar que la máquina de fabricación aditiva produzca resultados inesperados o poco fiables. Entre ellos, el más destacable es el causado por sólidos no-cerrados que han sido generados mediante superficies. Si dichas superficies poseen discontinuidades o irregularidades en sus puntos de conexión tales que el volumen que encierran no queda completamente cerrado, la máquina de fabricación aditiva puede dar resultados imprevistos, que conllevarían a la fabricación de una pieza defectuosa. Por fortuna, la mayoría de los programas de diseño CAD modernos poseen medidas de comprobación para informar al usuario de dichas inconsistencias en el modelado geométrico que ayudan a que errores de este tipo no ocurran con demasiada frecuencia. Sin embargo, si se están usando programas de diseño CAD anticuados o poco desarrollados, este tipo de errores pueden llevar a una fabricación errónea, por lo que se ha de tener en cuenta. Es importante hacer notar que, adicionalmente, es durante este paso donde se diseñarán en CAD junto con la pieza los elementos auxiliares de apoyo si se estimase su uso oportuno. Su forma, material y uso dependerán en gran medida de la experiencia y buen juicio del diseñador además de la máquina con la que se vaya a fabricar la pieza y de sus características; no existe ningún proceso general a seguir para determinar su geometría, cantidad o si se deben emplear o no. Se tratará el empleo de estos elementos más adelante con más detalle. 1 A partir de este momento, 3D CAD se denominará simplemente como CAD, aunque sigue haciendo alusión al concepto original de diseño asistido por ordenador en tres dimensiones. 14 2.2.3.2. Conversión a formato de archivo propio de la máquina AM. STL vs. AMF. El siguiente paso una vez que se ha completado el modelado geométrico de la pieza en el entorno CAD es el que lleva a cabo la conversión de dicho archivo propio del programa a uno que puede ser leído por la máquina de fabricación aditiva. La conversión del archivo CAD a otro formato se hace necesario ya que el formato original propio del programa contiene más información que la relevante para una máquina de fabricación aditiva; así mismo, el archivo original no contiene toda la información geométrica necesaria para que la máquina pueda fabricar con precisión la pieza que se desea. Actualmente, la mayoría de los programas de CAD pueden llevar a cabo esta conversión, aunque es un paso que muchas veces no resulta trivial a pesar de que en última instancia dependerá del programa en cuestión y de lo actualizado que esté. Indistintamente, se han de proporcionar parámetros adicionales para poder realizar la conversión correctamente e incluso algunos programas CAD necesitan instalar módulos o extensiones adicionales para poder llevarla a cabo. Por lo tanto, este paso no es tan fácil como pedirle al programa CAD que guarde el archivo de interés en otro formato diferente, aunque se pretende llegar a esto en un futuro. El proceso, pues, lleva una complejidad asociada, y a veces no entender lo que se lleva a cabo en esta conversión o cómo funciona puede resultar en piezas fabricadas incorrectamente cuya geometría no se asemeje, dentro de unas tolerancias, a la original. Por todo ello, es conveniente detallar dentro de este apartado los fundamentos de esta conversión. Se hará estableciendo cuáles son los dos formatos de archivo más empleados actualmente a la vez que se realiza la comparación entre ambos, proporcionando información adicional sobre el proceso que se lleva a cabo. El formato de archivo STL. Cuando empezaron a aparecer las primeras máquinas de fabricación aditiva durante la década de 1980, no existía un formato de archivo estándar, pues cada fabricante desarrolló uno para su propia máquina. Aunque siguió esta tendencia, durante la década de 1990 el formato de archivo .STL2 desarrollado por “3D Systems” para su primera máquina comercial de fabricación aditiva se hizo popular en el sector y posteriormente fue adoptado como un estándar de facto por la mayoría de fabricantes. Básicamente, este formato de archivo pretende describir el modelo CAD solamente mediante su geometría. Los archivos CAD normales contienen datos irrelevantes para este formato tales como datos internos del programa sobre la construcción del modelo, historial del modelado o información sobre texturas, color, etc. Aunque la información sobre la geometría del archivo CAD permite al programa representarla en su interfaz, dicha representación no es válida para 2 Origen de la designación STL: “STereoLithography”; también conocido como “Standard Tessellation Language”. 15 una máquina de fabricación aditiva, ya que necesita otra forma de representar la geometría del modelo más acorde a su funcionamiento. Esto, en el formato STL, se consigue aproximando las superficies del modelo presente en el archivo CAD mediante superficies compuestas por triángulos planos. Dichos triángulos estarán definidos por un vector normal que apuntará siempre hacia el exterior del modelo y por las coordenadas de tres vértices asociados a dicho vector, ordenados según la regla de la mano derecha. Las coordenadas estarán referenciadas a un sistema cartesiano de coordenadas tridimensional, donde el origen de este sistema deberá ser tal que ninguna de las coordenadas del modelo sean negativas. Así mismo, no existirá información sobre el escalado del modelo ni sobre unidades, éstas son arbitrarias. El tamaño de los triángulos podrá ser ajustado por el usuario en el momento de la conversión, con el objetivo de que no aparezcan superficies trianguladas evidentes sobre las superficies exteriores de la pieza final al fabricarla. Para calcular el tamaño de los triángulos, el parámetro que el usuario introducirá será la distancia mínima entre el plano que forma el triángulo y la superficie que aproxima. Según [14], una buena regla a seguir para evitar el problema de la aparición de triángulos visibles en la pieza final es elegir una distancia mínima menor que la resolución de la máquina en cualquier eje. La Figura 2-4 muestra el método de aproximación que se lleva a cabo al convertir el modelo CAD al formato STL de una manera simplificada para ilustrar el concepto. Algunos de los problemas típicos en la conversión de un archivo CAD a STL, tal como se indican en el apartado 3.2.2 de [14], pueden aparecer cuando se trata de geometrías complejas o que presentan ciertas discontinuidades. En estos casos, puede ocurrir que los vértices de algunos de los triángulos que componen la superficie de aproximación no se alineen correctamente, lo que puede provocar la aparición de huecos en la superficie en la pieza fabricada. Cuando este problema se presenta, algunas máquinas de fabricación aditiva intentan rellenar estos huecos Figura 2-4: Representación simplificada a título ilustrativo de la aproximación de un toroide tal como aparece en un archivo CAD (trazo discontinuo) mediante una superficie formada por triángulos planos (trazos continuos) presentes en un archivo STL. La “x” representa el punto de distancia mínima entre el plano formado por el triángulo de lados “a”, “b” y “c” y el toroide. 16 por sí solas, lo que puede llevar a la inclusión de material adicional en la pieza final además de que estos huecos sean rellenados mediante superficies que adopten una forma no deseada por el fabricante, todo ello incurriendo, en última instancia, en la fabricación de una pieza errónea. Sin embargo, problemas como éste pueden ser tratados y rectificados automáticamente o mediante intervención del usuario antes de enviar el archivo STL a la máquina de fabricación aditiva mediante programas conocidos como de reparación de archivos STL. Dichos programas se suelen ejecutar paso previo a enviar el archivo STL a la máquina y permiten detectar errores en estos archivos que no se detectarían de otra forma hasta que la pieza ya estuviera fabricada. Para obtener más información sobre el formato STL, tal como la estructura interna del código informático del archivo, por favor consulte [16], y [14] para una información más general. El formato de archivo AMF. Comparación con el formato STL. Debido a la mayor relevancia e importancia que las tecnologías de fabricación aditiva cobraron durante la primera década del s. XXI, el órgano de estándares ASTM creó el comité F42 para tratar con los nuevos retos que presentaba la fabricación aditiva en el 2009. Su objetivo ha sido establecer estándares en todo el sector de la fabricación aditiva, y establecer un formato de archivo que pueda ser usado por todas las máquinas de fabricación aditiva independientemente de su fabricante. De hecho, no fue hasta el año 2011 cuando por fin se publicó la primera norma donde se define el formato AMF (“Additive Manufacturing File Format”) y su nombramiento como nuevo estándar en la industria. Un año más tarde, durante el 2012, sufrió su primera modificación llevándola a la revisión 1.1, y el 2013 vio su adopción conjunta por la ISO, que pasaría a ser gestionada conjuntamente tanto por la ASTM como por este órgano. La actual encarnación es la norma ISO / ASTM 52915 - 13, que puede ser consultada en [17]. Así mismo, por favor consulte [18] y [19] para más información sobre la norma y la historia de su desarrollo. En esencia, aparte de intentar ser un nuevo formato de archivo estándar en la industria de la fabricación aditiva, el formato AMF ha pretendido mejorar las deficiencias que el formato STL ha empezado a mostrar conforme ha ido avanzando la tecnología con el paso del tiempo. Ya antes de establecer la norma, como se muestra en [20], el comité F42 de la ASTM llevó a cabo una encuesta en el 2010 entre los profesionales del sector para establecer cuáles eran las mayores preocupaciones y deficiencias que encontraban con el formato STL para poder trabajar a partir de ellas. Descubrieron que un formato de archivo libre y la fidelidad y exactitud geométrica respecto al modelo eran las dos principales preocupaciones, seguidas por la opción de incluir unidades, poder especificar materiales múltiples dentro de un mismo modelo, establecer tolerancias y reducir el tamaño de los archivos, entre otros. De esta forma, teniendo todo esto en cuenta, se desarrolló dicho formato, por lo que se puede afirmar que el formato AMF mejora sobre el formato STL en casi todos sus aspectos. De hecho, como muestra [19] y [20], fue nombrado como STL 2.0 durante su desarrollo y aún se sigue usando dicha designación informalmente. 17 En cuanto al formato en sí, la única característica que mantiene respecto al STL es la manera en la que aproximan las superficies del modelo, opción que realiza el AMF por defecto. Sin embargo, al aumentar la resolución de las máquinas de fabricación aditiva, llegando incluso a hablar de resoluciones de décimas de micrómetros actualmente, el número de triángulos necesarios para aproximar la geometría crecen de tal forma que los tamaños de los archivos y la complejidad computacional entran en un orden no aceptable, sobre todo si la pieza posee una geometría compleja. Debido a esto, para estas geometrías, el formato AMF permite al usuario especificar si en vez de usar la aproximación por defecto propia del STL, se lleve a cabo una nueva clase de aproximación que el nuevo formato sí permite. En estos casos, lo que se permite es que o bien los triángulos planos originales pasen a tener alguno o todos sus lados curvos (definidos por un vector tangente en cada vértice) o que pasen a ser una superficie triangular curva en vez de plana (definida por los vectores normales a dichas superficies en cada vértice), todo ello manteniendo los vértices originales, como se puede apreciar en la Figura 2-5. Figura 2-5: Muestra de los cambios opcionales que el método de aproximación para el formato AMF introduce respecto al formato STL. Curvatura de los triángulos en tres dimensiones (superior derecha) o curvatura de los lados (inferior derecha). Hay que reiterar, sin embargo, que dichas modificaciones a la geometría de los triángulos es opcional e incluso se puede aplicar sólo a algunas regiones de la aproximación de la pieza. De esta forma, se consigue una mayor fidelidad respecto a la pieza original en regiones de mayor complejidad mientras que se mantiene la aproximación de triángulos planos no curvos en regiones donde usar la nueva metodología encarecería de manera innecesaria la computación sin conseguir una mejor aproximación apreciable. Dicho de otra forma, en zonas de geometría compleja, usar la aproximación de triángulos curvos consigue una aproximación con menor error y a menor coste computacional que usar los triángulos planos (pues harían falta muchos de éstos), mientras que en zonas donde la complejidad es menor, usar triángulos planos es más eficiente pues el error que se comete con ambos métodos es parecido pero el coste de usar los triángulos curvos es mayor ya que el número de triángulos planos que se emplean es menor. En cuanto a la curvatura de los triángulos, ya sean planos o tridimensionales, el proceso que se sigue para generarlos por el convertidor a formato AMF es el siguiente. Como muestra la Figura 18 2-6, cada triángulo se subdivide recursivamente en 4n triángulos, donde n representa el número de veces que se realizan las subdivisiones de cada triángulo generado en el paso n – 1 (n ≥ 1). Figura 2-6: División recursiva de los triángulos de la aproximación AMF generando 4n triángulos adicionales para obtener las superficies triangulares curvas. En este caso, n = 2 y el triángulo inicial es plano para simplificar la representación del concepto. Nótese que esta división recursiva sólo se aplica si el triángulo inicial ha de ser curvo. El número n de subdivisiones que se realicen dependerá de la precisión que quiera obtener el usuario, y dependerá de lo compleja que sea la geometría (o región geométrica particular) de la pieza que se pretende aproximar y por tanto del porcentaje de error que esté dispuesto a asumir el usuario. Por supuesto, el costo computacional es un parámetro que se ha de considerar si n es demasiado elevado, pero esto dependerá del tamaño inicial de los triángulos planos y de otros factores como la potencia computacional y, en última instancia, del tiempo del que se disponga. Para ilustrar la comparación de este método de aproximación disponible si el usuario así lo cree conveniente en el formato AMF frente al formato STL, se muestran las dos gráficas error frente a número de triángulos tomando como superficie que se desea aproximar la de una esfera unidad en la Figura 2-7. En ambas gráficas, están representadas las curvas correspondientes a las aproximaciones procedentes de la conversión que realiza un archivo STL, y las correspondientes a un archivo AMF empleando triángulos curvados tridimensionales con un número de subdivisiones de n = 1, 2, 3, …, 6. Sin embargo, para obtener una mejor ilustración de lo que ocurre, por favor consulte [20]. En la primera gráfica se puede apreciar claramente que para un número de triángulos determinado, la aproximación por triángulos planos empleada en los archivos STL es la que mayor error proporciona, es decir, es la que peor aproxima la geometría de la pieza. Como es de esperar, la aproximación usando triángulos curvos de los archivos AMF es más precisa que la STL y esta precisión aumenta conforme incrementa el número de subdivisiones para aumentar la precisión de la curvatura de los triángulos. En la segunda gráfica de la Figura 2-7 queda ilustrado que para un error fijado, el número de triángulos generados es máximo para los archivos STL mientras que el mínimo corresponde a los triángulos curvados con un mayor número de subdivisiones de los archivos AMF. Obviamente, para ambos casos, la geometría original que se ha querido aproximar es una esfera, que muestra una curvatura en su superficie importante. En estos casos, donde la geometría de la pieza original presenta curvatura, las gráficas mostradas en la Figura 2-7 serían de aplicación, aunque la forma de las curvas obtenidas variaría según la superficie original que se estuviera 19 intentando aproximar. Sin embargo, es de esperar que las mismas relaciones entre los diferentes métodos de aproximación aún se mantuvieran. Si la geometría de la pieza original que se estuviera intentando aproximar fuese de superficies planas o con poca curvatura, cabe esperar, tal como se razonó anteriormente dentro de este apartado, que las relaciones entre las curvas no estuvieran tan acentuadas, llegándose al caso en que el error cometido empleando el método STL no difiera visiblemente del cometido usando el método recursivo de los archivos AMF. En esencia, el uso de triángulos curvados sólo es más eficiente que los triángulos planos originales del STL en aquellas zonas de la pieza donde la geometría sea curva o compleja. Para las demás regiones de la pieza, es más eficiente emplear la aproximación de los triángulos planos sin curvatura cuanto más plana y simple sea la geometría. Figura 2-7: Dos gráficas de “error” vs. “número de triángulos” en el caso de intentar aproximar la esfera unidad mediante los métodos del formato STL frente a los del AMF con n = 1, 2, 3, …, 6 subdivisiones. 20 En cuanto a las demás particularidades que introduce el formato AMF aparte de la mejoría de la aproximación geométrica, están las siguientes. Uso de un formato abierto de archivo basado en XML. El formato de archivo ya no es propiedad de una sola empresa Definición y empleo de unidades en el archivo En el archivo AMF se pueden definir diferentes materiales para una sola pieza. Esto es de utilidad en nuevas máquinas de fabricación aditiva que son capaces de fabricar empleando múltiples materiales Permite definir proporciones y gradientes de diferentes materiales dentro de una misma pieza en función de las coordenadas. De esta forma, se pueden crear materiales compuestos donde se puede definir su subestructura Posibilidad de crear constelaciones o patrones que compartan la misma geometría. Útil cuando se desean fabricar varias piezas iguales o cuando la estructura interna de una pieza presente patrones Añade la particularidad de poder especificar colores para la pieza según materiales, regiones o vértices o poder añadir gráficos sobre la pieza que se fabricará, referenciando a un archivo de imagen Aparte de estas características que ya actualmente posee el formato AMF, se planea, según [20], implementar en un futuro las siguientes mejoras. Entre ellas, las más destacables son añadir tolerancias, texturas de superficie o profundidad sobre la pieza, encriptación de los datos para proteger derechos de autor, referencias externas y sub-ensamblados, datos sobre el control del proceso, estructuras auxiliares de soporte no-volumétricas e implementar otros métodos de aproximación geométrica no basados en los triángulos, tales como Voxel o FRep. 2.2.3.3. Transferencia y manipulación del archivo por la máquina. Una vez generado el archivo STL o AMF (u otro formato propio de la máquina en cuestión), este archivo se traslada a la máquina preparándola para llevar a cabo la fabricación. Este paso no siempre es necesario y la manipulación permitida varía de máquina a máquina, pero la mayoría de ellas permiten realizar varias acciones sobre el archivo que se ha generado como último paso previo a la configuración de la máquina y a la fabricación propiamente dicha. Dichas manipulaciones están encaminadas a comprobar la pieza generada en el archivo y a realizar acciones que no se han podido efectuar en el paso de la conversión, pero todo esto depende del formato del archivo empleado. Según [14], por ejemplo, para archivos STL algunas máquinas permiten en este paso realizar manipulaciones como el escalado de la pieza en el archivo, crear patrones, definir materiales o hacer que la máquina grabe texto en la pieza que se fabricará con fines identificativos. Obviamente, para archivos AMF, todo esto y más se puede configurar durante la conversión a este formato, por lo que no es necesario nada de esto en este paso. 21 Sin embargo, por lo general casi todas las máquinas permiten la visualización de la pieza que se ha generado en el archivo, por lo que se puede inspeccionar visualmente paso previo a la fabricación para cerciorarse de que todo está correcto. Otras acciones generales que se pueden llevar a cabo en este paso son las siguientes: Reposicionar la pieza o cambiar su orientación para que sea fabricada en un lugar específico dentro de la máquina. Importar varios archivos para fabricar diversas piezas a la vez dentro de la máquina, si el tamaño de éstas lo permite. Alternativamente, se pueden fabricar varias instancias de la misma pieza. Obviamente, dado que las funciones que se permiten realizar durante este paso son específicas de la máquina en cuestión, se hace difícil generalizar. Algunas permitirán funciones más avanzadas mientras que otras sólo proporcionarán las más básicas, pero por lo general suelen proporcionar opciones que suplementan o que intentan tender puentes entre lo que los formatos de archivo permiten y las necesidades de los usuarios necesitan, no siempre permitido al convertir al formato de archivo de la máquina. 2.2.3.4. Configuración de la máquina. El último paso antes de que la máquina de fabricación aditiva lleve a cabo la fabricación de la pieza en sí consiste en su configuración. Como se explica en [14], cada máquina tendrá parámetros propios que deberán ser ajustados antes de poder comenzar el proceso de fabricación. Dichas opciones pueden variar de una máquina a otra, pero suelen ser los parámetros que son específicos de cada máquina y que tienen que ver con sus características y funciones internas. Por lo tanto, la complejidad de la máquina en cuestión y la variedad de características que presente determinará cuán compleja será su configuración. Máquinas que permiten fabricar empleando más de un material o que tienen un gran rango de resoluciones disponibles tardarán más en ser configuradas que máquinas con menos opciones. Por fortuna, la gran mayoría de máquinas actuales permiten al usuario guardar configuraciones pasadas para así poder agilizar este proceso o cambiar rápidamente entre diferentes configuraciones según sea la necesidad de cada pieza. Es decir, parámetros como el espesor de las capas (resolución en el eje Z) o selección de material a emplear son elegidos y configurados durante este paso, junto con otros de la misma naturaleza. Como nota adicional cabe añadir, como se indica en [14], que usualmente una máquina de fabricación aditiva que no sea configurada correctamente llevará a cabo la fabricación de una pieza a pesar de ello. Sin embargo, el resultado usualmente será inaceptable. 22 2.2.3.5. Fabricación de la pieza. Aquí es donde la máquina lleva a cabo la materialización de la pieza que hasta ahora sólo ha existido en un soporte informático. Aunque todos los pasos previos han requerido de la intervención de uno o varios usuarios, tomando activamente decisiones, interactuando con programas informáticos para, en última instancia, indicarle a la máquina de fabricación aditiva cómo ha de fabricar la pieza que han diseñado o que necesitan, este paso es completamente automatizado. Todo lo realizado durante los pasos anteriores ha servido para que la máquina ahora lleve a cabo las órdenes que culminarán en la fabricación de la pieza deseada. La única intervención que se podría requerir durante este paso es si la máquina se quedara sin material u ocurrieran eventos no previstos que provocarían algún fallo que impidiesen que la fabricación se completara, tales como apagones, averías, etc. Cada máquina de fabricación aditiva, dependiendo de la tecnología que posea, fabricará de una forma u otra, atendiendo a las tres diferencias fundamentales que se mencionaron en el apartado 2.2.1. Esto se detallará más adelante cuando se realice una clasificación de las máquinas de fabricación aditiva. Cuando la máquina complete el proceso de fabricación, ésta alertará al usuario de ello, bien mediante señales auditivas y visuales o mediante avisos que presentará en la pantalla propia de la máquina, o ambas. Así mismo, si se encontrara con algún fallo imprevisto que aún permitiera que la máquina funcionase, también realizaría un aviso al usuario (por ejemplo, al quedarse sin material para proseguir la fabricación). 2.2.3.6. Obtención y limpieza de la pieza. Una vez que la máquina ha finalizado correctamente la fabricación de la pieza, será necesaria la intervención del usuario para extraerla correctamente de ella. Los trabajos que se deban realizar para llevar la extracción a cabo variarán de una máquina a otra debido a que diferentes tecnologías de fabricación aditiva llevarán a cabo el proceso de la fabricación de una forma u otra, determinando así lo que se ha de hacer para obtener la pieza. Así mismo, la pieza en sí también determinará lo que se ha de realizar para extraerla, ya que algunas habrán exigido la fabricación adicional de elementos auxiliares de soporte para mantener la integridad de la pieza durante su fabricación mientras que con otras esto no habrá sido necesario. En este paso la intervención del usuario se hace indispensable. Dependiendo del tipo de proceso de fabricación que la máquina haya empleado, puede que sea necesario retirar material sobrante, retirar elementos auxiliares de soporte o simplemente retirar la pieza de la bandeja donde se ha fabricado en el interior de la máquina. Si se han empleado elementos auxiliares de soporte, su manipulación puede ser complicada y trabajosa, aunque esto por supuesto también dependerá del material del que estén fabricados y de la complejidad de la pieza original. De 23 nuevo, se requiere de la pericia y experiencia del usuario para no dañar la pieza al quitar los soportes o separarlos de la pieza final. Tras esto, una limpieza inicial de la pieza se llevará a cabo, que se puede considerar un paso previo al post-procesado posterior. Usualmente consiste en eliminar restos del material sobrantes del proceso de la fabricación de la superficie de la pieza fabricada mediante técnicas como el uso de aire comprimido, lavado y posterior secado o simplemente el frote de la pieza con un paño seco, aunque la técnica empleada variará dependiendo del material de la pieza y del proceso de fabricación que se haya seguido, así como del post-procesado que se le desee aplicar a la pieza. 2.2.3.7. Post-procesado. Es posible que la pieza que se haya fabricado esté lista tras su extracción y limpieza, por lo que este paso no es de aplicación para todas. Sin embargo, dependiendo de la aplicación a la que vaya destinada o del material o materiales de los que haya sido fabricada será necesario un postprocesado acorde a las necesidades que se prevean. Un rasgo en común que comparten las máquinas de fabricación aditiva actuales es que debido a la forma en la que la fabricación es llevada a cabo (la pieza es construida depositando capas de material que posteriormente se unen), las propiedades materiales y superficiales de la pieza obtenida tras la fabricación suelen ser fuertemente anisótropas. Igualmente, puede que durante el proceso de unión de capas se hayan producido imperfecciones como la inclusión de huecos, capas que no se han unido o enlazado correctamente o cristalizaciones no óptimas. Todo ello contribuye a una degradación de las propiedades mecánicas o materiales de la pieza, por lo que llevar a cabo un postprocesado para intentar subsanar algunos de éstos queda justificado. De esta forma, es posible que se lleven a cabo durante este paso procesos como los siguientes: Acabados superficiales mecánicos o físicos (desbaste abrasivo, limado, pulido, etc.) Acabados superficiales químicos o electroquímicos (galvanizado, electropulido, anodizado, etc.) Recubrimientos electroquímicos (cromado, niquelado, etc.) Otros recubrimientos (pintado, barnizado, etc.) Tratamientos térmicos de metales (temple y revenido, recocido, carburización, etc.) Operaciones de secado o cocido Por supuesto, puede que se apliquen otros procesos de post-procesado que no se han mencionado aquí si así lo requiere la pieza. En esencia, cualquier operación que se haya de llevar a cabo para que la pieza que se ha fabricado alcance unas características determinadas (acabado superficial, tolerancias, propiedades del material, etc.) según la aplicación a la que vaya destinada en su puesta en servicio se realizan durante este paso. Puede que sean operaciones sencillas o complejas, una o una combinación de ellas, pero todas requieren de un trabajo manual y un cuidado para que no se dañe la pieza que se ha fabricado, en especial si ésta posee una geometría compleja. 24 Éste es el último paso en el proceso genérico de la fabricación aditiva que se realiza antes de que la pieza esté lista para su puesta en servicio según la aplicación a la que se destina. Sin embargo, como nota adicional, cabe mencionar que el post-procesado necesario para las piezas fabricadas mediante las tecnologías de fabricación aditiva por lo general requiere de un menor esfuerzo que en piezas fabricadas por tecnologías de fabricación tradicionales, baza a favor de esta tecnología ya que reduce costes y ahorra tiempo. 2.2.3.8. Puesta en servicio de la pieza. Por último, una vez fabricada, extraída, limpiada y post-procesada, la pieza estará lista para su puesta en servicio. Lo que se entiende por esto puede variar según la aplicación y no siempre se refiere a que la pieza esté lista para su uso comercial o industrial, casos que llevarían parejos pasos adicionales que quedan fuera del alcance de estos pasos genéricos descritos en [14], como por ejemplo controles de calidad exhaustivos. Puede que la pieza que se fabricó fuera para obtener un prototipo, por lo que una vez llegada a este paso, se considera que la pieza ya ha sido puesta en servicio. Igualmente, puede que la pieza hubiera sido fabricada para ser ensayada, por lo que su uso en ensayos sería su puesta en servicio. De la misma forma con cualquier otra aplicación. Sin embargo, es de especial relevancia resaltar que una característica que une a todas las tecnologías de fabricación aditiva actuales es su bajo volumen de fabricación. Aunque esto se detallará más adelante, se adelanta aquí que incluso para uso comercial o industrial, las series de fabricación suelen ser de volúmenes bastante reducidos, donde órdenes de magnitud de las decenas o centenares de piezas fabricadas sería el límite. Volúmenes más grandes que estos actualmente no son factibles fabricar usando esta tecnología por razones de tiempo y económicas; otras opciones actuales de fabricación convencionales serían más eficientes si lo permite la pieza en estos casos. Por ende, esta tecnología es de aplicación para piezas únicas, altamente personalizables según las necesidades de cada cliente, o para usos donde el volumen de producción es reducido y el tiempo ahorrado o la eliminación de la complejidad pareja a fabricar la pieza empleando métodos de fabricación tradicionales lo justifican. Este último caso se corresponde al de ciertas piezas para uso en el sector aeronáutico, pero no se limita a éste. Otro ejemplo notable es el del sector biomédico (fabricación de prótesis e implantes altamente personalizados para cada paciente). De nuevo se reitera que todo esto será tratado en más profundidad en apartados posteriores debido a su importancia. 25 2.2.4. Clasificación de las tecnologías de fabricación aditiva. Una vez descrito el proceso genérico que la mayoría de las máquinas de fabricación aditiva actualmente siguen, se hace necesario comenzar a resaltar las diferencias que existen entre las tecnologías actuales para poder indagar con más profundidad en cuáles serían de interés para los objetivos de este Proyecto. Como ya se mencionó en el apartado 2.2.1, los rasgos distintivos que diferencian una tecnología de fabricación aditiva de otra son, principalmente, tres: Los materiales que se emplean en la fabricación Cómo se crean las capas Cómo se unen unas capas con otras Recordando el nexo común y la propia definición de fabricación aditiva, es decir, que todas las máquinas, independientemente de cualquier aspecto, llevan a cabo la fabricación depositando capas (de una manera u otra, de un material u otro y uniendo dichas capas de una manera u otra), intentar realizar una clasificación de todas las tecnologías actuales de fabricación aditiva se convierte también en una tarea que no se libra de la controversia ni del desacuerdo existente en el sector debido a la variedad y a la novedad de la tecnología. De hecho, ya que hay tres aspectos que diferencian una tecnología de otra, es raro encontrar clasificaciones de las máquinas que se hayan realizado teniendo en cuenta dichos tres parámetros a la vez. No obstante, hay algunas clasificaciones que parecen haber prevalecido por encima de otras. A lo largo de los años, varios autores e instituciones han propuesto varias clasificaciones atendiendo, sobre todo, a cómo se crean las capas o a cómo se unen las capas (es decir, atendiendo al proceso). Cada vez es más raro encontrar clasificaciones que intenten usar el material empleado por la máquina ya que un mismo material puede ser empleado indistintamente por máquinas que siguen procesos muy diferentes mientras que hay otras que pueden emplear una plétora de materiales, por lo que éste ha demostrado ser un método poco eficaz para intentar realizar una clasificación, sobre todo vistos los avances de estos últimos años en el sector. Por otra parte, aunque se ha establecido cuáles y porqué se utilizan los parámetros que se han mencionado para realizar las clasificaciones, hay que hacer notar que es bastante común encontrar clasificaciones que en vez de intentar englobar una misma tecnología empleando una terminología común, se suelen realizar empleando modelos y máquinas específicas. Ya que en este capítulo se ha optado por realizar una introducción teórica lo más generalista posible a la tecnología, sin tener que entrar en modelos o fabricantes de máquinas específicos, se ha optado por presentar dos clasificaciones diferentes – la primera, la más empleada, y la segunda, en contraposición, una clasificación un tanto diferente y curiosa que merece ser mencionada ya que emplea, en cierta medida, los tres parámetros que se han mencionado. La primera clasificación (apartado 2.2.4.1) es quizá la más informativa y la que se usa en la mayoría de los libros y documentos académicos para intentar clasificar y diferenciar las diferentes máquinas de fabricación aditiva actuales, y es la que se basa en el proceso. Dicha clasificación es mencionada por la ASTM en la norma [2] y aunque no pretende ser una clasificación rigurosa, es lo suficientemente generalista y amplia para abarcar y diferenciar, 26 dentro de lo que cabe, todas las tecnologías de fabricación aditiva actuales de manera adecuada. Obviamente, presenta algunos problemas cuando se intenta afinar, como se menciona en [21], ya que algunas máquinas específicas son difíciles de clasificar debido a su naturaleza por lo que las fronteras que se establecerán serán un tanto difusas y se deberán tomar con esta precaución en mente. La segunda clasificación fue propuesta por el autor Duc Truong Pham en su publicación académica [22]. Aunque no es demasiado conocida fuera de ciertos círculos debido a que es necesario un cierto conocimiento de la tecnología de fabricación aditiva para comprenderla, es digna de mención ya que intenta emplear de alguna forma el proceso y material en la clasificación. Ambas clasificaciones se detallan a continuación. 2.2.4.1. Clasificación según la ASTM. Clasificación según el proceso. Como ya se ha mencionado, esta clasificación es la más común y es empleada por numerosos autores académicos del sector en la bibliografía disponible. También la ASTM la emplea para hacer referencia a los diferentes procesos, aunque no existe una norma específica y rigurosa sobre esta clasificación, sino definiciones de estos procesos dentro de la norma mencionada [2]. Sin embargo, da una buena visión global de la tecnología, separando y clasificando las diferentes tecnologías de fabricación aditiva según el proceso que se emplea para la fabricación. De hecho, esta clasificación será la base para dar nombre a diferentes bloques de tecnologías que será empleada en este Proyecto, por lo que su importancia para los capítulos posteriores será inmensurable. Así mismo, esta clasificación también será de utilidad a la hora de consultar fuentes y la bibliografía existente sobre las tecnologías de fabricación aditiva. A continuación, la Figura 2-8 muestra esquemáticamente la clasificación según el proceso de las tecnologías de fabricación aditiva. Dicha clasificación se ha realizado teniendo en cuenta la información presente en [2], [23] y [24], que se ha comparado y simplificado para englobar y complementar los diferentes puntos de vista. Tras esto, se dará una breve descripción informativa genérica sobre cada bloque tecnológico dentro de este apartado, pero no se entrará en detalle hasta los apartados pertinentes más adelante. Es importante hacer notar que los esquemas de las máquinas que se presentarán son esquemas básicos que pretenden simplificar y no dar una visión de cómo son las máquinas que emplean estos procesos en la realidad. Aunque es posible que haya varias que empleen exactamente los mismos métodos mostrados en los esquemas, cada fabricante suele variar sus diseños para que dichas representaciones no puedan ser usadas más allá de con un fin informativo, tal y como son empleadas aquí. El capítulo segundo de estado del arte será el encargado de asociar máquinas reales con las clasificadas según los procesos genéricos presentados a continuación. 27 Procesos de fotopolimerización "Vat Photopolymerization" Inyección de material Procesos de impresión "Printing Processes" "Material Jetting" Inyección de aglutinante "Binder Jetting" Procesos de extrusión de material CLASIFICACIÓN de las tecnologías de FABRICACIÓN ADITIVA según el proceso. "Material Extrusion Processes" Procesos de fusión en lecho de polvo "Powder Bed Fusion Processes" Procesos de laminación de chapas "Sheet Lamination Processes" Procesos de depositado mediante energía dirigida "Directed Energy Deposition" Figura 2-8: Esquema ilustrativo de la clasificación de las tecnologías de fabricación aditiva según el proceso seguido por la máquina en la fabricación. 2.2.4.1.1. Procesos de fotopolimerización (“Vat Photopolymerization”). Materiales empleados: resinas fotopolimerizables. Descripción genérica del proceso: (véase la Figura 2-9 y [25], [26]). Los procesos de fotopolimerización, conocidos como “Vat Photopolymerization” o “Photopolymerization Processes” en inglés, engloban al conjunto de tecnologías de fabricación aditiva que fabrican la pieza empleando una resina fotopolimerizable sin curar en estado líquido. Dicha resina se encuentra dentro de un recipiente contenedor (“vat” en inglés), junto con una plataforma que se puede mover en el eje vertical (eje Z). Dicha plataforma se encontrará siempre en una posición en la que por encima de ella (en el momento inicial) o por encima de la última capa de material polimerizado se encuentre una capa líquida del espesor indicado para 28 la fabricación de la pieza. Por lo tanto, el movimiento y emplazamiento de esta plataforma proporciona la resolución en el eje Z de la máquina. Una fuente de luz, normalmente proporcionada por un láser en el espectro visible o ultravioleta, será dirigida por un espejo o varios hacia la resina en estado líquido, proporcionando con su movimiento el control en el plano X-Y que se emplea para fabricar cada capa de la pieza, ya que esta luz inicia el proceso de curado de la resina, polimerizándola y solidificándola. Por lo tanto, el diámetro del haz de luz en la superficie de la resina proporciona de una forma aproximada la resolución en los ejes X-Y de la máquina. Por último, un elemento móvil de la máquina (“sweeper”) es el encargado de barrer la superficie de la resina fotopolimerizable para mantener la capa de líquido siguiente uniforme y desprender de la última capa polimerizada cualquier elemento que se haya polimerizado en exceso en el eje Z. El post-procesado será el encargado de eliminar lo que se haya polimerizado en exceso en el plano X-Y durante la creación de cada capa. Obviamente, la pieza finalizada sumergida deberá ser extraída del recipiente. Figura 2-9: Esquema del proceso de fotopolimerización. 2.2.4.1.2. Procesos de impresión (“Printing Processes”). Materiales empleados en la inyección de material: ceras, fotopolímeros o metales. Materiales empleados en la inyección de aglutinante: cualquier material en polvo (usualmente metales y cerámicos, aunque también materiales como maderas). Descripción genérica del proceso de inyección de material: (véase la Figura 2-10 izq. y [25]). 29 Ambos procesos se denominan procesos de impresión ya que su funcionamiento es similar al de las impresoras por inyección de tinta tradicionales.3 En los procesos de inyección de material (“Material Jetting”), existe un cabezal que contiene en su interior el material que será empleado para fabricar la pieza. Integrado en dicho cabezal existirán inyectores que podrán ser puntuales o alargados en una dimensión, formando una ranura, desde donde será eyectado el material contenido en el cabezal. La estructura de soporte del cabezal permitirá su movimiento en el plano X-Y mientras que el control en el eje vertical (eje Z) será proporcionado por la plataforma constructora (“build tray”). De nuevo, la forma, número y disposición de los inyectores del cabezal proporcionarán la resolución en el plano X-Y mientras que los movimientos de la plataforma y el movimiento de barrido del cabezal (combinación de velocidad de barrido y caudal de material inyectado) proporcionarán la resolución en el eje Z. Una ventaja de este sistema es que permite el cambio de cabezales, por lo que se pueden crear piezas con capas de diferentes materiales, siempre y cuando puedan ser unidas. Así mismo, un mismo cabezal puede contener varios materiales que serán inyectados a la vez, como por ejemplo, el material auxiliar del que serán fabricadas las estructuras de soporte. En concreto, la Figura 2-10 izq. muestra un sistema con un cabezal que inyecta un fotopolímero líquido que va curando al realizar el barrido mediante una luz ultravioleta conforme avanza según un eje, a la vez que el material de soporte. Figura 2-10: Esquema de un proceso de impresión. A la izquierda, inyección de material. A la derecha, inyección de aglutinante. Descripción genérica del proceso de inyección de aglutinante: (véase la Figura 2-10 der. y [25], [27]). 3 Ambos procesos son los que rigurosamente se denominan estereolitografía e impresión 3D, respectivamente, aunque bajo el primer nombre también existen procesos de fotopolimerización. 30 En contraposición a los procesos de inyección de material, los de inyección de aglutinante (“Binder Jetting”) difieren radicalmente en que lo que el cabezal activamente inyecta al sistema es un material aglutinante o adhesivo en forma líquida, que es suministrado mediante un depósito al cabezal, en vez del material del que será fabricada la pieza. El material del que será fabricada la pieza se encuentra en forma de polvo, presentando la ventaja de que no hay tantas restricciones sobre el material empleado como lo hay en la caso de inyección de material. Sin embargo, a diferencia de su proceso hermano, posee la clara desventaja de que sólo puede ser empleado un tipo de polvo de material a la vez, por lo que fabricar piezas compuestas de varios materiales se hace complicado empleando esta tecnología. En cuanto al proceso, usualmente, estas máquinas se encuentran en una disposición de dos bandejas o recipientes, aunque no es raro encontrar disposiciones con tres o más. En esencia, una de ellas será donde la pieza será fabricada y sobre la que el cabezal de la máquina tendrá dominio, pudiéndose mover en el plano X-Y de ésta para depositar el aglutinante. Los demás recipientes serán los que contengan el material en forma de polvo con el que será fabricada la pieza. Sin embargo, para simplificar la explicación, se asumirá una máquina con sólo dos recipientes, uno para el material y otro donde se realizará la construcción, como el mostrado en la Figura 2-10 der., aunque se podrá extrapolar al caso de más recipientes fácilmente conociendo como funciona una máquina con dos. En ambos recipientes existirá una plataforma desplazable en el eje vertical que tendrán movimientos verticales opuestos, es decir, la bandeja que suministra material irá ascendiendo conforme avanza la fabricación para seguir suministrando material, mientras que la bandeja donde se está construyendo la pieza irá descendiendo conforme avanza el proceso para permitir la introducción de más material para construir la siguiente capa. Existirá, además, un elemento nivelador y homogeneizador que será el encargado de realizar el barrido sobre el recipiente del material para arrastrarlo al recipiente donde se llevará a cabo la fabricación. Es decir, en el instante inicial, la bandeja del recipiente del material se encontrará en su nivel más bajo mientras que la bandeja del recipiente de construcción estará en su posición más alta, usualmente el espacio entre la superficie de dicha bandeja y el borde del recipiente representará el espesor de capa inicial o resolución en el eje Z y el espesor en cada momento será el de este borde y la capa anterior o el del espesor de la capa de polvo que existe sobre la última capa fabricada. Una vez que se ha arrastrado material desde el recipiente del material a la bandeja, el cabezal depositará el aglutinante sobre este polvo para definir la geometría de esa capa. Para trabajar sobre la siguiente capa, la plataforma en el recipiente de construcción se desplazará hacia abajo mientras que más material será barrido desde el otro recipiente, repitiendo el proceso. Una ventaja de este proceso es que el material en forma de polvo no aglutinado que existe en el recipiente de construcción actúa a su vez como material de soporte, por lo que fabricar estructuras adicionales con este fin es innecesario. Una vez finalizada la pieza, deberá ser retirada de la bandeja de construcción de entre el material en polvo no aglutinado. Dicho material será devuelto a las bandejas de suministro de materia 31 prima para realizar otra construcción posterior, siempre limpiando y dejando libre de material la bandeja de construcción. Con este proceso, se suele proceder a realizar operaciones de post-procesado orientadas a aumentar la integridad de la pieza, ya que su resistencia es escasa debido a su estructura interna, aglutinada mediante adhesivos. Por ejemplo, en el caso de materiales cerámicos se realizan cocidos en hornos mientras que para materiales metálicos se puede proceder a fomentar la unión de dichos granos mediante la sinterización4 en un horno. Tampoco es raro que se empleen materiales de sellado para aumentar la resistencia y el acabado superficial. 2.2.4.1.3. Procesos de extrusión de material (“Extrusion Processes”). Materiales empleados: Ceras y termoplásticos (actualmente el ABS, polietileno, polipropileno, poliamida y el policarbonato son los más empleados). Sin embargo, procesos similares se están empleando para usar máquinas a gran escala empleando hormigón, arcillas viscosas y otros materiales de la construcción. Descripción genérica del proceso: (véase la Figura 2-11 y [25], [28]). Los procesos de extrusión se diferencian de los demás procesos de fabricación aditiva en que su principio fundamental es realizar la extrusión del material base para darle una cierta viscosidad y fluidez al hacerlo pasar a través de un difusor e inyector para posteriormente depositarlo sobre una plataforma base donde se irá construyendo la pieza capa por capa. Con materiales como ceras o termoplásticos esto se consigue calentándolo mediante resistencias justo antes de pasar por el difusor en el interior del cabezal, mientras que otros materiales, como el hormigón, ya se encuentran en estado viscoso antes de pasar por dichos difusores, por lo que sólo se ha de cuidar que permanezcan en este estado desde su almacenamiento hasta su suministro al cabezal. Dejando a un lado el caso de materiales como el hormigón –que requieren de un proceso y máquinas un tanto particulares–, a continuación se tendrá en cuenta el proceso seguido por una máquina convencional que emplea ceras o termoplásticos, aunque el proceso es extrapolable haciendo los cambios pertinentes para ajustar la máquina a la escala y material empleados en las construcciones donde emplear hormigón está justificado. Para indagar sobre esta aplicación, también llamada como “Contour Crafting”, por favor consulte [29], [30] y [31], aunque se detallará más adelante en la sección pertinente. Normalmente, el material base, tanto para la pieza como, a veces, para fabricar los elementos auxiliares de soporte, se encuentran suministrados en bobinas donde se encuentran enrollados hilos o filamentos de estos materiales flexibles. Dichos hilos se acoplan al cabezal donde se 4 Proceso por el cual se forma una masa sólida a partir de partículas de un mismo material mediante la aplicación de calor y/o presión sin llegar a fundirlo. Estando las partículas en contacto, a altas temperaturas ocurre un proceso de difusión atómica entre ellas, fusionando y formando un nuevo sólido con continuidad física y química. Este fenómeno ocurre en metales, cerámicas y algunos polímeros, entre otros materiales. 32 llevará a cabo la extrusión y la rotación de la bobina de cada material será la que suministre de material al cabezal de forma continua durante el proceso de fabricación, como muestra la Figura 2-11. Sin embargo, también es común que el plástico se suministre en forma granular, que se hace llegar al cabezal mediante una tolva de alimentación para ser calentado en su interior y salir por los inyectores homogeneizado y de manera continua o en gotas discretas, según el diseño de la máquina. Figura 2-11: Esquema del proceso de extrusión de material. De nuevo, una plataforma móvil en el eje vertical proporcionará la resolución en el eje Z, y sobre ella se irá depositando el material viscoso por el cabezal capa por capa; su movimiento más común es descendente – es decir, una vez finalizada la construcción de una capa, desciende una distancia equivalente a la resolución en el eje Z y así sucesivamente hasta la finalización de la pieza. Sin embargo, el caudal de material inyectado por el cabezal y la velocidad de movimiento de éste mientras lo hace también contribuye a determinar la resolución en el eje Z. La viscosidad y propiedades de los materiales empleados en este proceso en este estado harán posible que se aglutine y se solidifique con bastante rapidez con el material que ya se había depositado, por lo que la unión entre las capas se produce de forma natural. Dicho cabezal podrá moverse libremente en el plano X-Y, y podrá ir inyectando material de manera continua o discreta según las necesidades de la capa que esté creando. La resolución en los ejes X-Y vendrá determinada por el diámetro de la salida del inyector. Considerando el material empleado, las piezas suelen resultar de una resistencia aceptable. La fortaleza de la unión de las capas permite usar estos procesos para crear piezas con buenos acabados superficiales y que requieran poco post-procesado comparado con otros procesos. Sin embargo, debido a la forma en la que se fabrica, las estructuras auxiliares de soporte suelen ser necesarias para la mayoría de las geometrías, por lo que añade una complejidad adicional no sólo al proceso de diseño sino también al paso de extracción y limpieza ya que dichas estructuras se han de desprender de la pieza sin producirle daños. Adicionalmente, es común emplear una base de polipropileno expandido para realizar el depositado de la primera capa para impedir 33 que ésta se quede adherida en la superficie de la plataforma constructora y así evitar que se dañe durante su extracción. 2.2.4.1.4. Procesos de fusión en lecho de polvo (“Powder Bed Fusion”). Materiales empleados: materiales en forma de polvo, principalmente metales y aleaciones, materiales compuestos, cerámicos, termoplásticos y elastómeros termoplásticos. Descripción genérica del proceso: (véase la Figura 2-12 y [25], [32]). El proceso que se lleva a cabo es muy similar a los procesos de impresión mediante inyección de aglutinante (apartado 2.2.4.1.2) en cuanto a que el material que se empleará para construir la pieza se encuentra en forma de polvo en una disposición idéntica a los descritos para dichos procesos, es decir, un recipiente para la construcción de la pieza y uno o más donde el material en forma de polvo se almacena y suministra al recipiente de construcción mediante el empleo de un elemento que barre la superficie de dichos recipientes para suministrar y homogeneizar el material. Sin embargo, la diferencia fundamental con el proceso de impresión mediante la inyección de aglutinante se encuentra en la forma en la que la máquina une el material en forma de polvo de forma selectiva, ya que en este proceso es realizado mediante el empleo de un láser para calentar (proveer de energía térmica) localmente la zona donde el haz es dirigido para realizar o bien la fusión o sinterización del material, enlazándolo y así creando sucesivamente las capas y la geometría de la pieza. Debido a la naturaleza del proceso, es más indicado para la fabricación de piezas metálicas (sinterizándolas o fundiéndolas) o poliméricas (mediante la sinterización) aunque también es posible emplear polvo de cerámicas que puedan ser sinterizadas. Las piezas producidas de esta forma suelen requerir de algunos procesos específicos de post-procesado para eliminar algunos de los desperfectos en su estructura interna (principalmente porosidades), que serán analizados en más profundidad en las secciones venideras ya que esta tecnología es de interés para este proyecto. Además, tal como ocurre con el proceso de impresión análogo (inyección de aglutinante), no suelen ser empleados estructuras auxiliares de soporte ya que el lecho de polvo donde se encuentra la pieza suele ser suficiente para realizar esta labor, presentando una importante ventaja, aunque existen algunas excepciones. Nuevamente aparece también el mismo inconveniente: la fabricación de una pieza empleando distintos materiales se hace poco factible empleando este proceso. 34 Figura 2-12: Esquema del proceso de fusión en lecho de polvo. De nuevo, la resolución en el eje vertical (eje Z) viene determinada por la distancia entre la capa anterior y el espesor de la capa de polvo que se encuentra sobre ella en el momento en el que dicha capa se está creando. La resolución en los ejes X-Y vendrá dada aproximadamente por el diámetro del haz de energía dirigido y focalizado mediante lentes y espejos. La Figura 2-12 muestra esquemáticamente una máquina de fusión en lecho de polvo de tres recipientes. Los pormenores de su funcionamiento que no se han mencionado en este apartado pueden ser consultados en el apartado 2.2.4.1.2 ya que son idénticos al del caso de los procesos de impresión mediante inyección de aglutinante. 2.2.4.1.5. Procesos de laminación de chapas (“Sheet Lamination Processes”). Materiales empleados: láminas de termoplásticos, papel/cartón, fibra de carbono y otros materiales compuestos o metales (chapas), principalmente. Descripción genérica del proceso: (véase la Figura 2-13 y [25]). Los procesos de laminación de chapas difieren sustancialmente de los demás procesos de fabricación aditiva presentados anteriormente en que las capas que compondrán la pieza ya han sido fabricadas anteriormente mediante otros procesos, normalmente mediante métodos de fabricación convencionales y no serán fabricados por la máquina como en los demás casos. Esto es, el material es suministrado en forma de láminas o chapas (en el caso de metales) prefabricadas que compondrán las capas de la pieza y cuyo espesor será el espesor de la capa o resolución en el eje Z de la pieza final. La máquina será la encargada de cortar de cada sección de lámina la geometría de la pieza correspondiente a esa capa y unirlas entre sí. Debido a la especial naturaleza de este proceso, no se puede hablar de resolución en los ejes XY ya que cada capa será uniforme y no será fabricada ni unida internamente (en esa capa) por la máquina. Sin embargo, se podría argumentar que el elemento que corta la lámina para definir 35 la geometría de cada capa presenta una cierta resolución en dichos ejes, aunque dependerá del elemento que realice el cortado y de su naturaleza. Existen multitud de diferentes tipos de máquinas y procesos para esta tecnología dependiendo del material que se emplee o, mejor dicho, del material del que están compuestas las láminas y de su naturaleza. Es decir, para máquinas que empleen láminas metálicas (chapas), usualmente éstas se suministran en tambores cilíndricos donde éstas se encuentran enrolladas y pueden ser conducidas a través de la máquina de manera continua hacia otro tambor donde de nuevo se enrollarán una vez que la máquina haya actuado en ellas. Puede que existan rulos o elementos que suministren calor a la lámina al pasar a su través para facilitar las operaciones de cortado o de unión entre capas que se llevará a cabo posteriormente, o puede que estos elementos simplemente tengan el objetivo de conducir la lámina a través de la máquina. Sin embargo, para otros materiales, es posible que la disposición en tambores sea imposible por su naturaleza – por lo que podrán ser suministrados en otras disposiciones, como láminas planas de unas dimensiones suficientes para ser usadas para que la geometría de cada capa se pueda delimitar en ella; posteriormente esta lámina es retirada y una nueva la reemplaza en la zona de construcción para la siguiente capa. En cuanto a las tecnologías de corte que la máquina pueda emplear, de nuevo depende del material del que estén fabricadas las láminas. Para máquinas que empleen chapas, como la mostrada en la Figura 2-13, un sistema de láser guiado por espejos y un cabezal óptico será el encargado de cortar la geometría que delimita cada capa en la chapa; a su vez, este mismo sistema se puede emplear para ciertos termoplásticos. Sin embargo, para capas formadas por papel o cartón el uso de un sistema de cuchilla es suficiente para cortar el material y definir la geometría de la capa en cuestión. Figura 2-13: Esquema del proceso de laminación. Para las uniones entre las capas que se han cortado de las láminas, también depende del material. Capas metálicas pueden ser unidas mediante sistemas mecánicos tradicionales como remaches o tornillos y tuercas, mientras que materiales compuestos como la fibra de carbono y 36 termoplásticos se pueden enlazar aplicándoles calor. Para los demás plásticos y materiales como el papel o cartón se suelen emplear adhesivos para unir las capas de la pieza. Debido a la naturaleza en que se crean las capas, esta tecnología necesita de la fabricación adicional de estructuras de soporte, que normalmente serán fabricadas a la vez que la pieza y del mismo material, aunque no unida a la geometría de la pieza, es decir, suelen estar adyacentes a la pieza pero no unidas a ella. Su inclusión añade un grado de complejidad adicional en el diseño de la pieza, como es de esperar. Un aspecto importante a tener en cuenta con esta tecnología que no presentan las demás es debido a su naturaleza: se suele generar un cierto volumen de material desperdiciado. Debido a esto, es común que se intente maximizar el área de cada lámina que se emplea para fabricar las capas, por lo que no es raro encontrarse con la fabricación simultánea de varias piezas. 2.2.4.1.6. Procesos de depositado mediante energía dirigida (“Directed Energy Deposition”). Materiales empleados: materiales en polvo o compactados, principalmente metales y aleaciones. Descripción genérica del proceso: (véase la Figura 2-14 y [25], [33]). Este grupo de procesos es similar a los procesos de impresión con inyección de material (apartado 2.2.4.1.2), aunque con algunas diferencias. En lugar de emplear un cabezal que contiene el material o materiales del que será fabricada la pieza, esta tecnología se basa en suministrar el material en forma de polvo a través de un sistema de alimentación hacia un haz o rayo de energía dirigida, usualmente un láser, rayo de electrones o gas ionizado a alta temperatura, a través de unos inyectores. Las corrientes de material en polvo se inyectan directamente al haz de energía o gas ionizado, fundiendo el material cuando entra en contacto con él y depositándolo sobre la bandeja de la máquina o sobre la última capa depositada. El haz térmico también funde localmente las últimas capas depositadas por lo que el enlace químico metálico entre ellas se produce al solidificar éstas de nuevo, algo que ocurre de manera rápida ya que el interior de la máquina se encuentra en una atmósfera protectora idónea para el proceso y así mismo para evitar contaminaciones. Obviamente, la bandeja del sistema estará diseñada para que no pueda ser fundida por el haz de energía mientras deposita la primera capa, bien por su material o por su disposición. Tal como la tecnología de impresión mediante inyección de material, ésta posee la clara ventaja de que el material que se le suministra mediante el sistema de alimentación puede ser cambiado rápidamente según las necesidades de la pieza. Así mismo, también permite la combinación de diversas fuentes de material durante la fabricación de una pieza, por lo que se puede emplear para crear piezas que presentan gradiente de materiales de manera volumétrica o incluso se pueden combinar varios materiales a la vez para crear otro y depositarlo. 37 Figura 2-14: Esquema del proceso de depositado mediante energía dirigida. En cuanto a las resoluciones y funcionamiento de estas máquinas, hay una gran variación de un fabricante a otro. Sin embargo, se puede afirmar que esta tecnología ofrece actualmente una de las mejores resoluciones en cualquier eje, pudiéndose llegar a fabricar piezas con geometrías complejas y detalles definidos en la escala de las décimas de milímetro. Algunas máquinas presentan el movimiento en los ejes X-Y del cabezal y una plataforma constructora desplazable en el eje vertical (eje Z) mientras que otras presentan un cabezal fijo y la plataforma constructora es la que se encarga de realizar los movimientos en todos los ejes, como la mostrada en la Figura 2-14. Por su naturaleza y según el tamaño y complejidad geométrica de la pieza que se vaya a construir, es posible que sea necesario la construcción paralela de estructuras de soporte, que podrán ser del mismo material o de un material diferente que la pieza. Así mismo, por la naturaleza del proceso de fabricación de estas tecnologías, se puede afirmar que, en cuanto a metales, las propiedades mecánicas y materiales de las piezas fabricadas mediante esta tecnología presentan prestaciones altas, requiriéndose poco post-procesado para alcanzar los estándares necesarios para, por ejemplo, el sector aeroespacial. 2.2.4.2. Clasificación según D.T. Pham. Es importante recalcar de nuevo que la clasificación de las tecnologías de fabricación aditiva presentadas en el apartado anterior es la más aceptada y la que se empleará en este Proyecto para referirse a los distintos procesos y tecnologías dentro de la fabricación aditiva. Sin embargo, como se estipuló, no es la única clasificación que existe. De entre todas ellas, se ha estimado presentar la clasificación que originalmente fue propuesta por D.T. Pham en su publicación [22]. Su interés aquí radica en que es una de las pocas clasificaciones sobre las tecnologías de fabricación aditiva que emplea múltiples criterios para intentar clasificarlas, por lo que puede ayudar a dar otra perspectiva sobre éstas además de la que se ha presentado en el apartado anterior, sobre todo para realzar el carácter no-definitivo de la clasificación que se ha empleado. 38 Antes de presentar dicha clasificación, sin embargo, se hace necesario definir o esclarecer algunos términos o conceptos que Pham emplea en su clasificación. Uno de los términos que emplea es el concepto de canales. Con esto simplemente se refiere a la cantidad y disposición de los elementos que proporcionan la resolución en los ejes X-Y, normalmente entendiéndose como tales los inyectores de material presente en los cabezales aunque no siempre es el caso (véase el apartado anterior). Otro concepto que emplea es el de las dimensiones de dichos canales. Un canal unidimensional se refiere a que cada canal sólo puede inyectar o depositar de forma puntual, y el movimiento del canal en uno o dos ejes será el encargado de la fabricación progresiva unidimensional de la capa – es decir, el movimiento según un eje de un canal produce una geometría unidimensional en la capa5. Éste es el caso de la mayoría de las tecnologías expuestas anteriormente y actuales, aunque hay algunas excepciones. Dichas excepciones se encuentra en la disposición de un canal bidimensional, que será capaz de formar la geometría de cada capa de una sola vez. Con todo esto, Pham emplea el estado o naturaleza del material que la máquina emplea en el momento de la construcción y la disposición de los canales de la máquina para realizar la clasificación de las tecnologías de fabricación aditiva, que se presenta en la Tabla 2-1 (página 40). Mediante esta clasificación, se puede apreciar que se pueden distinguir más grupos tecnológicos que los presentados según la clasificación del apartado anterior, llegándose a dar el caso del mismo proceso ocupando varias casillas, mostrando así algunas de las limitaciones de la clasificación anterior que a veces es acusada de ser demasiado generalista. Sin embargo, para ello, se ha tenido que emplear nombres propios de tecnologías que, en su mayor parte, se encuentran patentadas por las empresas desarrolladoras y pertenecen a alguna línea de máquinas de fabricación aditiva que comercializan. No se pretende dar a conocer todas las tecnologías que existen actualmente en el mercado, especialmente en este capítulo teórico, por lo que se recomienda al lector tomar las tecnologías nombradas como una selección de las más representativas. Para ayudar en la comprensión, se ha subtitulado cada tecnología o grupo de tecnologías según su proceso como se estudió en el apartado anterior. Incluso en los capítulos pertinentes de este Proyecto, sólo se hará uso de una selección relevante de las tecnologías existentes actualmente, ya que queda fuera del alcance de los objetivos nombrar todas – tarea infructuosa debido a la naturaleza volátil de estas tecnologías, a veces ligadas al éxito de ciertas empresas, e igualmente inasumible por la vasta cantidad de denominaciones existentes con cada nueva máquina comercializada añadiendo más a la lista. Las casillas marcadas con una “X” representan huecos tecnológicos que actualmente ninguna máquina ha podido rellenar. Esto no quiere decir que no se estén desarrollando sistemas que en un futuro cubran dichos huecos, simplemente que actualmente no se encuentran comercializados. Así mismo, es posible que las columnas se expandan en un futuro para esta clasificación ya que podrían desarrollarse nuevos sistemas de “canales” en las dimensiones 5 Obviamente, cuando se habla de canales de una dimensión o elementos puntuales esto es una aproximación de la realidad, simplemente se refiere a que una dimensión tiene una dimensión mucho mayor que otra en el caso 1D mientras que para el caso puntual se refiere a un elemento de tamaño reducido sin apenas dimensiones de geometría aproximadamente circular. 39 existentes o en 3D, como con la incipiente aunque todavía lejana técnica de emplear la holografía tridimensional para proyectar y fabricar una pieza de una sola pasada, como se indica en [34]. Canal 1D Polímero líquido Partículas discretas Estereolitografía (Proc. de fotopolimerización) Sinterizado selectivo por láser (“SLS”), “Direct Metal Laser Sintering” (“DMLS”), “Phenix”, … ; “LENS”, … (Proc. de fusión en lecho de polvo; proc. de depositado med. energía dirigida) Material fundido “Fused Deposition Modelling” (“FDM”); “Smooth Curvature Printing” (“SCP”) 2 canales 1D Estereolitografía de doble haz (Proc. de fotopolimerización) Micro Laser Sintering” (“MLS”) (Proc. de fusión en lecho de polvo) Tecnología “PolyJet” (Proc. de fotopolimerización y de impresión con inyecc. de material) Impresión 3D (Proc. de impresión con inyecc. de material) Canal 2D Tecnología “Rapid Micro Product Development” (“RMPD”) y “Digital Light Processing” (“DLP”) (Proc. de fotopolimerización) “Direct Photo Shaping” (“DPS”) (Proc. de fotopolimerización) “Thermojet” X (Proc. de extrusión; proc. de imp. con inyecc. de material) Láminas sólidas Batería de canales 1D (Proc. de extrusión) X “Paper Lamination Technology” (“PLT”), “Solido 3D” X X X (Proc. de laminación de chapas) Tabla 2-1: Clasificación de las tecnologías de AM según D.T. Pham, de acuerdo a dos criterios diferentes. 40 2.3. Tecnologías de AM de especial interés. 2.3.1. Definición y determinación de las tecnologías de “especial interés”. Tras haber presentado en los apartados anteriores una visión global genérica de la tecnología de la fabricación aditiva, detallando la terminología, procesos genéricos de la fabricación así como la clasificación de interés para ésta, se ha estimado oportuno indagar en aquellas tecnologías que pudieran ser relevantes para el sector aeronáutico y espacial, es decir, aquellas tecnologías que, a priori, pudieran satisfacer los objetivos de este Proyecto. Para concretar, a efectos de este Proyecto, por “interés para el sector aeronáutico y espacial” se entienden los siguientes factores técnicos: Tecnologías que puedan emplearse para fabricar piezas o componentes de alta calidad que satisfagan las estrictas exigencias del sector aeronáutico y espacial, tanto las destinadas para ensayos como las que formarán parte del producto final. Tecnologías que empleen materiales característicos del sector. Dichos materiales son principalmente aleaciones de metales (acero y aleaciones de titanio, aluminio, níquel, magnesio y berilio) y materiales compuestos; en menor medida también son de interés polímeros y cerámicas. Tecnologías que sean capaces de satisfacer altos grados de complejidad geométrica para un material o materiales dados. Tecnologías que permitan aplicaciones noveles además de la fabricación de una pieza nueva, tales como la reparación de piezas dañadas o que han estado en servicio, dando el resultado de una pieza completamente restaurada; o el empleo materiales avanzados como las superaleaciones o materiales con gradiente volumétrico en su composición y estructura (“Functionally Graded Materials” o “FGM”), entre otras. Obviamente, existirán otras exigencias añadidas a éstas que serán de especial relevancia, en especial los referentes a consideraciones como el coste de los procesos y al tiempo, que a su vez dependerán de otros factores propios del diseño de la máquina y de otros factores externos económicos. Sin embargo, el análisis de estos factores de igual –o a veces, de mayor– importancia que los técnicos se dejará para los capítulos de análisis posteriores, considerándose aquí sólo los factores técnicos para hacer esta distinción de “tecnologías de interés” a priori. Con los factores técnicos mencionados anteriormente, cabe analizar a continuación cuáles de las tecnologías que se han presentado en la sección anterior caen bajo estas exigencias. A tal efecto, se presenta la Figura 2-15 (página 43). 41 En dicha figura, se han representado cada una de las siete tecnologías de fabricación aditiva según la clasificación adoptada según los procesos en cada línea horizontal. Para cada grupo de tecnologías, se le han asignado los cuatro criterios de exigencias técnicas que se han establecido anteriormente en forma de cuadros. Para cada uno, se ha usado un esquema de tres colores que representan el grado de conformidad de dicho aspecto con las exigencias técnicas, de tal manera que el rojo indica que cubre un aspecto de manera deficiente o inadmisible, el amarillo que lo cubre de manera suficiente aunque no de manera completamente aceptable (por lo que habrá que estudiarlo con más detenimiento) mientras que el verde indica que dicho aspecto se cubre de manera plenamente satisfactoria. Finalmente, se le asigna un color a cada tecnología según los colores de cada exigencia asignada a ella con las siguientes consideraciones: si hay dos o más criterios rojos sin importar de qué color sean los demás, esa tecnología es inadmisible (roja); si hay al menos un criterio amarillo, dicha tecnología se debe considerar aunque de manera limitada (amarilla) – siempre y cuando no haya dos o más criterios rojos; si todos los criterios son verdes, dicha tecnología es completamente admisible (verde). 42 Procesos Exigencias de alta calidad de Exigencias de materiales Geometría compleja Aplicación novel fotopolimerización Procesos de Exigencias de alta calidad impresión, Exigencias de materiales Geometría compleja Aplicación novel iny. de material Procesos de impresión, Exigencias de alta calidad Exigencias de materiales Geometría compleja Aplicación novel Exigencias de alta calidad Exigencias de materiales Geometría compleja Aplicación novel Exigencias de alta calidad Exigencias de materiales Geometría compleja Aplicación novel iny. de aglut. Procesos de extrusión Procesos de fusión en lecho de polvo Procesos de laminado Exigencias de alta calidad Exigencias de materiales Geometría compleja Aplicación novel de chapas Procesos de depositado Exigencias de alta calidad Exigencias de materiales Geometría compleja Aplicación novel med. energía dirigida Figura 2-15: Esquema o tabla ilustrativa de la selección de las tecnologías de fabricación aditivas de interés según parámetros técnicos. 43 El razonamiento seguido para determinar el “color” de cada factor, es decir, su grado de satisfacción respecto a los cuatro criterios de la tecnología en cuestión, se ha tomado con el conocimiento provisto en el apartado 2.2.4.1 donde se explicaron los procesos tecnológicos de una manera introductoria y se ha razonado de la siguiente manera: Procesos de fotopolimerización: o o o o Exigencias de alta calidad: la naturaleza de la resina (sus propiedades mecánicas, propiedades materiales, etc.) no satisface en absoluto las altas exigencias que el sector demanda, por lo que no cubre este aspecto. Existe deterioro progresivo del material al exponerse a fuentes naturales o artificiales de luz. Exigencias de materiales: ya que sólo se pueden emplear resinas fotopolimerizables como material, no satisface en absoluto la necesidad de ofrecer el rango de materiales aeroespaciales necesarios. Geometría compleja: en cuanto a complejidad geométrica alcanzable por la pieza, se ha resuelto que aunque este aspecto es una baza a favor de todas las tecnologías de fabricación aditiva y, por lo tanto, bastante alta en todas ellas, relativamente es un tanto inferior comparado con las demás, simplemente por la naturaleza del proceso y el material empleado. Aplicación novel: en cuanto a las aplicaciones noveles, ya que presenta la oferta de sólo un tipo de material que no se puede considerar aeroespacial, se ha considerado que no lo cumple, aunque también por carecer de operaciones de reparación de piezas u otros aspectos noveles. Procesos de impresión con inyección de material: o o o o Exigencias de alta calidad: debido a la naturaleza del proceso y especialmente por la manera en la que se unen y forman las capas, es posible que dependiendo del material empleado no sean del todo apta para las altas exigencias del sector. Sin embargo, muestra potencial con algunos materiales, como los termoplásticos, por lo que cabe al menos indagar algo más para determinar su validez. Exigencias de materiales: se considera que dicha tecnología presenta un rango respetable de materiales que se podrían considerar aeroespaciales, aunque la oferta actual es bastante limitada en cuanto a metales u otros de interés. Por lo tanto, este criterio requerirá más estudio. Geometría compleja: esta tecnología es capaz de alcanzar resoluciones altas aunque no destacan comparado con las demás tecnologías. Aunque se pueden generar diseños con complejidades geométricas altas, este aspecto requerirá de un estudio más detallado. Aplicación novel: la posibilidad de emplear varios materiales a la vez, creando así materiales con gradiente volumétrico, se considera una baza importante a favor de esta tecnología. La posibilidad de la reparación de piezas ya fabricadas también es posible, aunque menos común y menos eficiente que en otras. Se deberá estudiar. 44 Procesos de impresión con inyección de aglutinante: o o o o Exigencias de alta calidad: dado que la unión del material en polvo se realiza mediante el uso de adhesivos, incluso en polvos metálicos, no se puede hablar de piezas que puedan cumplir las altas exigencias del sector, incluso después de haber recibido un fuerte post-procesado. Por lo tanto, esta tecnología no cumple en absoluto con las exigencias del sector, aunque hay unos pocos casos puntuales donde podría ser aceptable. Exigencias de materiales: una baza a favor de esta tecnología es el amplio abanico de materiales disponibles para la fabricación, muchos de los cuales podrían considerarse como aeroespaciales. Sin embargo, este amplio abanico queda reducido con respecto a otras tecnologías debido al empleo de aglutinante, ya que no todos los materiales de interés pueden quedar unidos satisfactoriamente por ellos. Geometría compleja: debido a la naturaleza del aglutinante y el carácter impreciso del depositado de éste, sobre todo al definir los contornos de la pieza, esto hace que el grado de complejidad geométrica alcanzado por esta tecnología sobre todo a escalas más pequeñas o a mayores resoluciones, esté en desventaja respecto a las demás. Aplicación novel: una aplicación novel que esta tecnología puede presentar es la reparación de piezas dañadas mediante la reconstrucción, por lo que cumple este aspecto, aunque habrá que estudiar si dichas aplicaciones se llevan a cabo. Procesos de extrusión: o o o o Exigencias de alta calidad: Esta tecnología presenta la desventaja de que tiene un rango de aplicación tan amplio que existen máquinas de características muy pobres a máquinas profesionales industriales que ofrecen la fabricación de piezas de muy buena calidad. Por ende, se determina que dicho aspecto requiere de un estudio más profundo para determinar su validez. Exigencias de materiales: el rango de materiales que las tecnologías de extrusión ofrecen actualmente, centrado principalmente en materiales con viscosidad o termoplásticos, si se junta con máquinas de buena calidad, podrían ser útiles para la fabricación de las piezas de dichos materiales en el sector. Sin embargo, esto requerirá de un estudio más profundo. Geometría compleja: considerando las demás tecnologías de fabricación aditiva, la complejidad geométrica alcanzable con esta tecnología aunque alta, no se considera del mismo nivel que el de otras. Por esta razón, este factor es admisible pero no completamente satisfactorio – aunque habrá que estudiarlo. Aplicación novel: aunque no presenta muchas ventajas para el sector aeroespacial, es posible la reparación o reconstrucción de piezas, aunque esto queda limitado al tipo de material de la pieza original vs. el material empleado por la máquina, aunque habrá que ver si estas aplicaciones se llevan a cabo. 45 Procesos de fusión en lecho de polvo: o o o o Exigencias de alta calidad: según qué materiales se empleen, debido a la manera en que las capas se crean y se unen, estos procesos suelen presentar piezas con propiedades mecánicas y materiales bastante elevados, especialmente tras realizar algunas operaciones de post-procesado. Por esta razón, se considera que entre todas las tecnologías presentadas, ésta es una de las más aceptables para cumplir las altas exigencias del sector aeroespacial. Exigencias de materiales: el empleo de materiales en polvo o compactados, especialmente de metales y aleaciones, cerámicas y materiales compuestos cubren de manera satisfactoria un amplio rango de materiales considerados aeroespaciales, por lo que esta tecnología es muy aceptable según este criterio. Geometría compleja: de nuevo, debido al uso de tecnologías como láseres para realizar la unión de las capas y crear la geometría, y debido a la precisión que las operaciones de sinterización o fundido local pueden llegar a presentar, la complejidad geométrica de la pieza alcanzable con estas tecnologías es bastante amplio, quedando este factor satisfecho. Aplicación novel: no se permite el empleo de varios materiales en su construcción debido a la naturaleza del proceso, ni tampoco es posible emprender aplicaciones como la reconstrucción o reparación de piezas dañadas. Sin embargo, la amplia variedad de materiales disponibles corren a favor de esta tecnología, no sólo metálicos, sino materiales compuestos y noveles. Procesos de laminado de chapas: o o o o Exigencias de alta calidad: en esencia, dado que las láminas que conformarán las capas de la pieza ya han sido fabricadas mediante otros procesos, dependiendo de éstos la calidad de la pieza final será de una manera u otra. Es posible que, particularmente en metales, las exigencias no sean del todo altas debido a que las capas se suelen unir de forma mecánica y no químicamente, aunque con el empleo de otros materiales, como la fibra de carbono, la unión suele ser buena. Por esta razón, este factor requerirá más estudio para determinar si es una baza a favor o en contra de esta tecnología. Exigencias de materiales: el empleo de cualquier lámina de metal y materiales compuestos permite la decantación hacia la aceptabilidad de esta tecnología, al menos según este criterio. Geometría compleja: aunque posiblemente alta, no es comparable a la alcanzable por otras tecnologías, por lo que no se ha considerado un punto fuerte de esta tecnología, aunque puede llegar a ser satisfactorio para ciertas aplicaciones. Aplicación novel: la posibilidad de crear piezas con capas de diferentes materiales puede llegar a ser una baza a favor, aunque actualmente no hay una manera satisfactoria para una unión aceptable empleando esta tecnología con algunos materiales, aunque se indagará en esto en su estudio posterior. 46 Procesos de depositado mediante energía dirigida: o o o o Exigencias de alta calidad: el proceso permite crear piezas de materiales de interés para el sector aeroespacial con altos grados de prestaciones que cumplirían de manera completamente satisfactoria las altas exigencias del sector. Exigencias de materiales: ya que se emplean principalmente metales en forma de polvo o compactados, y la mayoría de ellos pertenecen a aleaciones de especial interés para el sector aeroespacial que otras tecnologías no presentan (aleaciones de titanio y níquel), se puede afirmar que este criterio lo cumple de manera muy satisfactoria aunque no se pueda emplear para otros materiales como las cerámicas o materiales compuestos. Geometría compleja: relativamente, esta tecnología, debido a su naturaleza y altas resoluciones permite fabricar piezas de altos grados de complejidad geométricos, en especial cuando se compara con las demás tecnologías de fabricación aditiva. Por ende, cumple este criterio con creces. Aplicación novel: por poder emplear varios materiales mientras se fabrica y poder emplearse dicha tecnología para la reparación y reconstrucción de piezas ya fabricadas, se puede decir que de entre todas las tecnologías, ésta es la que mejor cumple este criterio. Por lo tanto, con todo esto y a vistas de la Figura 2-15, se ha podido observar que hay dos tecnologías que cumplen de manera plenamente admisible los criterios técnicos establecidos: los procesos de fusión en lecho de polvo los procesos de depositado mediante energía dirigida A su vez, queda establecido que hay un grupo de tecnologías que merecen consideración aunque actualmente no cubran con total satisfacción todos los criterios establecidos: los procesos de impresión con inyección de material los procesos de impresión con inyección de aglutinante los procesos de extrusión los procesos de laminado de chapas Así mismo, la tecnología que no se ha considerado apta, al menos según los criterios técnicos establecidos, para ser de aplicación en el sector aeronáutico y espacial a priori: los procesos de fotopolimerización Con todo ello, cabe desarrollar en profundidad especialmente el primer grupo de tecnologías en esta sección. El segundo y último grupo de dos tecnologías restantes se cubrirá en la sección siguiente con menor detalle, debido a su menor importancia para los objetivos de este Proyecto, aunque se llevará a cabo un estudio suficiente para determinar su utilidad en los casos que así lo requieran. Así mismo, es importante recalcar que esta separación de tecnologías no es definitiva, pues a lo largo del Proyecto conforme se amplíe en conocimiento algunas podrían presentar ventajas desconocidas a priori al nivel de este capítulo. 47 2.3.2. Procesos de fusión en lecho de polvo (“PBF”). Partiendo de la explicación general que se mostró en el apartado 2.2.4.1.4, en este apartado se pretende expandir sobre ella y presentar los subgrupos tecnológicos que existen dentro de estas tecnologías. Dichos subgrupos han surgido y siguen surgiendo conforme cada fabricante introduce una nueva máquina en el mercado que realiza los procesos de fusión en lecho de polvo de una forma diferente o empleando nuevas técnicas, por lo que las presentadas dentro de este apartado deben considerarse como una selección de las más relevantes o conocidas actualmente. Es de esperar que en años venideros surjan técnicas nuevas de igual o mayor importancia que las que se presentan aquí. Así mismo, es de vital importancia recordar que el objetivo de este capítulo y de este Proyecto no es indagar en estas tecnologías con una profundidad técnica a nivel de diseño, es decir, a nivel de modelos teóricos o de cálculos de potencia, materiales o de cualquier otro aspecto, sino de describir la tecnología y entender el funcionamiento de los procesos con la profundidad necesaria para poder entender sus capacidades y limitaciones. Todo esto, obviamente, con la intención de determinar si su uso en el sector aeroespacial actual y futuro es admisible. No obstante, si se desea indagar en esta tecnología de una manera mucho más profunda y exhaustiva que la requerida en este Proyecto, por favor consulte [35]. 2.3.2.1. Sinterizado selectivo por láser (“Selective Laser Sintering”). Dentro de los procesos de fusión en lecho de polvo, la designación de sinterizado selectivo por láser (“SLS”)6 se suele reservar para máquinas que emplean materiales no-metálicos, aunque es posible que se usen polvos metálicos bajo esta designación (se aclarará en el siguiente apartado). Este proceso emplea láseres de CO2 de entre 50 y 200 W para sinterizar selectivamente la geometría de cada capa de la pieza sobre un lecho del material de trabajo en forma de polvo mediante el proceso genérico que se describió en el apartado 2.2.4.1.4, en una atmósfera protectora en el interior de la máquina para evitar contaminaciones. Los materiales que se emplean principalmente para esta tecnología y que presentan unas prestaciones lo suficientemente altas para usos aeroespaciales son los siguientes: Las poliamidas Nylon-11 y Nylon-12 [36]; Nailon específicos derivados del Nylon-11 y 12 ( [37], [38] y [39]): o o o o Duraform PA (derivado del Nylon-12) Duraform GF (derivado del Nylon-12 con relleno de vidrio) Duraform EX Natural (derivado del Nylon-11) Duraform EX Black (derivado del Nylon-11 de color natural negro) 6 Este término se ha convertido en genérico y una gran variedad de empresas diferentes lo emplean para nombrar la tecnología que sus máquinas usan, es decir, no es un nombre exclusivo sujeto a una empresa. 48 o o o o o o o Duraform FR 100 (derivado del Nylon-11 con propiedades anti-incendios) NYTEK 1200 PA (Nylon-12 con una alta resistencia química) NYTEK 1200 GF (Nylon-12 con relleno de vidrio y reforzado adicional) NYTEK 1200 CF (Nylon-12 con relleno de carbono resistente a altas temperaturas) NYTEK 1200 FR (Nylon-12 con propiedades anti-incendios adicionales) NYTEK 1100 (Nylon-11 con aplicaciones aeroespaciales) FR-106 (Nylon-11 con propiedades anti-incendios y alta resistencia mecánica) Materiales compuestos [38]: o o o Windform XT (fibra de carbono) ALM PA 642GSL (fibra de carbono y poliamida con relleno de vidrio) ePAC (compuesto de poliamidas) Como muestra [38] y [39], la gran mayoría de estos materiales tienen aplicaciones en el sector aeronáutico, y en dichas fuentes se pueden consultar más detalles sobre estos materiales a través de sus respectivos “datasheets”. Es importante recalcar que, para el “SLS”, una de las principales ventajas que presenta sobre las demás tecnologías de fabricación aditiva es que el lecho de polvo actúa como soporte de la pieza que se está fabricando, por lo que el diseño adicional de estructuras de soporte es innecesario, aligerando la carga de diseño y el esfuerzo de la extracción de la pieza sustancialmente. De especial interés para el sector aeroespacial, las piezas creadas mediante estos materiales pueden encontrar uso en aplicaciones como la construcción de tanques de combustible y otros componentes para los UAV [36], además de cualquier componente aeronáutico cuya aplicación permita el uso de cualquiera de los materiales que emplea esta tecnología, en especial en aplicaciones que requieran materiales ligeros, de alta resistencia y químicamente resistentes, en especial si poseen geometrías complejas. Según [37], se pueden alcanzar espesores de capa (resoluciones en el eje Z) con esta tecnología actualmente de 0,102 mm, y tolerancias del orden de +/- 0,5% o +/- 0,127 mm por mm. Así mismo, el tamaño de las piezas suele ser igual o menor que 70 x 48 x 48 cm3, aunque es posible fabricar piezas de tamaños mayores pero con máquinas más especializadas. El acabado superficial de las piezas fabricadas suele ser un tanto granulado y más basto que las conseguidas por otras tecnologías de fabricación aditiva debido a la sinterización que se realiza sobre las partículas en forma de polvo del material. Sin embargo, a menor tamaño de dichas partículas, más fino será el acabado superficial de la pieza final. La Figura 2-16 muestra un esquema de una máquina que emplea la tecnología “SLS”. La Figura 2-17 muestra ejemplos de piezas fabricadas empleando esta tecnología. 49 Figura 2-16: Diagrama de una máquina que emplea la tecnología de sinterizado selectivo por láser (“SLS”). Figura 2-17: Ejemplos de piezas fabricadas mediante la tecnología “SLS”. Para la extracción y limpieza de la pieza, como ocurrirá en la mayoría de las tecnologías pertenecientes a este grupo, ésta se ha de retirar del lecho de polvo que se depositó mientras se fabricaba la pieza. Existen utillajes específicos para extraer el bloque de polvo que contiene la pieza fabricada en su interior para ser transportada a otros puestos y estaciones donde un operario, debidamente equipado con elementos protectores de seguridad para nariz y boca, procederá a la retirada manual con la ayuda de elementos como espátulas o cepillos de la pieza entre el polvo, que suele estar en un estado compactado por el pequeño tamaño de sus partículas y el peso de las de las propias capas depositadas. Así mismo, se suelen emplear 50 chorros de aire comprimido para retirar el polvo de la superficie de la pieza una vez que ésta se ha extraído mediante métodos manuales. La Figura 2-18 muestra varias piezas que aún están por extraer de un lecho de polvo mientras que la Figura 2-19 muestra a operarios realizando labores de extracción y limpieza sobre una pieza. Figura 2-18: Piezas fabricadas mediante “SLS” en el lecho de polvo antes de ser extraídas y limpiadas. Figura 2-19: Operarios realizando tareas de extracción y limpieza de piezas fabricadas por “SLS”. Vídeos ilustrativos sobre este proceso en concreto se encuentran en [40] y [41], se ruega su visualización para afianzar y mejor comprender su funcionamiento. 2.3.2.2. Sinterizado directo de metal por láser (“Direct Metal Laser Sintering”). Esta designación (“DMLS”) se emplea actualmente para hacer referencia al proceso que emplean exclusivamente las máquinas de la empresa “EOS” [42], aunque es usual usar el término más genérico de “SLS” del apartado anterior para referirse también a esta tecnología. La principal diferencia de ésta con respecto a la anterior es que se emplea exclusivamente para metales, cambiando ligeramente algunos parámetros de la máquina y del proceso. 51 De nuevo, el proceso genérico y funcionamiento de esta tecnología es el presentado en el apartado 2.2.4.1.4, donde la creación de cada capa se realiza mediante la sinterización del metal en forma de polvo mediante un láser de CO2 de 100 W a 400 W dependiendo de la máquina. El proceso de construcción se lleva a cabo dentro de una cámara con atmósfera inerte y protectora controlada, usualmente compuesta principalmente de argón o nitrógeno para evitar reacciones químicas que contaminen al metal durante los procesos de sinterización a altas temperaturas. A tal efecto, la temperatura de la cámara, y por ende, del lecho de polvo, se eleva a temperaturas altas para facilitar la sinterización, que será completada mediante el empleo del láser. De nuevo, el lecho de polvo no sinterizado que queda alrededor de la pieza sirve como material de soporte durante su construcción, por lo que elementos auxiliares son innecesarios, presentando una importante ventaja respecto a otros procesos de fabricación aditiva. La Figura 2-20 muestra el interior de una máquina de “DMLS”, mientras que la Figura 2-21 muestra el interior de una máquina mientras el láser está actuando sobre el polvo metálico para sinterizar y forma una capa de varias piezas. Figura 2-20: Cámara interior de una máquina de “DMLS” fabricada por EOS. Una vez que se ha completado la construcción de la pieza, la cámara se deja enfriar de manera natural. Según [43], debido a las altas temperaturas bajo las cuales se lleva a cabo la sinterización, bastante homogeneizadas a través de la pieza, se producen niveles muy bajos de tensiones residuales o distorsiones a nivel de estructura interna del material, por lo que no suele ser necesario ningún tratamiento térmico durante el post-procesado para eliminarlas. Sin embargo, dependiendo de la velocidad de enfriamiento, la pieza puede quedar sometida a tensiones térmicas o deformaciones al enfriarse, por lo que se ha de tener un especial cuidado con este aspecto. En adición, [43] muestra una de las grandes diferencias respecto al “SLS” de esta tecnología, y es que los metales en polvo que se emplean como material suelen ser de partículas mucho más finas que las empleadas en el “SLS” común, llegando a emplearse polvos con tamaños de partículas en torno a los 20 µm para el “DMLS” frente a los 120 µm del “SLS”. Esto garantiza unas 52 mejores propiedades mecánicas y de acabado superficial, dado que la homogeneidad de la pieza será mucho mayor. Figura 2-21: Actuación del láser sobre una capa de polvo metálico, sinterizándola en el interior de una máquina de “DMLS”. Actualmente, los materiales empleados por la tecnología “DMLS” son los presentados a continuación. Para una sinterización correcta se suelen emplear polvos de aleaciones multicomponentes, aunque cualquier aleación metálica puede ser empleada teóricamente una vez que haya sido desarrollada y validada. La empresa “EOS” muestra un listado actual de las aleaciones que emplea para esta tecnología, proporcionadas en forma de polvo especialmente diseñado para uso en sus máquinas de “DMLS” [44]. Al lado de cada material listado a continuación se proporciona una referencia, si existe, al “datasheet” de dicho material, donde se pueden encontrar parámetros como tolerancias, acabados superficiales, velocidades de depositado, parámetros mecánicos y térmicos, etc. además de información más detallada sobre sus aplicaciones más comunes. Aleaciones de aluminio (aplicaciones aeroespaciales en interiores): o o Superaleaciones de cobalto-cromo (aplicaciones en el sector biomédico): o o EOS Aluminium AlSi10Mg [45] EOS Aluminium AlSi10Mg/200˚C EOS Cobalt Chrome MP1 – CoCrMo [46] EOS Cobalt Chrome SP2 – CoCrMo [47] Aceros y aceros inoxidables (aplicaciones aeronáuticas y espaciales): 53 o o o o Aleaciones de níquel (aplicaciones aeronáuticas de altas prestaciones y temperaturas): o o o EOS MaragingSteel MS1 [48] EOS StainlessSteel GP1 [49] EOS StainlessSteel PH1 [50] EOS StainlessSteel 316L [51] EOS NickelAlloy HX [52] EOS NickelAlloy IN625 [53] EOS NickelAlloy IN718 [54] Aleaciones de titanio (aplicaciones aeroespaciales de bajo peso y alta resistencia): o o EOS Titanium Ti64 – Ti6Al4V [55] EOS Titanium Ti64ELI – ASTM F136 [56] Adicionalmente, la Tabla 2-2 de la página siguiente muestra una selección de parámetros relevantes obtenidos de los “datasheet” de cada uno de los materiales anteriores. En ella, casillas marcadas con la designación “s/i” indican “sin información”, es decir, que no se proporciona información relevante sobre esos parámetros en los “datasheet” disponibles. Adicionalmente, la ASTM está introduciendo nuevos estándares para algunas aleaciones de interés, recogidos en [57]. Entre ellos, los destacables para esta tecnología son: Aleación de titanio Ti6Al4V mediante procesos de fusión en lecho de polvo (estándar F2924-14) Aleación de titanio Ti6Al4V ELI (“Extra Low Interstitial”) mediante procesos de fusión en lecho de polvo (estándar F3001-14) Aleación de níquel UNS N07718 mediante procesos de fusión en lecho de polvo (estándar F3049-14) Aleación de níquel UNS N06625 mediante procesos de fusión en lecho de polvo (estándar F3056-14) Aleación de cobalto-cromo Co28Cr6Mo mediante procesos de fusión en lecho de polvo (estándar WK33833) 54 Material (Aleación) Aluminio Super-aleaciones de cobalto-cromo Aceros y aceros inoxidables Níquel Nombre comercial y composición Espesores de capa / espesor mínimo de paredes Velocidad de construcción volumétrica Parámetros de acabado superficial tras limpieza / densidad (ρ) EOS Aluminium AlSi10Mg ± 100 µm / 0,3 – 0,4 mm 7,40 mm3/s (26,60 cm3/h) Ra = 6 – 10 µm Rz = 30 – 40 µm ρ = 2,67 g/cm3 Dir. X-Y EOS Aluminium AlSi10Mg/200˚C s/i s/i s/i s/i EOS CobaltChrome MP1 CoCrMo ± 20 – 50 µm / 0,3 mm 3,63 mm3/s (13,07 cm3/h) Ra = 4 – 10 µm Rz = 35 – 50 µm ρ = 8,3 g/cm3 Dir. X-Y EOS CobaltChrome SP2 CoCrMo s/i s/i s/i ρ = 8,5 g/cm3 EOS MaragingSteel MS1 ± 20 µm / 0,3 – 0,4 mm 3,58 mm3/s (12,89 cm3/h) Ra = 4 µm Rz = 20 µm ρ = 8,0 g/cm3 EOS StainlessSteel GP1 ± 20 – 50 µm / 0,3 – 0,4 mm 3 mm3/s (10,8 cm3/h) Ra = 2,5 – 4,5 µm Rz = 15 – 40 µm ρ = 7,8 g/cm3 EOS StainlessSteel PH1 ídem 2,5 mm3/s (9 cm3/h) ídem EOS StainlessSteel 316L ídem 2 mm3/s (7,2 cm3/h) Ra = 13 ± 5 µm Rz = 80 ± 20 µm ρ = 7,9 g/cm3 2 mm3/s (7,2 cm3/h) Ra = 3 – 8 µm Rz = 13 – 40 µm ρ = 8,2 g/cm3 EOS NickelAlloy HX ± 40 – 60 µm / 0,3 – 0,4 mm 55 Módulo elástico (E) / Tensión de rotura (σr), ambos a 20˚C Dir. Z Dir. Z Dir. X-Y Dir. Z E = 75 ± 10 GPa σr = 460 ± 20 MPa E = 70 ± 10 GPa σr = 460 ± 20 MPa λ = 103 ± 5 W/m˚C c = 920 ± 50 J/kg˚C λ = 119 ± 5 W/m˚C c = 910 ± 50 J/kg˚C s/i s/i E = 200 ± 20 GPa σr = 1350 ± 100 MPa E = 190 ± 20 GPa σr = 1200 ± 150 MPa E = 200 GPa σr = 1350 MPa E = 160 ± 25 GPa σr = 1100 ± 100 MPa E = 150 ± 20 GPa σr = 1100 ± 100 MPa E = 170 ± 30 GPa σr = 850 MPa s/i σr = 1150 ± 150 MPa E = 185 GPa Dir. X-Y σr = 640 ± 50 MPa E = 180 GPa Dir. Z σr = 540 ± 55 MPa Dir. X-Y Dir. Z Conductividad térmica a 20˚C (λ) / Capacidad térmica específica (c) λ = 13 W/m˚C s/i ídem s/i λ = 15 ± 0,8 W/m˚C c = 450 ± 20 J/kg˚C λ = 13 W/m˚C s/i λ = 15,7 ± 0,8 W/m˚C c = 470 ± 20 J/kg˚C s/i s/i E = 195 ± 20 GPa σr = 850 ± 40 MPa s/i E = 175 ± 20 GPa σr = 720 ± 40 MPa s/i EOS NickelAlloy IN625 NiCr22Mo9Nb ídem ídem Ra = 4 – 6,5 µm Rz = 20 – 50 µm ρ = 8,4 g/cm3 Dir. X-Y Dir. Z 4 mm3/s (14,4 cm3/h) Ra = 4 – 6,5 µm Rz = 20 – 50 µm ρ = 8,15 g/cm3 Dir. X-Y ± 50 µm / 0,3 – 0,4 mm 6,38 mm3/s (22,95 cm3/h) Ra = 7,5 – 11 µm Rz = 37,5 – 60 µm ρ = 4,41 g/cm3 Dir. X-Y 5 mm3/s (18 cm3/h) Ra = 3 – 20 µm Rz = 16 – 126 µm ρ = 4,41 g/cm3 Dir. X-Y ídem EOS NickelAlloy IN718 NiCr19Fe19NbMo3 ídem EOS Titanium Ti64 Ti6Al4V Dir. Z Dir. Z Titanio EOS Titanium Ti64ELI (ASTM F136) Dir. Z E = 170 ± 20 GPa σr = 990 ± 50 MPa E = 140 ± 20 GPa σr = 900 ± 50 MPa E = 160 ± 20 GPa σr = 1060 ± 50 MPa E = 170 ± 20 GPa σr = 980 ± 50 MPa E = 110 ± 10 GPa σr = 1230 ± 50 MPa E = 110 ± 10 GPa σr = 1200 ± 50 MPa E = 108 ± 20 GPa σr = 1260 ± 40 MPa E = 112 ± 13 GPa σr = 1250 ± 50 MPa Tabla 2-2: parámetros relevantes de las aleaciones que proporciona EOS para uso en sus máquinas de “DMLS”. 56 s/i s/i s/i s/i s/i s/i s/i s/i Las operaciones de extracción y limpieza de la pieza suelen ser análogos a los empleados y descritos en el apartado anterior para las tecnologías “SLS”. Sin embargo, se han de extremar las precauciones al realizar dichas operaciones debido a la naturaleza más perjudicial para la salud de las finas partículas de polvos metálicos que se habrán de retirar. Por esta razón, las operaciones de limpieza se suelen realizar en cámaras especiales aislantes y con trajes y elementos protectores para los operarios. El polvo metálico retirado se recicla para usarlo de nuevo tras aplicarle un tamizado, empleando una manguera de succión. Este proceso se ilustra en la Figura 2-22. Figura 2-22: Proceso de recuperación del polvo metálico durante la limpieza de la pieza fabricada mediante “DMLS” empleando una manguera de succión y un tamizado. Los procesos de post-procesado más empleados para las piezas que se fabrican mediante “DMLS” suelen ser tratamientos térmicos destinados a mejorar las propiedades mecánicas como la ductilidad, pero dependerá de la aplicación y del material. Los “datasheet” encontrados en [44] detallan post-procesados típicos para cada material. Así mismo, operaciones de acabado como el pulido se suelen aplicar a las piezas, obteniendo acabados superficiales con Ra ≤ 0,1 µm, es decir, con acabados excelentes al menos uno o dos órdenes de magnitud menores que los que presentan las piezas recién fabricadas antes del post-procesado (véase la Tabla 2-2). La Figura 2-23 muestra la extracción de piezas fabricadas de titanio de una máquina “DMLS”, mientras que la Figura 2-24 muestra piezas fabricadas y post-procesadas mediante esta tecnología. 57 Figura 2-23: Proceso de limpieza de piezas fabricadas mediante “DMLS”. Figura 2-24: Ejemplos de piezas fabricadas de diferentes materiales mediante el proceso de “DMLS”. De nuevo, se ruega encarecidamente la visualización de los siguientes dos vídeos sobre el proceso de “DMLS” para mejor comprender el funcionamiento del proceso, encontrados en [58] y [59]. Así mismo, de la Tabla 2-2 se puede discernir de los datos de velocidad de construcción volumétrica que el tiempo empleado en fabricar una pieza completa –aunque dependerá 58 principalmente del volumen de ésta– está en el orden del decenio de horas 7 para tamaños comunes o días para tamaños mayores. Adicionalmente, la empresa “EOS” ha presentado recientemente un nuevo proceso de “DMLS”, centrado en la miniaturización y la creación de piezas metálicas a escalas muy reducidas para aplicaciones en las industrias eléctricas y electrónicas, médicas y de la automoción, nombrado “Micro Laser-Sintering” (“MLS”). Aunque todavía está en desarrollo, es predecible que su entrada al mercado se produzca durante el 2016. El proceso es el mismo que el explicado en este apartado, salvo que se emplearían polvos metálicos con tamaños de partículas en torno a los 5 µm y espesores de capa de 1-5 µm. El diámetro del haz láser se pretende que sea del orden de los 30 µm y que el tamaño máximo de piezas fabricadas no supere las dimensiones de Ø 57 mm x 30 mm de altura. Más información se puede encontrar en [60]. La Figura 2-25 muestra las piezas de escala reducida que se han obtenido hasta ahora. Nótese el tamaño relativo de éstas con elementos cotidianos comunes y el nivel de detalle alcanzable. Figura 2-25: Dos piezas fabricadas mediante la tecnología “Micro Laser Sintering” (“MLS”). 2.3.2.3. Sinterizado selectivo térmico (“Selective Heat Sintering”). Es importante resaltar que aunque a priori las tecnologías de fusión en lecho de polvo en general se estimaron “de interés” para el sector aeroespacial, al indagar en ellas como se está haciendo en esta sección, se pueden descubrir algunos subgrupos de tecnologías que puede que su uso sea limitado o irrelevante para el sector aeroespacial en su estado actual. Tal es el caso de esta tecnología en particular, también conocida como “SHS”, por lo que la profundización en ella no será del mismo orden que en las anteriores. Las razones se detallarán tras presentar esta tecnología someramente. Este subgrupo de tecnologías en concreto, obviamente, se basa en el empleo del método de la fusión en lecho de polvo que ya se ha explicado, pero empleando el polvo de materiales termoplásticos. Así mismo, la sinterización no se lleva a cabo por un láser, sino por un cabezal térmico que proporciona calor de una forma menos directa e intensa que éstos. Esto conlleva a que las piezas fabricadas mediante este proceso sean de calidad asimilables a las obtenidas 7 Estimación basada en el volumen de un cilindro de dimensiones Ø5 x 15 cm, es decir, de aproximadamente 295 cm3, y una velocidad volumétrica media de construcción de 5 mm3/s o de 18 cm3/h. 59 mediante los procesos de impresión mediante inyección de aglutinante, según [61]. Esto es, de una calidad bastante inferior a las obtenidas por métodos que emplean la sinterización por láser con otros termoplásticos, como el “SLS”. En concreto, esta tecnología se desarrolló por una empresa (“Blueprinter ApS”, véase [62]) cuyo objetivo es proporcionar un servicio asimilable al “SLS” pero a una escala y coste reducido para aplicaciones domésticas o de empresas pequeñas, sobre todo orientado al desarrollo de prototipos. El diseño del proceso empleando un cabezal térmico reduce el coste del equipo y de producción, pero la calidad de las piezas sufre si se compara con otros métodos más orientados a la fabricación industrial o dirigidos a sectores específicos más profesionales. Otra limitación de esta tecnología es la selección reducida de materiales de la que dispone actualmente. Sólo dispone de un variante termoplástico monocromo no especificado por el fabricante con propiedades similares a los del nailon (véase [63]). Así mismo, las siguientes especificaciones se muestran en la anterior referencia sobre la máquina: Dimensiones máximas de la cámara de fabricación: 200 x 157 x 140 mm (X-Y-Z) Espesor mínimo de capa: 0,1 mm Velocidad de construcción: 2-3 mm/h (velocidad en el eje Z o vertical) Según el vídeo informativo sobre el proceso, [64], se comenta que éste puede llevar desde varias horas a días. La Figura 2-26 muestra una de las máquinas que actualmente emplean la tecnología “SHS”, mientras que la Figura 2-27 es un muestrario de algunas de las piezas fabricadas mediante esta tecnología; la escala reducida de estas máquinas con respecto a las de la tecnología “SLS” se puede apreciar en la primera. Figura 2-26: Máquina de fabricación aditiva de la empresa “Blueprinter” que emplea la tecnología “SHS”. Figura 2-27: Muestrario de piezas fabricadas mediante la tecnología “SHS”. 60 Aunque el “SHS” presenta las mismas ventajas que las demás tecnologías de este grupo que se estudiaron en el apartado 2.3.1, su principal debilidad es el material constructivo que emplea y el método en que lo hace: termoplásticos en polvo y un cabezal térmico en vez de un láser, respectivamente. Aunque los termoplásticos pueden tener alguna aplicación aeroespacial concreta por sus propiedades aislantes y de resistencia química a condiciones ambientales donde los metales sufren, sus bajas propiedades mecánicas lo limitan bastante, sobre todo al no alcanzarse el mismo nivel de propiedades que los conseguidos mediante la sinterización por láser, como es el caso del “SLS”. Las aplicaciones recomendadas de esta tecnología se limitan principalmente a la fabricación de modelos o prototipos para la evaluación conceptual a coste reducido. De hecho, uno de los factores de diseño y desarrollo de esta tecnología fueron, según el propio fabricante, reducir los costes frente a la opción del “SLS” empleando materiales similares pero no enfocados a productos finales ni a prototipos para ensayos. Por todas estas razones, esta tecnología no se considera de interés para las aplicaciones más amplias que estudia este Proyecto. 2.3.2.4. Fundido selectivo por láser (“Selective Laser Melting”). Esta tecnología de “PBF”, el fundido selectivo por láser o “SLM”8, se emplea principalmente para la fabricación de piezas metálicas, presentando la ventaja de que se pueden emplear, además de aleaciones, polvos de metales puros (véase [65]). El proceso es similar o idéntico al expuesto en el caso del “DMLS”, con la principal diferencia de esta tecnología siendo que el láser consigue fundir localmente el material en polvo empleado, en vez de solo calentarlo lo suficiente para fomentar la sinterización, consiguiendo piezas con propiedades similares a las obtenidas mediante procesos de fundición tradicionales. Esto amplía el abanico de metales que se pueden emplear, pero a su vez impone algunas restricciones sobre los materiales empleados ya que deben reunir ciertos requisitos de fluidez en estado líquido y pueden presentarse problemas de soporte de la pieza durante el proceso de fabricación que los procesos de sinterización no tienen, además de otros, como se detallará en este apartado. Así mismo, esta tecnología presenta un amplio abanico de particularidades que pueden añadir complejidad en las etapas de diseño y, en especial, en las de extracción y post-procesado. Aunque presenta un gran número de aparentes desventajas, su utilidad radica en la producción de piezas más homogéneas y densas –y por ende, con mejores propiedades mecánicas– que las producidas en los procesos de sinterización, así como el uso de ciertos materiales que éstas no emplean. 8 Aparte de estos nombres, la designación comercial “LaserCUSING” también es sinónimo de éstos. 61 Figura 2-28: Ilustración del proceso de “SLM”. El proceso en sí se puede apreciar en la Figura 2-28. En él se puede observar su similitud con los demás procesos de fusión en lecho de polvo, aunque ya se empieza a resaltar el uso y necesidad de las estructuras de soporte (“support structures”). La necesidad de estas estructuras en este proceso de fabricación es un tema de constante investigación y estudio, ya que la eliminación de éstas supondría, a su vez, la eliminación de una de sus principales desventajas. Para este proceso, existen dos tipos de estructuras auxiliares o de soporte usualmente empleadas. El primer tipo se denominan estructuras de anclaje o simplemente anclajes (“anchors”), y son necesarias para impedir la deformación de la pieza al ser sometida a los fuertes gradientes térmicos locales del láser, de entre los 200 y 400 W, durante los rápidos ciclos de calentamiento/enfriamiento a la que somete el polvo metálico y a las capas que ya se han fabricado. La Figura 2-29 a) y b) muestra estos conceptos. Figura 2-29: Ilustración de los fuertes gradientes de temperatura y tensiones residuales que causan deformaciones en piezas no-ancladas empleando el proceso de “SLM”. 62 Los anclajes en sí suelen ser elementos fabricados a la vez que la pieza, del mismo polvo metálico, que se pueden anclar en un sustrato o base creada al inicio de la fabricación (por encima de la plataforma de la máquina en la cámara de fabricación) para mantener forzosamente la geometría de la pieza unida a ésta, impidiendo que ésta se deforme debido a las tensiones térmicas residuales durante el proceso de fabricación. También es una práctica común anclar la pieza a su propia geometría; el diseño y cómo emplear los anclajes depende en gran medida de la experiencia del diseñador, ya que depende fuertemente de la geometría de la pieza. A su vez, los anclajes permiten la evacuación de calor de la pieza para no calentar excesivamente el polvo entre el que descansa. Aparte de elementos de anclaje, también suelen ser necesarios estructuras de soporte cuya función principal es, como en otros procesos de fabricación aditiva, mantener la integridad geométrica de la pieza mientras ésta se está fabricando. El usar estas estructuras depende en gran medida de la geometría de la pieza, pero no es algo intrínseco de esta tecnología en sí, tal como es la necesidad del empleo de elementos de anclaje para evitar deformaciones debido a los ciclos de calentamiento y enfriamiento. El polvo metálico que rodea a la pieza puede no ser soporte suficiente para mantener la integridad geométrica de ésta debido a la fusión de éste y a la mayor densidad de la pieza con respecto al polvo. Si hay elementos de la pieza medio acabada que puedan ser inestables, se hace necesario emplear estas estructuras de soporte para apoyar a esta geometría de tal manera que no colapse la geometría inacabada. Esto, obviamente, conllevará otro esfuerzo adicional de diseño de la pieza y requerirá de la experiencia del diseñador, ya que cada pieza es diferente y no hay ningún método que funcione de forma genérica. De la misma manera, requerirá de un esfuerzo adicional durante los pasos de extracción y post-procesado para eliminar estos elementos de soporte, fabricados del mismo material que la pieza y comúnmente unida a ésta en diversos puntos. Esta tecnología en sí resultó de un proyecto de investigación del instituto alemán “Fraunhofer ILT” [66], a mediados de la década de los 90. A partir de entonces, esta tecnología se ha empleado por fabricantes de máquinas de fabricación aditiva de todo el mundo. La Figura 2-30 muestra una de las máquinas de mayores dimensiones que actualmente emplea esta tecnología, de la empresa alemana “Concept Laser”. 63 Figura 2-30: Máquina de “SLM” de la empresa “Concept Laser”. Actualmente una de las de mayores dimensiones en el mercado. A su vez, la Figura 2-31 muestra la actuación del láser durante la creación de una capa mientras se lleva a cabo el proceso de fabricación de una pieza. Nótese la mayor intensidad necesaria para que el láser llegue a fundir el polvo metálico. Es importante recordar que este proceso se lleva a cabo en una atmósfera protectora careciente de oxígeno para evitar la contaminación. Figura 2-31: Actuación del láser durante la creación de una capa en el interior de una máquina de “SLM”. En cuanto a características de esta tecnología más concretas, [65] y [67] resaltan las siguientes a tener en cuenta para esta tecnología. Es importante resaltar que estos datos pretenden ofrecer un rango de cada prestación, ya que cada máquina de cada fabricante posee sus particularidades. Volumen máximo que debe contener a la pieza: 600 x 400 x 500 mm3 Resolución máxima de los ejes X-Y: 0,04-0,2 mm Resolución máxima en el eje Z (espesor mínimo de capa): 0,03 mm Tolerancias máximas: ± 0,02-0,05 mm (± 0,1-0,2 %) Acabado superficial típico: RA = 4-10 µm Densidad de la pieza: hasta el 99,9 % Velocidad de construcción volumétrica: 5-20 cm3/h En cuanto a los materiales empleados por esta tecnología, de nuevo [65] presenta de forma general los disponibles actualmente: 64 Aluminio y sus aleaciones: o o Aleaciones de cobalto-cromo (CoCr ASTM F75) Aleaciones de cobre Oro Metales pesados: o o Tántalo Wolframio Aceros y aceros inoxidables Aleaciones de níquel o o o AlSi10Mg AlSi12Mg IN600 IN625 IN718 Plata Titanio y sus aleaciones: o o Ti6Al7Nb Ti6Al4V Obviamente, cada material se presenta en forma de polvo atomizado con tamaños de grano de entre los 10 y 60 µm [67], usualmente proporcionado por cada fabricante para su línea de máquinas bajo nombres propios. La Figura 2-32 muestra algunas de las piezas que se pueden fabricar mediante la tecnología de fusión selectiva por láser, mientras que el vídeo [68] muestra con detalle todo el proceso que se lleva a cabo para la fabricación mediante esta tecnología, resaltando las operaciones de extracción y limpieza así como las de recuperación del polvo metálico y su posterior tamizado para ser reutilizado. 65 Figura 2-32: muestrario de piezas fabricadas mediante la tecnología “SLM”. Antes de finalizar este apartado cabe volver al estudio de la principal desventaja de esta tecnología, la causada por los altos gradientes de temperatura que causan deformaciones y que obligan al empleo de elementos auxiliares de anclaje. El artículo [69] muestra un estudio sobre dichas tensiones residuales en una pieza fabricada mediante este proceso empleando la aleación de titanio Ti-6Al-4V, donde se llega a la siguiente conclusión de interés, entre otras: las tensiones residuales térmicas causadas por el láser pueden llegar a superar el límite elástico del material localmente, causando deformaciones y discontinuidades a nivel de la microestructura, proporcionando lugares donde se pueden iniciar fracturas por fatiga. Desde hace varios años, las líneas de investigación para esta tecnología concreta se están moviendo hacia la eliminación o reducción de las estructuras de soporte necesarias, como el anclaje. Algunas, como las mostradas en [70] y en [71], pretenden conseguir esto empleando nuevas técnicas que reducen las tensiones residuales durante la fabricación tal que no sean necesarias, empleando aleaciones eutécticas. Otras, como la mostrada en [72], pretenden optimizar el empleo de estructuras de soporte geométricas, llevando a cabo estudios sobre cuáles son los límites de los elementos geométricos de las piezas que puedan requerir o no elementos de soporte, y cuáles son las formas y dimensiones óptimas de éstas. Incluso [73] propone el empleo de una combinación de láseres continuos y de pulso para fabricar elementos de soporte que sean más fáciles de extraer y eliminar de la pieza final, reduciendo los tiempos de post-procesado necesarios. 2.3.2.5. Fundido por rayo de electrones (“Electron Beam Melting”). En esencia, este proceso (“EBM”) tiene el mismo fundamento que el “SLM” estudiado en el apartado anterior; sin embargo, el fundido del material se consigue mediante un haz o rayo de electrones (también conocido como rayos catódicos) en vez de empleando un láser. Fue desarrollado por la empresa sueca “Arcam AB” [74] específicamente para la fabricación de piezas metálicas, empleando finos polvos metálicos atomizados en un proceso de fusión en lecho de polvo llevado a cabo en el interior de una cámara al vacío (con presiones comprendidas entre los 100 nPa y los 100 mPa, mientras que se inyecta una presión parcial de 200 mPa de helio durante la fusión [75]), a diferencia de la atmósfera protectora de nitrógeno o argón empleada en las demás tecnologías estudiadas de este grupo. De hecho, a día de hoy, esta 66 empresa es la única que comercializa máquinas de fabricación aditiva que empleen esta tecnología. La Figura 2-33 muestra de manera esquemática el proceso de fabricación propio de esta tecnología. Su fundamento es el mismo que el estudiado para las demás tecnologías de fusión en lecho de polvo, con la excepción del elemento que se emplea para fundir y definir la geometría de cada capa. Figura 2-33: Ilustración del proceso de “EBM”. A diferencia del proceso de “SLM”, el haz de electrones calienta toda la capa y subcapas del polvo metálico a una temperatura idónea para que una vez comience la fusión, los gradientes térmicos sean mínimos. De esta manera, se reduce sustancialmente el impacto sobre el material de los fuertes gradientes térmicos de calentamiento y enfriamiento a los que se somete el material en los procesos que emplean la tecnología láser, reduciendo la necesidad de extensas y complejas estructuras de anclaje para impedir la deformación de la pieza por tensiones térmicas residuales y por la necesidad de evacuar calor. De esta forma, se reduce en gran medida la necesidad de algunas operaciones de post-procesado y tratamientos térmicos encaminados a reducir las estructuras martensíticas que se hubieran formado si estos fuertes gradientes térmicos hubieran existido. Sin embargo, esto no quiere decir que dichas estructuras no sean necesarias. Aún se deben emplear para mantener la integridad de la pieza durante su construcción por razones de estabilidad geométrica, y aunque las tensiones residuales sean menores que en el caso de “SLM”, aún están presentes – por lo que también serán necesarias algunas estructuras de anclaje y de evacuación de calor por conducción, sobre todo durante la fase de enfriamiento de la pieza. Es decir, al igual que la tecnología de “SLM”, ésta presenta la desventaja de que requiere de estructuras de soporte y de anclaje, aunque de menor complejidad y en menor medida. De hecho, según [76], las piezas fabricadas mediante esta tecnología poseen la ventaja de que presentan propiedades similares a las obtenidas mediante los procesos de forja convencionales, es decir, mucho más superior mecánicamente que las obtenidas mediante el proceso de “SLM”, comparables a piezas obtenidas mediante la fundición. 67 Otra ventaja adicional sobre los procesos “SLM” es que mediante el empleo de la tecnología del haz de electrones, se pueden mantener varios lugares de la capa en estado fundido simultáneamente, a diferencia de los que emplean un láser, según [75] y [76]. Esto permite aumentar las velocidades de construcción y, de nuevo, reducir el impacto de las tensiones residuales térmicas. Sin embargo, otra de las importantes desventajas de esta tecnología actualmente es su reducida selección de materiales disponibles. [77] muestra la oferta actual, reducida a aleaciones específicas de titanio y cobalto-cromo: Aleaciones de cobalto-cromo (CoCr ASTM F75) [78] Titanio [79] y sus aleaciones: o o Ti6Al4V [80] Ti6Al4V ELI [81] A su vez, esta tecnología presenta las siguientes características generales, según [82]: Volumen máximo que debe contener a la pieza: 350 x 350 x 380 mm3 Resolución máxima de los ejes X-Y: 0,1 mm Resolución máxima en el eje Z (espesor mínimo de capa): 0,05 mm Tolerancias máximas: ± 0,02 mm Acabado superficial típico: RA = 20,3-25,4 µm Densidad de la pieza: hasta el 99,9 % Como se puede comprobar, presenta mejores resoluciones y tolerancias que la tecnología de “SLM”, aunque sufre de peores acabados superficiales. Sin embargo, teniendo en cuenta que la pieza puede ser sometida a las mismas operaciones de post-procesado y tratamientos superficiales que cualquier otra pieza metálica, esto no supone ningún problema. Figura 2-34: muestrario de piezas fabricadas en aleaciones de titanio mediante la tecnología “EBM”. La Figura 2-34 ilustra dos piezas fabricadas mediante esta tecnología. Nótese el duro acabado superficial de la derecha antes de ser sometida al post-procesado. 68 Para finalizar, es importante realzar que esta tecnología está en proceso de obtener certificaciones de la ASTM para fabricar piezas de Ti-6Al-4V y Ti-6Al-4V “EI” mediante esta tecnología, véase [83] y [84] respectivamente. 2.3.2.6. Resumen: comparación entre las tecnologías de “PBF”. Para esclarecer y presentar de una forma más sencilla las conclusiones tempranas que se han podido obtener al indagar un poco más en este apartado sobre las tecnologías de fusión en lecho de polvo, se presenta la tabla resumen de la siguiente página (Tabla 2-3). Se recuerda que esto no pretende ser una decisión final sobre la aptitud o ineptitud de una tecnología para los objetivos de este Proyecto, sino solo un paso hacia su determinación según factores puramente técnicos que se han revelado mediante el estudio llevado a cabo en este apartado. A vistas de la Tabla 2-3, se puede afirmar que la tecnología “SHS” queda completamente descartada como “de aplicación al sector aeroespacial” debido a que no cumple los criterios requeridos para éste que se han establecido. A su vez, se ha descubierto que cada tecnología estudiada dentro de las de fusión en lecho de polvo posee sus ventajas e inconvenientes que habrán de ser tenidos en cuenta según el material que se desee emplear, la calidad de la pieza que se desee obtener y el esfuerzo de postprocesado al que se desee someter. 69 Tecnología de “PBF” Decisión Sinterizado selectivo por láser (“SLS”) Apto para materiales nometálicos Sinterizado directo de metales por láser (“DMLS”) Sinterizado selectivo térmico (“SHS”) Fundido selectivo por láser (“SLM”) Fundido por rayo de electrones (“EBM”) Comentarios y consideraciones Mejor opción para fabricar termoplásticos y materiales compuestos de la calidad exigida en el sector, en especial los de geometrías complejas. Los termoplásticos en sí no tienen una amplia aplicación en el sector: uso limitado, aunque los materiales compuestos sí que lo tienen; amplio abanico de materiales no metálicos. Propiedades del material obtenido por el proceso dentro del rango aceptable para el sector. Amplio abanico de aleaciones disponibles empleadas en el sector aeroespacial. Sólo se pueden emplear aleaciones metálicas. Buenas propiedades mecánicas y de post-procesados aplicables, aunque inferiores a las obtenidas en procesos de “PBF” que consiguen el fundido del polvo. Menos densas y menos homogéneas que éstas. La sinterización puede crear piezas más porosas que las obtenidas mediante los procesos que involucran la fusión del metal. Sin embargo, dicha porosidad se puede controlar según las necesidades de diseño. Tecnología de coste reducido enfocada a pequeñas empresas para labores de diseño conceptual de prototipos de tamaño reducido. Limitado a termoplásticos básicos con peores propiedades que los empleados por el “SLS”. Poca variedad. Propiedades mecánicas pésimas para una tecnología de fusión en lecho de polvo, asimilable a procesos de inyección de aglutinante. Se pueden emplear polvos de metales puros atomizados además de las aleaciones típicas de los procesos de sinterizado. La fusión del metal proporciona piezas más densas y con mucha menos porosidad que las sinterizadas. Aumenta la resistencia mecánica y propiedades del material, en especial si es postprocesada. Calidad asimilable a procesos convencionales de fundición, pero permitiendo geometrías muy complejas. Las fuertes temperaturas locales durante la fabricación someten a la pieza a fuertes gradientes de temperatura que provocan grandes tensiones residuales. Sin procesos de tratamiento y postprocesado adecuados las piezas pueden no cumplir los estándares de fatiga o vida útil exigidos en el sector. El proceso puede requerir el empleo de estructuras de soporte debido a la fusión del polvo metálico, a diferencia de las que emplean la sinterización. Se deben emplear elementos de anclaje para evacuar el calor de la pieza y para impedir la deformación de la pieza por las tensiones residuales debido a los fuertes gradientes de temperatura. Sin embargo, se está investigando profusamente para emplear técnicas y métodos que eliminen la necesidad de estos elementos o que los reduzcan de manera considerable. Teóricamente, se pueden emplear polvos de metales puros atomizados además de las aleaciones típicas de los procesos de sinterizado. Permite la fabricación de piezas más densas y homogéneas que las obtenidas mediante procesos que emplean la sinterización, con calidades similares a las obtenidas mediante procesos convencionales de forjado, pero con las ventajas de las tecnologías de AM. Presenta mejores velocidades de fabricación que el “SLM”, así como la generación de menores tensiones residuales térmicas, permitiendo el uso de menos elementos de anclaje y de soporte auxiliares, aunque éstos aún son necesarios. Peores acabados superficiales y menor selección de materiales disponibles en comparación con el “SLM”. Apto No apto Apto Apto Tabla 2-3: Resumen sobre conformidad de cada tecnología de “PBF” con los objetivos del Proyecto. 70 2.3.3. Procesos de depositado mediante energía dirigida (“DED”). De nuevo, refiérase al apartado 2.2.4.1.6 para obtener una descripción general del proceso de esta tecnología. En este apartado se detallarán los tres subgrupos que existen en las tecnologías de depositado mediante energía dirigida y se indagará en cada uno para determinar si siguen cumpliendo los requisitos que se establecieron para considerarlas “de especial interés” para el sector aeroespacial, así como para aumentar el conocimiento sobre éstas. Sin embargo, antes de presentar dichos subgrupos, es importante resaltar algunas características que todos ellos comparten y tienen en común. Todos los procesos de depositado mediante energía dirigida se emplean principalmente para metales, y todos ellos emplean energía para conseguir fundir el metal, que puede ser suministrado al cabezal en forma de polvo o en forma de alambre. El metal fundido se va depositando sobre una plataforma de construcción o sobre una pieza que está en proceso de ser fabricada o reparada. De hecho, una de las principales ventajas que presenta esta tecnología es que se puede emplear para la reparación de piezas ya fabricadas, aunque éstas lo hubieran sido por otras tecnologías de fabricación. En el sector aeroespacial, una de estas aplicaciones es la reparación de álabes de turbinas de turborreactores dañados o deteriorados, restaurándolos a su estado original, ahorrando costes y tiempo – algo que no puede ser llevado a cabo por ningún otro método de fabricación convencional actual. Véase [85], [86] y [87], al igual que la Figura 2-35. Figura 2-35: Tres ejemplos de reparación de componentes de turborreactores mediante la tecnología de “DED”. Otras designaciones comunes con las que se suele asociar a este grupo de tecnologías son las de “Laser Powder Build-up Welding”, “Laser Powder Welding” o simplemente “Laser Cladding”, es 71 decir, asociadas al soldado (de soldadura). Esto proviene de la infancia de esta tecnología a principios del s. XXI cuando se le empezó a denominar de esta forma a las aplicaciones de reparación de piezas metálicas que ofrecían dichas máquinas y que aún hoy todavía persiste en el sector, aunque no hay que olvidar que se trata de una de las tecnologías de fabricación aditiva. En comparación con las tecnologías de fusión en lecho de polvo que emplean metales, tanto los que los sinterizan como los que los funden, las tecnologías de depositado mediante energía dirigida permiten la fabricación de piezas de mayores dimensiones y de mayores complejidades geométricas. Esto es debido a que el cabezal suele tener tres grados de libertad de giro y de desplazamiento en el eje vertical mientras que la plataforma de construcción permite movimientos en el plano X-Y y rotatorios, permitiendo depositar material en ángulos que las tecnologías de lecho de polvo no permiten. A su vez, con alguna excepción, las cámaras de fabricación pueden ser mayores debido a que no se emplea un sistema de lecho de polvo, que ha de ser rellenado constantemente y esparcido en un área proporcional a un volumen que englobe a la pieza, necesitándose un mayor volumen de polvo metálico para mayores tamaños de piezas, aumentando la cantidad de materia prima necesaria. Esto no es necesario para las tecnologías de “DED” ya que el cabezal proporciona el chorro de material de forma externa mediante un sistema de alimentación, usándose sólo el necesario para construir la pieza, eliminando la necesidad de llenar volúmenes con polvo metálico, mucho del cual queda sin ser utilizado y habrá de ser extraído, limpiado y filtrado para ser reutilizado, añadiendo tiempo y esfuerzo a los pasos de extracción y limpieza de la pieza. Sin embargo, las tecnologías “DED” presentan la desventaja de que carecen del soporte que el lecho de polvo suele ofrecer para piezas en proceso de ser fabricadas, por lo que estructuras de soporte serán necesarias – añadiendo tiempo y esfuerzo de post-procesado para obtener la pieza final, ya que se suelen emplear técnicas de mecanizado para separar la pieza de los soportes. No obstante, ésta es una desventaja parcial, ya que como se estudió, los dos procesos de fusión en lecho de polvo que podrían conseguir propiedades similares a los obtenidos por estas tecnologías, es decir, los que consiguen fundir el metal, también necesitan de estas estructuras, a pesar del lecho. Otra ventaja que presenta sobre las tecnologías de “PBF”, aparte de la de reparación de piezas, es la posibilidad de emplear varios materiales a la vez sobre una misma pieza. Ya que el material es suministrado mediante un sistema de alimentación, bien en forma de polvo o en alambre metálico, varios tipos de materiales pueden ser suministrados simultáneamente o secuencialmente, pudiendo crear materiales novedosos con gradientes volumétricos o simplemente materiales compuestos avanzados, como compuestos cerámicos o metálicos. Dependiendo de la tecnología, también se puede afirmar que las velocidades de depositado y de ciclo de fabricación de una pieza son o bien iguales, o ligeramente mejores que las de fusión en lecho de polvo, contribuyendo a que esta tecnología se considere, al menos en el aspecto técnico, ligeramente superior a las de fusión en lecho de polvo para la fabricación de piezas metálicas o de materiales compuestos avanzados. 72 2.3.3.1. Formado por láser de polvo (“Laser Powder Forming”). Como se podrá comprobar en el subsiguiente estudio, dentro de las tecnologías de “DED”, éstas se diferencian unas de otras principalmente por la fuente de energía que utilizan para fundir el metal y por la forma en la que se encuentra ese metal o material, es decir, en forma de polvo o de alambre. En el caso del formado por láser de polvo (“LPF”), como su propio nombre indica, se emplea un láser de CO2 de hasta 4 kW para fundir el material, que es suministrado en forma de polvo. Quizá el subgrupo tecnológico más extendido dentro del “DED”, el “LPF” también es conocido por algunos nombres comerciales, como son “Laser Engineered Net Shaping” o “LENS”, “Direct Metal Deposition” o “DMD” y “Laser Consolidation” o “LC” [88]. Hay multitud de empresas que emplean este proceso y es el más extendido de los tres subgrupos. De hecho, a este proceso de fabricación aditiva se le suele referir con el nombre de “Laser Cladding” cuando se aplica para no sólo la reparación de piezas, sino para aplicar capas protectoras sobre piezas fabricadas mediante otros métodos, véase [89]. La Figura 2-36 muestra esquemáticamente el proceso llevado a cabo por estas máquinas, mientras que la Figura 2-37 muestra dos máquinas reales de “LPF”. Nótese el empleo de sensores de retroalimentación para determinar si la pieza se está fabricando de acuerdo a los datos CAD, así como las mayores dimensiones de las máquinas, permitiendo fabricar piezas de mayores dimensiones. Figura 2-36: esquema ilustrativo sobre el proceso de “LPF”. Figura 2-37: ejemplo de máquina de “LPF” con cámara inerte (izq.) y otra sin ella (der.). 73 Según [88], para impedir que ocurran procesos de oxidación o contaminación del metal por otros gases atmosféricos, el proceso se puede llevar a cabo de dos maneras, o mediante una combinación de éstas. La primera consiste en emplear una máquina que contiene una cámara hermética que será llenada de un gas inerte, y en donde se controlarán los niveles de oxígeno para asegurarse de que no se pueda contaminar el metal por oxidación (Figura 2-37 izq.). A su vez, otro método consiste en no emplear una cámara hermética cerrada para llevar a cabo la fabricación, sino que el cabezal de inyección emplea un sistema que continuamente proporciona un chorro de gas inerte que cubre la zona de aplicación de la tecnología en todo momento (Figura 2-35 y 2-37 der.). Tampoco es raro encontrar máquinas que emplean ambos métodos, es decir, un chorro de gas inerte local en el cabezal mientras que la construcción se lleva a cabo en el interior de una cámara hermética donde se controlan los niveles de oxígeno. Esto es debido a que emplean el chorro de gas inerte como un método de entrega del material en polvo, véase la Figura 2-38. Figura 2-38: empleo de chorro de gas inerte para la inyección del material en polvo en la tecnología “LPF”. La ventaja principal de las máquinas que emplean chorro de gas inerte es que una cámara de construcción no es necesaria, como es el caso en la mayoría de las demás tecnologías de fabricación aditiva, especialmente en el caso de las de fusión en lecho de polvo. Esto permite construir o actuar sobre piezas de dimensiones mucho mayores que las de cualquier otra tecnología de fabricación aditiva de interés para el sector aeroespacial estudiada hasta ahora. En este proceso, el flujo y caudal de las corrientes de material en polvo se controlan minuciosamente para asegurar que en cada momento se deposita la cantidad de material óptima. Como ya se ha podido vislumbrar, esto se puede conseguir inyectando el polvo hacia la zona de aplicación del láser empleando un chorro de gas inerte a presión o simplemente dejándolo caer por gravedad. La efectividad de ambos métodos aún es difícil de esclarecer, ya que presentan grados de complejidad y de prestaciones similares, aunque es verdad que los de chorro de gas suelen ser los más empleados, por necesidad, en aquellas máquinas que carecen de cámara hermética para la construcción. Así mismo, según [85], una de las ventajas que ofrece emplear el chorro de gas inerte como forma de entrega del material a la superficie de aplicación es que mejora la humectación del fundido con la superficie sólida existente, consiguiéndose así materiales más densos y homogéneos, también de vital importancia en la reparación de piezas. 74 Como detalla [90], a continuación se presentan los diferentes materiales que son empleados actualmente por la tecnología de “LPF”: Aceros: o o o o o Aleaciones de cobalto: o Inconel 718, 625 C-276 Nistelle C Wasp alloy Aleaciones de titanio: o o Stellites 6, 21, 31 Aleaciones de níquel: o o o o Acero de herramientas H13 y S7 Aceros inoxidables 316 L, 420, 17-4 PH, 15-5 PH Acero de molde P20, P21 Invar Aceros P/M, CPM 1V, 9V, 10V, VIMCRu 20 CP Ti Ti-6Al-4V Cermets (materiales compuestos cerámicos y metálicos): o o o Base ferrosa y carburo, 4140+WC Base de níquel y carburo, In625+WC Base de cobalto y carburo, Stellite 21+WC En esta tecnología los problemas de tensiones térmicas residuales tan prevalentes en las tecnologías de fundido en lecho de polvo que llegaban a fundir el material no son tan acentuadas, aunque siguen estando presentes – de hecho, no suelen ser necesarias las estructuras auxiliares de anclaje. Actualmente, el estudio sobre tensiones residuales se divide entre los estudios enfocados a los procesos donde se emplea esta tecnología para reparar componentes (“laser cladding”), es decir, el impacto de las tensiones residuales tanto en el material depositado como en las zonas de la pieza original afectadas por el proceso; mientras que la otra línea de investigación se centra en las tensiones residuales generadas en piezas fabricadas íntegramente por esta tecnología de fabricación aditiva. Debido a que actualmente el principal uso de esta tecnología es para la reparación de piezas –o mejor dicho– la reparación de piezas mediante esta tecnología es su aplicación más longeva, no es de sorprender que los estudios y literatura sobre el estudio de las tensiones residuales en procesos de “laser cladding” sea la más 75 abundante. Algunos ejemplos se pueden encontrar en [91], donde se estudia el efecto sobre la aleación Ti-6Al-4V desde el punto de vista de la velocidad de depositado; [92], donde se estudian las tensiones residuales en una aleación de aluminio o [93], que muestra que en depositados de cobalto, la velocidad de depositado está relacionada directamente con el aumento de las tensiones residuales, es decir, aumentan con ésta. Al igual que en los procesos de fusión en lecho de polvo que funden el polvo metálico, dependiendo del material, se pueden llegar a aliviar estas tensiones mediante procesos de postprocesado, en especial mediante el empleo de tratamientos térmicos. Esta tecnología suele caracterizarse por enfriamientos rápidos, consiguiéndose una microestructura con granos finos, aumentando la rigidez de las piezas. Las velocidades típicas de construcción o depositado mediante esta tecnología pueden llegar a estar comprendidos entre los 160 cm3/h hasta los 200 cm3/h [94], es decir, se pueden llegar a depositar hasta medio kilogramo de material por hora, dependiendo de la densidad de éste. Estas velocidades de construcción son al menos un orden de magnitud superior a las mejores velocidades que presentan los procesos de fusión en lecho de polvo. La Figura 2-39 muestra una selección de piezas fabricadas mediante esta tecnología, donde se puede llegar a comprobar que pueden ser sometidas a cualquier post-procesado de acabados superficiales que cualquier otra pieza metálica. Se recomienda ver el vídeo sobre este proceso en [95]. Figura 2-39: muestrario de piezas fabricadas mediante la tecnología “LPF”. Así mismo, antes de dar por finalizada esta sección, la Figura 2-40 pretende mostrar un caso concreto donde el empleo de esta tecnología en particular llega a reparar un eje del fan de una 76 aeronave dañada durante un accidente leve secuencialmente desde el estado original hasta el post-procesado. El eje entró de nuevo en servicio, véase [96]. Figura 2-40: secuencia de reparación de un eje de un fan de una aeronave dañado mediante la tecnología de “LPF”. 2.3.3.2. Formación por fusión de iones (“Ion Fusion Formation”). Este subgrupo tecnológico de las tecnologías de “DED” es de desarrollo y uso exclusivo de la empresa aeronáutica estadounidense “Honeywell Aerospace”. También conocido como “IFF”, esta tecnología se basa en el empleo de un soplete de plasma (gas de argón supercalentado e ionizado) como fuente de energía que funde el material de trabajo (usualmente metales) que puede ser suministrado o bien en forma de polvo o de alambre, aunque el alambre es el más prevalente actualmente. Según [97], en este proceso el material se le suministra al chorro de plasma, donde se funde y éste lo impulsa hacia la zona de depositado, que también estará localmente fundida por la acción térmica del chorro. Sensores se encargan de detectar la cantidad de material presente y depositado, guiando al cabezal a depositar según la información presente derivada del archivo CAD original. Así mismo, debido a las altas velocidades de enfriamiento de la estructura metálica, se consiguen piezas con una distorsión muy pequeña y de una microestructura de granos finos, dando a las piezas unas buenas propiedades mecánicas, con tensiones térmicas residuales mínimas. Esto, por supuesto, puede ser alterado mediante el post-procesado según las necesidades de la pieza. La propia patente de esta tecnología, [98], indica un listado de materiales que se pueden emplear con ella: 77 Aceros: AISI 9310, acero inoxidable 304 Aleaciones de aluminio: A356 Aleaciones de titanio: Ti-6Al-4V Aleaciones de níquel: Inconel 718 Algunas de las desventajas importantes que presenta esta tecnología son las siguientes, que hacen que quizá no sea la más idónea para su uso, en comparación con las demás tecnologías “DED”. En primer lugar, según [99], no existe una disponibilidad de esta tecnología fuera de la empresa inventora, “Honeywell Aerospace”. Desde su invención, esta empresa no ha ofrecido la venta de máquinas que empleen esta tecnología al sector, empleándola exclusivamente dentro de su propia empresa. Esto ha llevado a que otras empresas del sector aeroespacial no puedan emplear esta tecnología ya que tendrían que revelar sus diseños a un competidor para que éste les fabrique las piezas, es decir, “Honeywell” se ha limitado a usar esta tecnología para la fabricación de piezas propias en las que ha estado involucrada en su diseño o producción. [100] muestra otra desventaja, la limitación en el tamaño de las piezas que se pueden fabricar, debiendo estar contenidas en el volumen descrito por un prisma rectangular de dimensiones de 1,2 x 1,2 x 1,8 m3, demasiado pequeña para la mayoría de las estructuras aeronáuticas. Por último, el empleo del material en forma de alambre da como resultado acabados superficiales bastante peores que los conseguidos mediante otras tecnologías “DED” que emplean el material pulverizado, añadiendo tiempo y costes a los procesos de post-procesado para paliar esta desventaja. Esta tecnología también presenta aplicaciones para “laser cladding”, o reparación de piezas dañadas o desgastadas, como muestra [101], aunque es menos extendida que en el caso de otras tecnologías “DED”. En esencia, aunque este proceso se introdujo en el 2001, no fue hasta 2004 cuando se publicó su patente, y desde entonces ha sido una tecnología ligada exclusivamente a la empresa “Honeywell Aerospace”, como se ha mencionado. Se han producido mejoras en el proceso y en la tecnología desde entonces, pero sigue siendo una de las menos extendidas en comparación con las demás tecnologías de fabricación aditiva debido a la postura de no-revelación y nocomercialización que ha adoptado la empresa con respecto a ella. Esto lleva a que haya poca disponibilidad de literatura y material de referencia sobre ella, agravado por el hecho de que no haya calado en el sector de la misma manera que las demás. 2.3.3.3. Fabricación directa mediante haz de electrones (“Electron Beam Direct Manufacturing”). También conocida como “EBDM”, esta tecnología se caracteriza por el uso de un haz de electrones en el vacío para conseguir fundir el material de trabajo para llevar a cabo la fabricación de manera aditiva. Adicionalmente, el formato más común de entrega de material en esta tecnología es en forma de alambre en vez de emplear metal pulverizado. 78 Al igual que en el caso de la tecnología “IFF”, ésta es de desarrollo de una empresa en particular, “Sciaky Inc.” [102]. A diferencia de “Honeywell”, ésta ha optado por comercializar una línea de máquinas, haciendo que esta tecnología sea más relevante y esté más disponible para otras empresas del sector – haciéndola más atractiva, superando los inconvenientes que presenta el “IFF” en cuanto a este aspecto. Según [103] y [104], esta tecnología presenta la gran ventaja sobre no solo las demás tecnologías “DED”, sino sobre las demás tecnologías de fabricación aditiva –con alguna rara excepción– de ser la que es capaz de fabricar las piezas de mayores dimensiones, en concreto piezas contenidas en un volumen de 2,8 x 2,8 x 2,8 m3, con una envoltura nominal de fabricación de piezas de dimensiones de 2,7 m x 1,2 m x 1,6 m. La Figura 2-41 muestra la cámara de construcción de una de estas máquinas, ilustrando este concepto. Figura 2-41: máquina de “EBDM”, mostrando su cámara de construcción de 22 m3. Las máquinas de “EBDM” emplean un sistema de alimentación de material en alambre, único o dual, facilitando así –en este último caso– el empleo de varios materiales en una misma pieza. El caso de un solo alimentador se puede observar en la Figura 2-42. Así mismo, un vídeo ilustrativo sobre este proceso se puede visualizar en [105]. Figura 2-42: sistema de alimentación único de alambre en una máquina “EBDM”. 79 Sin embargo, una de las grandes desventajas de esta tecnología es su pobre acabado superficial, debido al empleo de alambres como método de entrega del material de trabajo, presentando a su vez, una pobre resolución en los ejes X-Y. Esto conlleva a que se deba emplear más tiempo y esfuerzo en el post-procesado para conseguir los acabados superficiales deseados. La Figura 243 muestra tres piezas diferentes fabricadas mediante esta tecnología, en ella se puede comprobar los diferentes acabados superficiales en las diferentes etapas del proceso de fabricación. Figura 2-43: muestra de los diferentes acabados superficiales de piezas fabricadas mediante “EBDM”. En esencia, esta tecnología de fabricación es más efectiva para la fabricación de piezas de grandes dimensiones, donde la pobre resolución no es un problema debido a las dimensiones características de la pieza. En cuanto a los materiales que esta tecnología emplea, se encuentran la mayoría de los que las demás tecnologías “DED” usan, con la adición de los metales refractarios debido a las altas temperaturas que el haz de electrones le puede suministrar al material, superando los 2.000˚C. En este sentido, según [104], una de estas máquinas es capaz de requerir desde los 42 a 60 kW de energía para conseguir fabricar con estos materiales. El listado de materiales se presenta a continuación, según [106] y [103]: Aceros inoxidables y superaleaciones de acero como “Vascomax” y 15-5 PH Aleaciones de cobalto Aleaciones de níquel, Inconel Aleaciones de cobre-níquel Aleaciones de titanio Aleaciones de aluminio, aluminuro de titanio (TiAl3) Aleaciones de tántalo Materiales compuestos de matriz metálica (incluyendo los de titanio) Otro dato importante es la velocidad de construcción, mostrada también en [106]. Ésta varía de material a material pero se pueden alcanzar velocidades de depositado de hasta los 4000 cm3/h. Ésta es una de las velocidades mayores para cualquiera de las tecnologías de fabricación aditiva que se han considerado de interés. En resumen, esta tecnología es más relevante para fabricar piezas de grandes dimensiones, como componentes estructurales, en tiempos reducidos. Los sobreesfuerzos necesarios de postprocesado y demandas de energía elevados son aceptables si se considera que ésta es la única 80 tecnología actualmente que permite fabricar de forma aditiva piezas tan grandes con los materiales más exigentes para el sector. 2.3.3.4. Resumen: comparación entre las tecnologías “DED”. Al igual que en apartado de las tecnologías de fusión en lecho de polvo, se ha optado por presentar una tabla resumen (Tabla 2-4) que compara las tecnologías de depositado mediante energía dirigida para facilitar la comprensión de los aspectos estudiados en este apartado. 81 Tecnología de “DED” Decisión Formado por láser de polvo (“LPF”) Formación por fusión de iones (“IFF”) Fabricación directa mediante haz de electrones (“EBDM”) Apto Apto, con consideraciones Comentarios y consideraciones Existen máquinas con cámara hermética o sin ellas, empleando en su lugar un chorro de gas inerte que actúa como capa protectora de contaminaciones durante el proceso de fabricación. Es el subgrupo tecnológico más empleado para la reparación de piezas dañadas o deterioradas (“laser cladding”). Velocidades de depositado muy superiores, consiguiéndose tiempos de fabricación altamente satisfactorios en comparación con las demás tecnologías. Relativamente más lento que las demás tecnologías de “DED”, velocidades de depositado y construcción significativamente menores. Si se emplea el material de trabajo en forma de alambre, se requiere un esfuerzo mayor de post-procesado ya que el acabado superficial suele ser peor que los que emplea el material en polvo. Tecnología exclusiva de una sola empresa, poca disponibilidad. No comercializa la máquinas; secretismo. Tamaño de piezas fabricadas suele ser menor que en las otras tres tecnologías de este subgrupo. También se puede emplear para el “laser cladding”, aunque su uso no es tan extendido como en el caso del “LPF”. No es posible que esta tecnología actúe sin cámara hermética como es el caso del “LPF”; es necesario crear el vacío en ella. Consumo elevado de energía para el haz de electrones: de entre 42 a 60 kW. Sólo emplea material suministrado en forma de alambre. Baja resolución en los ejes X-Y y pobre acabados superficiales. Se necesita post-procesado exhaustivo para conseguir acabados aceptables. Permite la fabricación de piezas de dimensiones muy elevadas, el mejor de las tres tecnologías “DED” y entre las mejores de todas las tecnologías de AM. Las velocidades de construcción son las mayores de todas las tecnologías estudiadas consideradas de interés, pudiéndose llegar hasta los 4000 cm3/h para materiales como el titanio. Apto Tabla 2-4: resumen y comparación de las diferentes tecnologías “DED”. 82 2.4. Otras tecnologías de AM. El apartado anterior se ha encargado de presentar en más detalle aquellas tecnologías de fabricación aditiva que son relevantes para los objetivos de este Proyecto, es decir, aquellas que por su proceso o por los materiales empleados pudieran ser de utilidad para la fabricación de piezas o componentes de uso en el sector aeronáutico o espacial, a priori. Sin embargo, como se pudo comprobar en el apartado de la clasificación por procesos de las tecnologías de AM y de su desglose según su importancia (apartado 2.3), existen otras que no han sido incluidas pero que igualmente podrían tener alguna relevancia en el sector bajo estudio en el futuro o su mención aquí podría simplemente satisfacer los objetivos secundarios de este Proyecto. En otras palabras, junto con las tecnologías que se han presentado en la sección anterior, las presentadas aquí estarán encaminadas a ser útiles para los propósitos del capítulo cuatro de este Proyecto. Sin embargo, dada su menor importancia relativa, no se profundizará en el mismo grado que en las de la sección anterior. Como se estableció en la sección anterior, dichas tecnologías son las siguientes, que se desarrollarán a continuación: Los procesos de fotopolimerización Los procesos de extrusión Los procesos de laminado de chapas Los procesos de impresión con inyección de material Los procesos de impresión con inyección de aglutinante Sólo se realizará el desglose de los subgrupos tecnológicos en aquellas donde su relevancia esté justificada, bien por su importancia histórica o por su extensión dentro del sector de la fabricación aditiva, o bien para determinar su posible interés en el sector aeroespacial. 2.4.1. Procesos de fotopolimerización. Una de las primeras tecnologías de fabricación aditiva desarrolladas, los procesos de fotopolimerización fueron los pioneros de este sector tecnológico y dieron lugar al desarrollo posterior de las demás tecnologías, en su mayoría. Lo que se conoció como estereolitografía, uno de los primeros procesos de fabricación aditiva, no fue más que un proceso de fotopolimerización. Este grupo tecnológico ha seguido avanzando y desarrollándose a través de las décadas y ha resultado ser un referente en cuanto a piezas fabricadas de ceras y resinas fotocurables debido a los rápidos tiempos de fabricación, excelentes resoluciones en todos los ejes y diversidad y disponibilidad amplia de máquinas de esta tecnología, abaratándola y haciéndola asequible para muchas empresas. Este apartado se centrará en dos subgrupos tecnológicos referencia de la fotopolimerización, la estereolitografía tradicional y el procesado digital de luz. 83 2.4.1.1. Estereolitografía (“Stereolithography”). La estereolitografía (también conocida por sus siglas “SLA”) emplea un solo láser de luz ultravioleta que trazará la geometría de cada capa en la resina fotocurable, formándola por capas. Según [107], aunque esta tecnología presenta excelentes resoluciones (con espesores de capa de hasta los 30 µm), piezas de tamaños reducidos, de aproximadamente un puño, pueden tardar hasta 24 horas en ser fabricadas por esta tecnología. La Figura 2-44 muestra ilustrativamente el proceso de “SLA”, mientras que la Figura 2-45 muestra una máquina “SLA”. Figura 2-44: ilustración del proceso de “SLA”. Figura 2-45: Máquina de “SLA”. Así mismo, piezas y modelos fabricados mediante esta tecnología no suelen mostrar capas visibles en la pieza final, a diferencia de las demás tecnologías de fabricación aditiva que emplean resinas, tal como el modelado de depositado de fundidos o “FDM” (proceso de extrusión). Existen dos tipos de máquinas de “SLA”, aquellas que fabrican el modelo sacando la parte fabricada fuera del contenedor lleno de la resina líquida progresivamente (es decir, las capas nuevas se van agregando hacia la base del modelo), o de manera inversa, sumergiendo el modelo en el tanque y agregando las capas superiores. Ambos métodos requieren de 84 estructuras de soporte para elementos geométricos que sobresalgan – dichas estructuras suelen ser columnas conectadas a la plataforma de la máquina, con un diámetro mayor en la base y con el mínimo diámetro posible en su contacto con el modelo, para así facilitar su extracción. Los materiales empleados por esta tecnología son puramente fotopolímeros. Con el desarrollo de la tecnología, se ha llegado a conseguir materiales fotopoliméricos con propiedades prácticamente idénticas al ABS, polipropileno y cera, aunque el mayor inconveniente que posee esta tecnología es la fragilidad que las piezas adquieren durante su vida útil tras la exposición continuada a la luz, llegando a aparecer grietas en las piezas que eventualmente llevan a su fallo. A pesar de ello, se pueden conseguir propiedades como resistencia al agua, flexibilidad, durabilidad, rigidez, opacidad y transparencia, resistencia térmica y resistencia a golpes. Obviamente, sólo se puede emplear un tipo de material a la vez. El post-procesado típico que se lleva a cabo conlleva operaciones de eliminación de los soportes (normalmente mediante métodos manuales ya que suelen ser bastante endebles), la eliminación de resina adicional que se ha curado de manera inintencionada mediante soluciones apropiadas, y mejorar el acabado superficial mediante el limado o el empleo de papel de lija. Sin embargo, esta última operación se suele dejar para después del endurecimiento de la pieza que se lleva a cabo sometiéndola a una exposición de luz ultravioleta una vez extraída. La Figura 2-46 muestra algunas piezas que se pueden fabricar mediante esta tecnología. Nótese el fino acabado y la alta resolución de los detalles. Figura 2-46: muestrario de objetos fabricados mediante la tecnología “SLA”. 2.4.1.2. Procesado digital de luz (“Digital Light Processing”). Virtualmente idéntico a los procesos de “SLA”, el procesado digital de luz o “DLP” se diferencia mediante la forma en la que las capas se crean. La Figura 2-47 muestra esta diferencia: el uso de un proyector en vez de un láser de luz ultravioleta. Básicamente, según [108], la geometría de cada capa se proyecta en su totalidad sobre la solución fotopolimérica, endureciendo y consiguiendo así fabricar una capa entera a la vez. Como es de esperar, la mayor ventaja del 85 empleo de esta tecnología es su reducido tiempo de fabricación con respecto a la “SLA” tradicional. Figura 2-47: esquema ilustrativo de la tecnología “DLP”. Todos los demás aspectos sobre materiales empleados, los métodos de construcción y el postprocesado de esta tecnología se comparte con el estudiado para la tecnología “SLA”. A continuación se presenta la Figura 2-48 y 2-49, donde se muestra una selección de máquinas de “DLP” y un muestrario de las piezas fabricadas mediante esta tecnología, respectivamente. Figura 2-48: máquinas que emplean la tecnología “DLP”. Figura 2-49: muestrario de modelos creados mediante la tecnología “DLP”. 86 2.4.2. Procesos de extrusión. Los procesos de extrusión actualmente son una de las tecnologías de fabricación aditiva que más calado han tenido tanto en la industria como en la sociedad. Su volumen de ventas y la gran variedad de máquinas que emplean esta tecnología superan con creces todas las demás que se han estudiado, en especial por sus bajos precios y la relativa calidad que se obtiene con respecto a éstos, además del gran surtido de materiales disponibles. Con esta tecnología, se encuentran máquinas “de escritorio”, asequibles para la gran mayoría de particulares para realizar impresiones 3D en casa, hasta máquinas altamente profesionales que pueden construir edificios o piezas en termoplásticos de altísima calidad. Aunque existen muchos subgrupos tecnológicos, los más importantes que se estudiarán a continuación serán los de “Fused Deposition Modelling”9 y “Contour Crafting”. 2.4.2.1. Modelado mediante depositado de fundidos (“Fused Deposition Modelling”). También abreviado como “FDM” o “FFF” (“Fused Filament Fabrication”, fabricación mediante filamentos fundidos), esta tecnología de fabricación aditiva presenta una gran variedad de máquinas y un gran rango de aplicaciones, materiales y calidades de la pieza final. Para recordar, la Figura 2-50 muestra el proceso genérico. Figura 2-50: ilustración del proceso de “FDM”. Según [109], el proceso de “FDM” puede ilustrarse a grandes rasgos como “construir o dibujar una pieza con una pistola de pegamento termofusible muy precisa”. La calidad depende en gran medida del espesor de las capas en esta tecnología, que puede llegar a estar en el rango desde 9 También escrito como “Fused Deposition Modeling” (con una sola “l”), escritura más común en el inglés americano. 87 los 75 hasta los 300 µm. Las velocidades de construcción están en torno a los 24 cm3/h mientras que el tamaño máximo de las piezas está en torno a los 0,125 x 0,125 x 0,165 m3. En cuanto a materiales empleados, éstos se le suelen suministrar a la máquina en forma de filamentos enrollados en bobinas. Dichos materiales suelen ser principalmente termoplásticos como el ABS, PLA y PC (policarbonato), aunque también se suelen emplear materiales como el PVA (alcohol polivinilo) para las estructuras de soporte que se han de construir si la geometría de la pieza lo requiere, especialmente empleado por su fácil solubilidad. Sin embargo, un gran rango de nuevos materiales se están empezando a emplear, incluyendo mezclas exóticas de madera y piedra o filamentos con características como el caucho o la goma – los fabricantes siguen desarrollando este aspecto de materiales noveles continuamente. Sin embargo, además de esto, máquinas más profesionales de “FDM” pueden llegar a emplear y fabricar piezas con termoplásticos de las más altas exigencias de cualquier sector, imbuyendo sus materiales con propiedades como la resistencia al fuego o altas resistencias mecánicas. Es de importancia notar que de todos los procesos de fabricación aditiva, esta tecnología posee los materiales menos costosos y más variados para su empleo. La gran variedad de máquinas de esta tecnología se muestra en la Figura 2-51. A la izquierda, se muestra una máquina poco costosa dirigida al uso doméstico, mientras que a la derecha se muestra una máquina más profesional, dirigida a fabricar piezas de termoplásticos para modelos avanzados o piezas de producción final. Figura 2-51: máquina de “FDM” de uso doméstico (izq.) y máquina de “FDM” de uso profesional (der.). Como curiosidad, esta tecnología ha sido y está siendo empleada por empresas e instituciones aeroespaciales para fabricar piezas de alta calidad de termoplásticos para modelos de nuevos diseños de aeronaves o para reproducir piezas a bajo coste para ayudar en el entrenamiento del personal de mantenimiento de UAVs, como se muestra en [110] y [111], respectivamente. Es de esperar que se emplee para fabricar piezas de materiales termoplásticos para uso aeroespacial altamente complejos e individualizados una vez que se obtengan las certificaciones correspondientes de las autoridades aeronáuticas internacionales. En cuanto a procesos de post-procesado, éstos incluyen la eliminación de estructuras de soporte y el limado o lijado para eliminar las asperezas que pueda presentar la pieza. También es común aplicarle a la pieza fabricada un baño de vapor de acetona, especialmente para eliminar de la superficie de la pieza el aspecto de las capas, como se puede apreciar en la Figura 2-52. 88 Figura 2-52: aplicación del tratamiento mediante baño en vapor de acetona para eliminar las marcas de las capas de la superficie de una pieza fabricada mediante “FDM”. La Figura 2-53 muestra piezas fabricadas mediante “FDM” para aplicaciones aeronáuticas mencionadas en los párrafos anteriores, mostrando un posible interés para el sector estudiado. Figura 2-53: piezas fabricadas mediante “FDM” para un modelo de aeronave en fase de diseño de la NASA. 2.4.2.2. Elaboración de contornos (“Contour Crafting”). Esta tecnología en particular se menciona aquí debido a sus aplicaciones noveles y a la escala de ésta, ya que se emplea para la fabricación de edificios. Técnicamente la elaboración de contornos o “CC” sigue siendo una tecnología de fabricación aditiva, ya que encaja en todas sus definiciones, además de ser un proceso de extrusión. La Figura 2-54 muestra el uso de esta tecnología para la fabricación de un edificio. Figura 2-54: empleo de la tecnología “CC” para la construcción de un edificio. 89 Aunque actualmente no posee un interés directo para el sector aeroespacial, el empleo de tecnologías como éstas podría volverse relevante para la fabricación de edificios de infraestructura aeroportuaria o espacial, como la fabricación automatizada de colonias extraterrestres. Los materiales empleados pueden variar desde cerámicas hasta hormigón u hormigón reforzado con fibras. Una ventaja de este proceso sobre los métodos tradicionales de ingeniería civil para la construcción consiste en mejores acabados superficiales y la automatización del proceso. Además de esto, según los autores de la tecnología, se puede llegar a emplear para la construcción de viviendas sociales de bajo coste o para edificios en caso de emergencias o catástrofes debido a su corto tiempo de fabricación. Se puede consultar [112] y [113] para encontrar más información sobre este proceso, así como visualizarlo en el vídeo que se encuentra en [114]. 2.4.3. Procesos de laminado de chapas. En cuanto a procesos de laminado de fabricación aditiva, aquí sólo se estudiarán las dos subtecnologías más prevalentes en la industria, “Laminated Object Manufacturing” y “Ultrasonic Additive Manufacturing” o “Ultrasonic Consolidation”. 2.4.3.1. Fabricación de objetos laminados (“Laminated Object Manufacturing”). Esta tecnología, teniendo en cuenta la descripción del proceso genérico, se emplea sobre todo para crear objetos de láminas de papel o plásticos, aunque también se puede emplear para láminas o chapas metálicas y cerámicas. Sin embargo, el empleo de estos dos últimos materiales es muy poco frecuente y por lo tanto no se estudiará aquí. Las láminas poseen una capa de adhesivo activado por calor adherida a la parte inferior que se calienta por la acción de un rulo conforme la lámina se posiciona sobre la posición de corte por la máquina, permitiendo que dicho adhesivo se adhiera a la capa anterior que se encuentra justo por debajo de ésta. Una vez ahí, un láser o un cuchillo especial es el encargado de trazar la geometría de la capa en cuestión. La Figura 2-55 muestra esquemáticamente dicho proceso. Esta tecnología fue desarrollada por la empresa “Helisys Inc.” [115]. Aunque entre sus grandes ventajas se encuentran los bajos costes de operación, debido principalmente a los bajos costes de la materia prima, posee ciertas desventajas que hacen que esta tecnología no sea tan prevalente o extendida como otras estudiadas anteriormente para las mismas aplicaciones. Dichas desventajas, según [116] y [117], son esencialmente las referentes a las propiedades del material de las piezas obtenidas y a la baja precisión geométrica inherente a la tecnología, por lo que el empleo de ésta se suele reducir a producir modelos para prototipos o, con los 90 materiales adecuados, producir moldes para otros procesos de fabricación tradicionales. Sin embargo, posee ciertas ventajas –aparte de la ya señalada de bajo coste– que puede hacer que esta tecnología sea empleada en vez de otras más comunes para ciertos casos concretos. En especial, ya que no se llevan a cabo reacciones químicas para la construcción de la pieza, se pueden fabricar modelos de mayores dimensiones que otras tecnologías similares, como pueden ser la “SLA” o “SLS”. Adicionalmente, se requieren pocas operaciones de post-procesado en comparación con otras tecnologías, aunque esto dependerá del material empleado y de si se han usado estructuras de soporte. Usualmente, como se puede ver en la Figura 2-55, el material de soporte suele ser troceado por la máquina para facilitar su extracción durante el postprocesado. Figura 2-55: ilustración esquemática detallada del proceso de una máquina de “LOM”. El material más empleado para esta tecnología es el papel. Como se mencionó, dicho papel tendrá una capa de adhesivo activado por calor en su cara inferior pero en cuanto a otros factores sigue siendo papel corriente a todos los efectos antes de ser procesado por la máquina. Esto permite que sobre dicho papel se puedan imprimir colores o diseños antes de ser empleados por la máquina con impresoras tradicionales. Sin embargo, una vez procesado, la pieza resultante posee características similares a la madera, por lo que puede recibir tratamientos y post-procesados típicos de este material. La Figura 2-56 muestra una máquina de “LOM”. Figura 2-56: máquina de “LOM”. 91 La referencia [118] muestra una lista de características típicas de las máquinas “LOM”: Tamaño máximo del papel: 820 x 560 x 510 mm Tamaño mínimo de detalles en ejes X-Y: 0,2 mm Altura mínima de la capa (resolución eje Z): 0,05 mm Tolerancia: 0,1 mm Acabado: áspero Velocidad de construcción del modelo: rápida La Figura 2-57 muestra tres piezas fabricadas mediante la tecnología “LOM” empleando papel como materia prima. Como se puede observar, una vez fabricadas las piezas, se pueden aplicar barnices u otros tratamientos típicos de la madera. Figura 2-57: muestrario de tres piezas fabricadas de papel mediante la tecnología “LOM”. 2.4.3.2. Consolidación ultrasónica (“Ultrasonic Consolidation”). Para esta tecnología en concreto, existe un cierto debate sobre si se debe considerar una tecnología de fabricación aditiva pura. Esto es debido a que las máquinas de consolidación ultrasónica emplean dos fases bien distinguidas para llevar a cabo la fabricación de cada capa. En primer lugar, utilizan un proceso de soldadura conocido como soldadura ultrasónica [119] para llevar a cabo la unión entre las láminas de cada capa y entre ellas, mientras que posteriormente, una vez completada dicha operación, se emplea un proceso de fresado de control numérico para delimitar y plasmar la geometría de dicha capa. Todo esto se lleva a cabo 92 dentro de la misma máquina y se puede visualizar en la Figura 2-58. Así mismo, la Figura 2-59 muestra una máquina de “UC”. Figura 2-58: las dos fases de la consolidación ultrasónica: (izq.) soldadura ultrasónica; (der.) fresado. Figura 2-59: máquina de consolidación ultrasónica. Es por este motivo que muchos autores y expertos del sector consideran que esta tecnología en realidad es un híbrido ya que emplea un método de fabricación tradicional como parte del proceso de fabricación. Sin embargo, el hecho de que la construcción de la pieza se lleve a cabo de manera aditiva, capa por capa, y que su proceso caiga en mayor parte dentro de las definiciones de la fabricación aditiva, hace que no existan motivos para no considerar ésta una tecnología de AM. Es por esto que no existe un consenso claro sobre la clasificación exacta de esta tecnología. En cuanto a materiales que se pueden emplear en estas máquinas, según [120], éstos incluyen metales como: Níquel y sus aleaciones Titanio y sus aleaciones Cobre y sus aleaciones Molibdeno y sus aleaciones 93 Tántalo y sus aleaciones Plata Acero y acero inoxidable Aleaciones de aluminio Una de las ventajas de esta tecnología consiste en poder mezclar e intercambiar láminas de diferentes metales durante el proceso de fabricación, creando así materiales nuevos con propiedades personalizables. Así mismo, este proceso permite integrar láminas metálicas prefabricadas (por ejemplo, circuitos integrados) en el interior de cavidades que resultarán selladas durante la fabricación, creando así los denominados “materiales inteligentes” con sensores integrados que pueden presentar multitud de aplicaciones y usos. Debido a las características de este proceso, las piezas fabricadas presentan propiedades similares a las obtenidas mediante el fresado y mecanizado de un bloque metálico sólido inicialmente, con las ventajas adicionales que presenta el proceso aditivo, como son geometrías complejas, tiempos relativos de fabricación más cortos y la opción de crear materiales compuestos metálicos mezclando láminas, que se pueden unir mediante la soldadura ultrasónica. Esta tecnología, por lo tanto, presenta un cierto interés para ciertos sectores, el aeroespacial incluido. Aunque la tecnología en sí no es relativamente novel, no ha sido hasta hace poco que su uso en la fabricación aditiva se ha empezado a tomar en serio. Desarrollada como tal en el año 1999 por Dawn White, que posteriormente fundaría la empresa “Solidica Inc.” [121], actualmente ésta encabeza el grupo de las dos empresas “DuraTi” y “Fabrisonic” [122], la última siendo la que se encarga de comercializar y desarrollar las máquinas y tecnología de “UC”. Ofrecen un amplio abanico de máquinas, en las que resaltan su precisión, posibilidad de fabricar piezas con detalles minúsculos y geometrías complejas (por ejemplo, creando canales de refrigeración de 0,76 x 0,15 mm2 en el interior de piezas de aluminio de grado aeroespacial [123]), o la posibilidad de crear materiales metálicos a medida y materiales compuestos de matriz metálica con fibras cerámicas, todo durante el mismo proceso de fabricación. Una de las grandes ventajas de esta tecnología es que se produce la unión entre capas metálicas a baja temperatura, sin reacciones químicas, por lo que no se forman intermetálicos ni otros compuestos como óxidos durante el proceso de soldadura. Así mismo, el material resultante no sufre de deformaciones por tensiones térmicas residuales, por lo que no se tendrá que someter a post-procesados intensivos para paliar dichos efectos. En cuanto a materiales gradados o compuestos, según [124], se ha tenido éxito probado creando uniones entre pares de metales como Al/Cu, Al/Fe, Al/Ti, Ta/Fe, Ag/Au o Ni/Acero inoxidable, además de otros pares que se pueden observar en la Figura 2-60. Así mismo, la Figura 2-61 muestra imágenes detalladas a pequeña escala de la unión mediante soldadura ultrasónica de algunos materiales. Para el sector aeroespacial, esto permitiría la fabricación de piezas geométricamente complejas y altamente personalizables para componentes críticos, diseñando el material para responder a las exigencias a la cual será sometida dicha pieza, que puede ser variable según el modelo, cada aeronave fabricada o simplemente según cada situación de vuelo para una misma aeronave. 94 Figura 2-60: pares de metales y aleaciones compatibles para ser unidos en el proceso de “UC”. Figura 2-61: detalles de algunos pares metálicos unidos mediante soldadura ultrasónica. En cuanto a detalles generales sobre la fabricación mediante esta tecnología, actualmente, empleando la máquina de mayores dimensiones, se pueden fabricar piezas de hasta 1,83 x 1,83 x 0,91 m3; las velocidades típicas de fabricación mediante esta tecnología están comprendidas entre los 246 y los 492 cm3/h [125], las cuales son muy superiores a las velocidades medias de otras tecnologías de fabricación aditiva que fabrican metales ya estudiadas. Sin embargo, las dimensiones de las piezas están un tanto limitadas y este aspecto no destaca en comparación con otras tecnologías de AM metálicas, aunque tampoco se queda atrás. Algunas piezas del sector aeronáutico finales fabricadas mediante esta tecnologías se pueden apreciar en la Figura 2-62. En ella, algunas piezas han sido reforzadas mediante el empleo de materiales metálicos gradados. Como se ha podido comprobar, un subgrupo tecnológico de una tecnología a priori no considerada “de interés” ha resultado serlo, por lo que se incluirá en el estudio como tal. Un vídeo informativo sobre esta tecnología se puede visualizar en [126]. 95 Figura 2-62: muestrario de piezas aeroespaciales fabricadas mediante la tecnología “UC”. 2.4.4. Procesos de impresión. Dentro de este apartado se estudiarán con un poco más de profundidad tanto los procesos de impresión con inyección de material como los de inyección de aglutinante, indagando en si poseen alguna posibilidad de aplicación desde el punto de vista técnico para el sector aeroespacial. Dentro del sector de la fabricación aditiva, los procesos de impresión son una de las tecnologías más “corrientes” o “comunes” (es decir, de gran calado social) actualmente cuando se habla de “impresión 3D”. El empleo de esta tecnología, en su mayor parte, está enfocada a la creación de modelos y objetos para uso como prototipos de bajas prestaciones o para uso doméstico, al igual que los procesos de impresión con inyección de aglutinante. Su finalidad no es la de suministrar a la industria especializada con un método de fabricación, sino hacer llegar a los hogares y a las pequeñas empresas esta tecnología de tal forma que sea asequible y rentable para los mismos, para que puedan fabricar sus propios diseños personalizados o modelos, con escaso valor comercial, de aplicación o industrial. Obviamente, la calidad de las piezas fabricadas y los materiales empleados no corresponden a lo que se esperaría de una pieza de producción final, aunque esta tecnología sigue avanzando hacia materiales más duraderos y resistentes o con propiedades cada vez más noveles que pueden dar a estas tecnologías un papel más notorio en el sector industrial en un futuro. De hecho, ya hay algunos sectores especializados que empiezan a emplearlos, como son el sector biomédico y dental [127]. 2.4.4.1. Procesos de inyección de material. Partiendo de lo estudiado en la descripción genérica del proceso, los procesos de impresión con inyección de material (también conocidos como “MJ”, “ProJet” o “PolyJet” por sus nombres comerciales) son los que más tienen en común con la tecnología de impresión con inyección de tinta tan común actualmente. En concreto, según [128], la mayoría de las máquinas empleadas actualmente usan como material de trabajo resinas fotocurables en estado líquido contenidas en un cartucho o cabezal similar a los de tinta, que suministran gotas de material a través de los 96 inyectores. A su vez, durante su movimiento, una fuente de luz ultravioleta que rodea al cartucho (o a su montura) hace que se cure la resina conforme se va depositando, solidificándola y uniéndola al material ya existente. Este proceso se puede visualizar en la Figura 2-63; la Figura 2-64 muestra una selección de cabezales de diferentes tipos de foto-resinas intercambiables para varios modelos de impresoras 3D pertenecientes a esta tecnología. Figura 2-63: luz UV en un cabezal de impresión curando la foto-resina a la vez que la deposita. Figura 2-64: diferentes cabezales de foto-resinas para impresoras 3D pertenecientes a la tecnología de “MJ”. Como ya se explicó en la descripción genérica, una de las ventajas de esta tecnología es la posibilidad de combinar diferentes materiales (fotopolímeros) a la vez para fabricar una misma pieza, empleando varios cabezales o cartuchos de material. Aunque con la combinación se pueden conseguir materiales con propiedades similares a otros polímeros, aún sufren del problema de las resinas fotocurables ya estudiado, es decir, con la exposición continuada a la luz, con el tiempo, sus propiedades mecánicas y materiales se degradan, dando lugar a la aparición de grietas en la superficie que pueden dañar o impedir el uso de la pieza. Actualmente, se pueden conseguir, mediante el fraccionamiento y mezcla adecuada de diferentes fotopolímeros durante el proceso de fabricación, materiales con propiedades idénticas o similares a elastómeros, cauchos, gomas u otros polímeros de producción como el ABS [129]. Es decir, se pueden conseguir materiales con propiedades mecánicamente resistentes, resistencia a ambientes corrosivos o a altas temperaturas, transparencia, opacidad, colores, etc., todo ello comparado relativamente con otros materiales poliméricos. Las siguientes figuras, Figura 2-65 y Figura 2-66, muestran una selección de impresoras que emplean esta tecnología y un muestrario de piezas fabricadas mediante ella, respectivamente. 97 Figura 2-65: Dos ejemplos de máquinas de AM que emplean la tecnología de impresión con inyección de material. Figura 2-66: muestrario de objetos fabricados mediante la tecnología de impresión con inyección de material. Otra ventaja adicional del uso de varios materiales es el empleo y construcción de estructuras de soporte a la vez que se construye la pieza para que sean fáciles de extraer y eliminar, normalmente solubles en agua. A su vez, empleando varios materiales, se pueden conseguir piezas que, por ejemplo, tengan elementos con unas propiedades diferentes a las de otras, sin tener que fabricarlas por separado y luego ensamblarlas, ahorrando en tiempo y costes de postprocesado. Así mismo, normalmente las dimensiones de las máquinas permiten la construcción de varias piezas a la vez, acelerando de esta manera los tiempos de producción. En cuanto a algunas especificaciones, con esta tecnología se ha de mencionar que se pueden conseguir resoluciones bastante buenas. Los espesores de capa (resolución en el eje Z) se pueden reducir hasta los 16 µm en las mejores máquinas, mientras que las piezas suelen estar listas para su uso tras eliminar los soportes empleando agua, evitando así la necesidad de procesos de post-procesado largos o costosos. El aspecto escalonado frecuente en otras tecnologías de fabricación aditiva empleando polímeros como las presentes en el “FDM” no es prevalente empleando esta tecnología. Por último, aunque las máquinas de inyección de material son unas de las más extendidas actualmente en el mercado, ofreciendo incontables modelos y fabricantes de las mismas, adecuadas a todos los poderes adquisitivos y a amplios sectores potenciales, la balanza se inclina hacia el uso para el modelado de prototipos y el uso doméstico, con algunas aplicaciones incipientes en el sector biomédico. En ningún caso por los materiales empleados se puede considerar esta tecnología, en su estado actual, como de interés para el sector aeroespacial. 98 2.4.4.2. Procesos de inyección de aglutinante. Como se pudo comprobar, el proceso de impresión mediante inyección de aglutinante es muy similar a los procesos de fusión o sinterización en lecho de polvo, compartiendo algunos de los aspectos constructivos con estas máquinas. Sin embargo, la diferencia fundamental entre ellas es que en esta tecnología, también conocida como de lecho de polvo (“Powder Bed”), “Inkjet Powder Printing” o “Inkjet Head 3D Printing”, la máquina emplea un cabezal que deposita sobre un lecho de polvo un aglutinante líquido que servirá para adherir el polvo de tal manera que se forme la geometría de cada capa de la pieza. A diferencia de las demás tecnologías de impresión, como ya se estudió durante la descripción genérica de esta tecnología, ésta permite el empleo de múltiples tipos de materiales en forma de polvo o compactados no disponibles para la mayoría de las otras tecnologías, que suelen verse limitadas a un solo tipo de material (polímeros, metales, etc.). Al igual que en el caso de las tecnologías de sinterizado selectivo por láser (“SLS”), las máquinas de impresión mediante inyección de aglutinante permiten el empleo y construcción de piezas empleando materiales poliméricos, cerámicos y metálicos, aunque no consiguen propiedades aceptables empleando cerámicos o metales sin varios procesos intensivos de post-procesado, por lo que el empleo de éstos materiales con esta tecnología suele estar menos extendido. La Figura 2-67 muestra dos máquinas de impresión mediante inyección de aglutinante, mientras que la Figura 2-68 muestra detalladamente el proceso. Figura 2-67: máquinas de impresión mediante inyección de aglutinante. 99 Figura 2-68: ilustración detallada del proceso de impresión mediante inyección de aglutinante. En cuanto al uso de termoplásticos, esta tecnología presenta la ventaja de ser más fácil de usar, asequible y rápida que la tecnología de sinterizado selectivo por láser (“SLS”) empleando el mismo material, aunque la calidad de las piezas se puede considerar inferior a ésta y, por lo tanto, no de interés para el objetivo principal del Proyecto en cuanto a polímeros. Sin embargo, existen empresas especializadas que en vez de comercializar las máquinas de esta tecnología directamente, ofrecen sus servicios de construcción y post-procesado a otras empresas para así asumir y realizar las complicadas operaciones de post-procesado que se requieren para los materiales más trabajosos (metales y cerámicas), en los cuales se centrará el estudio de esta tecnología a continuación para determinar su posible utilidad. En cuanto a materiales metálicos, según [130], el polvo se aglutina mediante el adhesivo líquido que la máquina emplea al igual que al fabricar una pieza de cualquier otro material. Una vez secado y el primer proceso en el interior de la máquina se ha completado, se obtiene una pieza unida pero con unas propiedades mecánicas muy pobres ya que el polvo metálico se encuentra unido débilmente mediante dicho adhesivo. A su vez, el interior de la pieza presenta un alto grado de porosidad, mucho más alto que el encontrado en otros procesos similares como son los de fusión (o sinterización) en lecho de polvo. Para paliar esto, se emplean dos procesos posteriores que pueden llevar hasta un día o dos de duración. El primero consiste en introducir la pieza metálica en un horno que se ajusta a una temperatura para fomentar la sinterización entre las piezas metálicas, evaporando y eliminando a su vez el adhesivo que mantenía a la pieza unida. Con esto se consigue una pieza con una porosidad en torno al 60% en volumen. El segundo y último paso consiste en disminuir dicha porosidad de la pieza mediante el proceso térmico conocido como infiltración. Normalmente se emplea bronce como material infiltrado que, una vez introducido en un horno junto con la pieza, ocupa el lugar de la mayoría de los poros, reduciendo su porosidad de manera considerable. Sin embargo, las propiedades mecánicas nunca serán comparables a las de piezas metálicas completamente densas que se pueden obtener mediante otras tecnologías de fabricación aditiva estudiadas. Para materiales cerámicos, incluyendo vidrios y arenas para su uso como moldes en procesos de fundición, se sigue el mismo proceso que en el caso de los metales, salvo la infiltración. 100 Empresas como “ExOne” [130] ofrecen servicios integrales de fabricación y de dichos postprocesados a sus clientes, facilitando así a empresas la fabricación de piezas mediante esta tecnología. A continuación se muestran algunos ejemplos de piezas fabricadas mediante esta tecnología, Figura 2-69. Figura 2-69: muestrario de piezas fabricadas mediante metales y cerámicas mediante la tecnología de inyección de aglutinante. Algunas características de interés sobre esta tecnología se pueden encontrar en [131], entre los que cabe destacar las dimensiones máximas de las piezas, en torno a los 0,78 x 0,40 x 0,40 m3 y, en especial, velocidades de impresión máximas de hasta 12.000 cm3/h (200 cm3/min) para los modelos con 100 inyectores en un mismo cabezal, siendo ésta la mayor velocidad de construcción de cualquiera de las tecnologías estudiadas. Obviamente, este valor tan elevado es para un modelo de máquina en concreto, y a éste hay que añadirle los tiempos adicionales de post-procesado necesarios, especialmente longevos en esta tecnología, para obtener piezas con propiedades aceptables. Sin embargo, [132] muestra que existen máquinas de escalas mayores para fabricar objetos del tamaño de habitaciones, requiriendo bastante trabajo manual para retirar el polvo sobrante e introducirlo en primer lugar. Al igual que en otros procesos similares que emplean un lecho de polvo, no son necesarios estructuras de soporte para mantener la integridad estructural de la pieza durante el proceso de construcción en el interior de la máquina. En conclusión, a pesar de poder disponer de un amplio abanico de materiales para su uso empleando esta tecnología de fabricación aditiva, tras el estudio realizado se ha determinado que por razones de no cumplir los requisitos técnicos para fabricar piezas que cumplan los estándares mínimos para el sector aeroespacial esta tecnología no puede ser considerada como “de interés”. 101 2.5. Consideraciones finales de AM. Para finalizar este capítulo de introducción teórica, se ha estimado conveniente presentar unas consideraciones finales sobre esta tecnología antes de pasar a los siguientes capítulos. En concreto, se pretende resumir y presentar de una manera clara y directa los resultados del estudio que se ha llevado a cabo en este capítulo en cuanto al objetivo principal de este Proyecto. Es decir, qué tecnologías de fabricación aditiva pueden ser consideradas “de interés”, según criterios técnicos, para el sector aeroespacial, y una breve comparación entre ellas. Sin embargo, también caben unas reflexiones generales sobre las tecnologías de fabricación aditiva desde el punto de vista de los materiales de interés para el sector aeroespacial. 2.5.1. Consideraciones de materiales en AM. El problema de los cerámicos. En este apartado se pretende reflexionar, según lo estudiado, sobre los materiales disponibles actualmente para las tecnologías de fabricación aditiva y su relación con los materiales empleados en el sector aeroespacial, poniendo especial énfasis en el problema que presenta no disponer en la misma medida de tecnologías de fabricación aditiva que puedan emplear, como lo hacen con otros, materiales cerámicos. Tradicionalmente, se considera que los materiales que se emplean en el sector suelen estar bien diferenciados en los tres grupos tradicionales: polímeros, cerámicas y metales. Sin embargo, el sector aeroespacial es uno de los que se encuentran a la vanguardia de la ingeniería de materiales y sus continuas necesidades límites suelen ser uno de los mayores impulsos para el continuo avance y desarrollo de nuevos materiales. Entre ellos, los materiales compuestos se consideran ya como un grupo necesario y casi “tradicional”, en especial los materiales compuestos de matriz polimérica con fibras cerámicas, como es el caso de la fibra de carbono. Sin embargo, no es raro encontrarse cada vez más con materiales compuestos de matriz metálica (materiales de matriz de titanio, como los Ti MMC, TiAl MMC; de carburos de aluminioboro o carburos de aluminio-silicio), materiales metálicos gradados (como las combinaciones de Al-Acero, Ta-Acero o Ti-Acero estudiadas en la consolidación ultrasónica) o las llamadas “superaleaciones” (como las de Ni, Co y Ni-Fe); en esencia, combinaciones de materiales metálicos que, en algunos casos, se hacen posibles gracias a la reciente llegada de las tecnologías de fabricación aditiva. De igual manera, los materiales compuestos de matriz cerámica y refuerzos metálicos (“cermets”, como las formadas empleando óxido de berilio) son cada vez más comunes cuando se estudian los componentes para altas exigencias térmicas, químicas y mecánicas para los componentes críticos de los aerorreactores, consiguiendo materiales con mayor resistencia térmica y con menor peso que con los materiales metálicos empleados actualmente. 102 Cuando se tienen en cuenta las tecnologías de fabricación aditiva estudiadas, hay una gran cantidad de ellas que se emplean para la fabricación de piezas metálicas y poliméricas, de hecho, se puede afirmar sin temor a equivocarse que la mayoría de las tecnologías empleadas actualmente en la AM fabrican piezas empleando o bien materiales metálicos o poliméricos. Sólo hay un pequeño porcentaje de tecnologías que son capaces de fabricar piezas empleando materiales compuestos y, menor aún, cerámicos. Tras un estudio más profundo, queda en evidencia que los materiales cerámicos presentan ciertas dificultades inherentes que hacen que no se hayan desarrollado aún tecnologías de fabricación aditiva que puedan emplearlos tan extendidamente como lo hacen actualmente las tecnologías disponibles con los polímeros y metales, o que puedan competir con las tecnologías de fabricación tradicionales para estos materiales. Los materiales cerámicos no se pueden extruir; tampoco es práctico fundirlos, y mucho menos empleando un láser, razón por la cual la mayoría de las tecnologías de AM estudiadas no pueden emplear materiales cerámicos como material de trabajo. De hecho, los únicos casos en los que se pueden emplear algunos materiales cerámicos son en los procesos que pueden construir las piezas a partir de la sinterización o aglutinación de polvos o compactados cerámicos, como en el “SLS” o impresión mediante inyección de aglutinante. Sin embargo, varios compuestos de matriz cerámica (“cermets”) se pueden conseguir mediante algunas tecnologías de depositado mediante energía dirigida. Sin embargo, es de interés saber que actualmente hay una gran variedad de líneas de investigación abiertas en el sector de la fabricación aditiva enfocadas especialmente a desarrollar máquinas y tecnologías que sean capaces de traer la fabricación de materiales cerámicos a la misma altura que los demás materiales empleados en la AM. De especial interés son algunas empresas que actualmente comercializan la fabricación de piezas cerámicas, empleando técnicas de fabricación aditiva en mayor o menor medida (pero como parte fundamental del proceso de fabricación), como la austriaca “Lithoz GmbH” [133] con su proceso patentado “LCM” (“Lithography-based Ceramic Manufacturing”, fabricación de cerámicos basado en la litografía). Como ya se estudió, la litografía es una tecnología de fabricación aditiva mediante la fotopolimerización; de hecho, el uso de fotopolímeros para aglutinar y unir los componentes cerámicos es un paso fundamental en este proceso de fabricación. 2.5.2. Listado de tecnologías de AM de interés. Las tecnologías de fabricación aditiva que se han considerado “de interés” para el sector, por presentar características técnicas favorables y acordes a lo esperado de piezas que actualmente se fabrican para este sector (requerimientos mecánicos, materiales y de fabricación), incluida tecnología que permite la fabricación de piezas para uso real y final en aeronaves o en prototipos funcionales, tras lo estudiado en este capítulo, son las siguientes, clasificadas según los materiales empleados: 103 Materiales termoplásticos, cerámicos y compuestos con matriz polimérica: o o Procesos de fusión en lecho de polvo: sinterización selectiva por láser (“SLS”) Procesos de extrusión: modelado por depositado de fundidos (“FDM”) Materiales metálicos (y, en algunos casos, de materiales compuestos metálicos gradados o compuestos de matriz metálica y “cermets”): o o o o o o o Procesos de fusión en lecho de polvo: sinterización directa de metales por láser (“DMLS”) Procesos de fusión en lecho de polvo: fundido selectivo por láser (“SLM”) Procesos de fusión en lecho de polvo: fundido por rayo de electrones (“EBM”) Procesos de depositado mediante energía dirigida: formado por láser de polvo (“LPF”) Procesos de depositado mediante energía dirigida: formación por fusión de iones (“IFF”) Procesos de depositado mediante energía dirigida: fabricación directa mediante haz de electrones (“EBDM”) Procesos de laminado de chapas: consolidación ultrasónica (“UC”) 2.5.3. Comparación entre las tecnologías de interés. A continuación se presenta una tabla resumen con todas las tecnologías consideradas de interés (Tabla 2-5), determinadas y estudiadas en este capítulo, donde se muestran algunas características básicas. La tabla no pretende ser un sustituto de lo estudiado en este capítulo, sino un simple resumen que se pueda consultar rápidamente para captar las ideas generales que podrán ser expandidas o profundizadas yéndose al apartado o sección correspondiente de este capítulo (consúltese el índice de contenidos). La tabla agrupa las tecnologías de la misma manera que se llevó a cabo en el apartado anterior. Se ha decidido emplear cuatro aspectos diferentes para realizar la comparación, cada uno conteniendo una cualificación relativa (muy bajo a muy alto, junto con una ayuda visual empleando un número de signos “+” de 1 a 5) a las demás tecnologías presentes en la tabla y, si procede, valores concretos numéricos o un rango de éstos para tener conceptos en términos absolutos. Dichos cuatro aspectos se detallan a continuación y se han escogido por englobar parámetros que podrían ser de interés para potenciales casos de elección de estas tecnologías según aspectos puramente técnicos. Velocidades de impresión. Este aspecto intenta englobar de forma representativa el tiempo empleado por las máquinas dentro de un mismo grupo tecnológico en fabricar una pieza. Obviamente, variará de una máquina a otra, dependiendo del material empleado y según la resolución que el usuario desee alcanzar. 104 Tamaño máximo de piezas. Al igual que el aspecto anterior, pretende englobar una figura representativa del máximo tamaño de piezas promedio de las máquinas de una misma tecnología que puede fabricar, es decir, se pretende dar un valor más o menos acorde a las máquinas en su conjunto sin escoger, por ejemplo, el de un único modelo excepcional. Calidad de la pieza. Este aspecto pretende englobar todos los factores que influyen en la calidad de la pieza final. Aquí se pretende englobar cualitativamente factores como resoluciones de las máquinas y propiedades materiales (mecánicas, térmicas, acabados superficiales, porosidad, etc.), todo ello después de llevar a cabo los post-procesados pertinentes, obteniendo así la calidad máxima. Cantidad de post-procesado necesario. Como el aspecto anterior, pretende englobar un conjunto de factores que influyen en la cantidad de trabajo adicional que hay que asignarle a cada pieza fabricada para obtener la máxima calidad posible. Aquí se incluyen tratamientos térmicos para aliviar tensiones térmicas o para obtener propiedades mecánicas más favorables, operaciones de extracción y limpieza de la pieza (que a su vez reflejan la complejidad de añadir estructuras especiales de soporte o anclaje), recubrimientos y tratamientos superficiales a la par que operaciones de reinicio de la máquina para llevar a cabo la fabricación de otra pieza, como puede ser la reintroducción del polvo sobrante y su filtrado en los procesos de fusión en lecho de polvo. A su vez, se incluyen operaciones convencionales adicionales, como pueden ser el fresado, taladrado, ensamblaje, etc. que puedan ser necesarios para obtener la pieza final. Adicionalmente, se incluye una última columna en la tabla de comentarios, donde se incluyen aspectos destacables de la tecnología en cuestión, si los hubiera. En los casos en los que no se rellena dicho campo, indica que posee propiedades o comentarios similares a las tecnologías del mismo grupo. La Tabla 2-5 se encuentra en la siguiente página. 105 Materiales Polímeros, cerámicos y compuestos de matriz polimérica Tecnología Sinterización selectiva por láser (“SLS”) Modelado por depositado de fundidos (“FDM”) Sinterización directa de metales por láser (“DMLS”) Fundido selectivo por láser (“SLM”) Metales, metales gradados, compuestos metálicos y “cermets” Fundido por rayo de electrones (“EBM”) Formado por láser de polvo (“LPF”) Formación por fusión de iones (“IFF”) Fabricación directa mediante haz de electrones (“EBDM”) Consolidación ultrasónica (“UC”) Velocidades de impresión Tamaño máximo de piezas + (Muy baja) ++ (Bajo) 5-25 cm3/h 0,7x0,48x0,48 m3 ++ (Baja) + (Muy bajo) >24 cm3/h 0,13x0,13x0,17 m3 + (Muy baja) ++ (Bajo) 7-26 cm3/h <0,7x0,48x0,48 m3 + (Muy baja) ++ (Bajo) 5-20 cm3/h 0,6x0,4x0,5 m3 ++ (Baja) + (Muy bajo) >20 cm3/h 0,35x0,35x0,38 m3 +++ (Media) +++ (Medio-alto) 160-200 cm3/h >1,2x1,2x1,6 m3 ++++ (Media-alta) +++ (Medio) >200 cm3/h 1,2x1,2x1,6 m3 +++++ (Muy alta) +++++ (Muy alto) >4000 cm3/h 2,7x1,2x1,6 m3 ++++ (Alta) ++++ (Alto) 240-492 cm3/h 1,83x1,83x0,91 m3 Calidad de la pieza Cantidad de postprocesado necesario ++++ (Alta) ++++ (Alto) ++ (Baja) + (Muy bajo) +++ (Media) ++++ (Alto) ++++ (Alta) +++++ (Muy alto) +++ (Media) ++++ (Muy alto) +++++ (Muy alta) +++ (Medio) ++++ (Alta) +++ (Medio) +++ (Media) +++ (Medio) ++++ (Alta) ++++ (Alto) Aspectos destacables Se pueden emplear materiales compuestos de matriz polimérica y se pueden fabricar, en menor medida, cerámicos, además de polímeros. Sólo se pueden emplear materiales termoplásticos. Calidad similar a las fundiciones postprocesadas con tratamientos térmicos. Mayor porosidad que “SLM”. Calidad similar a las fundiciones postprocesadas con tratamientos térmicos. Menor porosidad que “SLM”. Posibilidad de fabricar “cermets”. Posibilidad de reparación de piezas mecánicas mediante el “laser cladding”. Calidad similar a piezas forjadas. Posibilidad de crear metales gradados a medida. Operación de construcción llevada a cabo en frío. Calidad similar a piezas mecanizadas. Tabla 2-5: Comparación relativa y cuantitativa entre las tecnologías de AM de interés. 106 Como se ha podido comprobar en la Tabla 2-5, existen algunos aspectos destacables que vale la pena comentar a continuación. En primer lugar, los procesos de fusión o sinterización en lecho de polvo añaden tiempo de postprocesado en general por requerir operaciones más complejas de extracción y limpieza, pues hay que retirar el polvo mediante personal cualificado (requiriendo medidas de seguridad), filtrarlo y reconducirlo hasta la máquina. Así mismo, los procesos de sinterización suelen resultar en piezas más porosas y menos densas que las conseguidas mediante la fusión, por lo que se requerirán procesos de post-procesado adicionales para paliar esto, aunque sus propiedades mecánicas serán similares a piezas de fundición. Es por esta razón que para procesos de “PBF” para metales, las piezas sinterizadas poseen menor calidad relativa a las obtenidas mediante la fusión en el mismo grupo tecnológico. Sin embargo, al requerir los procesos de fusión en lecho de polvo (como el “SLM” y “EBM”) complejas estructuras de soporte del mismo material que la pieza, al final resultan requerir más tiempo y complejidad de post-procesado que las sinterizadas. En cuanto a piezas obtenidas mediante tecnologías de depositado mediante energía dirigida, su calidad relativa en general se asemeja a la de las piezas forjadas. En comparación, los tiempos de post-procesado son mucho menores que las de lecho de polvo pues las operaciones de extracción y limpieza no suponen costosos tiempos adicionales al tener que retirar material, filtrarlo, etc. Aunque en algunos casos las estructuras de soporte son necesarias, no suelen ser tan complejas como las empleadas en el caso de las máquinas de lecho de polvo. Para la tecnología “FDM”, ésta parece estar en desventaja; pero sólo se ha de comparar con el “SLS” para fabricar termoplásticos. Aunque de menor calidad, suelen tardar menos y sus tiempos de post-procesado son mucho menores. Obviamente, esto es relativo – el hecho de que esté en la tabla indica que es apto para aplicaciones aeroespaciales. Por último, los tiempos de post-procesado de la consolidación ultrasónica son tan altos pues se ha incluido el tiempo adicional que la máquina emplea en usar el fresado y otras técnicas de mecanizado durante la construcción para dar forma a la geometría de la pieza. Sin embargo, ésta posee características mecánicas mejores que las demás tecnologías en metales, parecidas a las de las piezas mecanizadas convencionales. Obviamente, hay que tener en cuenta los aspectos noveles de cada tecnología: reparación mediante “laser cladding” para las tecnología de depositado mediante energía dirigida así como la construcción de “cermets” y otros materiales metálicos a medida. La consolidación ultrasónica permite unir metales distintos en un proceso en frío mediante la soldadura ultrasónica, creando así metales gradados y también a medida. Aunque las velocidades de construcción para las tecnologías de lecho de polvo sean mucho menores que las demás, permiten la fabricación simultánea de varias piezas y el escaso uso de soportes (para los procesos de sinterización). En esencia, no existe una sola tecnología que sea superior a las demás para un material dado. Hay que considerar las ventajas e inconvenientes de cada una y, posteriormente, unir a estos criterios otros factores económicos y de disponibilidad que serán estudiados en el siguiente capítulo; según las necesidades propias se elegirá una tecnología u otra para una aplicación dada. 107 108 3. Estado del arte. 3.1. Introducción. Establecidos los fundamentos teóricos necesarios para abordar sobradamente el estudio de las tecnologías de fabricación aditiva más comunes disponibles en la actualidad en el capítulo anterior, este capítulo se centrará en presentar las tecnologías estudiadas enmarcadas dentro del contexto del mercado, empresas e industria actual. Todo esto con el fin de poder llevar a cabo un estudio más profundo sobre su aplicación en el sector aeroespacial que se llevará a cabo en los capítulos posteriores. Sin embargo, anteriormente a dicha presentación, se ha estimado oportuno presentar una breve reseña histórica sobre el desarrollo comercial de las tecnologías de fabricación aditiva o impresión 3D durante las últimas décadas para resaltar el estado actual de la tecnología en su conjunto, dando una visión necesaria sobre su evolución y el ritmo al cual avanza. Este capítulo estará dividido principalmente en dos partes, aparte de la mencionada mención histórica: un estudio sobre las empresas dedicadas a facilitar el servicio de la impresión 3D y su tipología y un estudio de mercado a nivel de modelos concretos. Las tecnologías se estudiarán según los grupos que se determinaron en el capítulo anterior según el interés que tienen, desde el punto de vista técnico, para los objetivos de este Proyecto. Es decir, se indagará más en aquellas tecnologías consideradas de interés para determinar si, en otros aspectos como los económicos, disponibilidad de empresas y material, etc., pueden seguir considerándose como tales. Las demás tecnologías tendrán una mención menor y no se profundizará tanto en éstas como en las de interés ya que la viabilidad técnica es una condición necesaria para que una tecnología sea considerada de posible interés para el sector aeroespacial. En vez de entrar a nivel de modelos disponibles, se hará mención de las principales empresas fabricantes y cualquier dato reseñable del mercado en general. 3.2. Evolución histórica de las tecnologías de fabricación aditiva. Para agilizar y simplificar este apartado de breve mención histórica de la evolución de las tecnologías de impresión 3D, se dividirá en apartados correspondientes a cada década y dentro de ellos se escribirá un breve resumen y línea temporal de los grandes hitos de la época con 109 respecto a la tecnología estudiada. Las referencias empleadas se pueden encontrar en [134], [135], y [136], mientras que una información mucho más detallada sobre la historia de la fabricación aditiva se puede hallar en [137], que también se ha usado como referencia para este apartado. 3.2.1. Década de 1980. Aunque se puede considerar que desde la década de 1960 se lleva trabajando, investigando y desarrollando la tecnología que más tarde se conocería como de fabricación aditiva, no es hasta mediados de la década de 1980 cuando su historia realmente comienza con la introducción y comercialización de la primera tecnología y la creación de la primera empresa fabricante de máquinas de impresión 3D10. Esta década se caracteriza por el auge y surgimiento del término “prototipado rápido” en EE.UU y Japón y se empieza a hacer hueco en la industria el concepto del uso de esta tecnología para la creación de prototipos o modelos. Sin embargo, las limitadas opciones disponibles en cuanto a variedad de tecnologías y la pobre selección de materiales hacen que las aplicaciones para la fabricación final de piezas sea aún una idea remota. Los grandes hitos de esta década se detallan a continuación. 1983: El estadounidense Charles Hull inventa la tecnología y proceso de fotopolimerización conocido como estereolitografía (“SLA”), dirigido a la creación de prototipos. 1986: Hull funda la empresa “3D Systems” en Estados Unidos y se inventa el formato de archivo .STL por parte de esta empresa. 1987: “3D Systems” lanza su primera máquina comercial de “SLA”, la “SLA-1”, la primera máquina de fabricación aditiva que se hace disponible en el mercado. 1988-89: Se desarrollan varios materiales para las máquinas de “SLA” disponibles. Así mismo, en Japón se lleva a cabo la comercialización de máquinas basadas en la estereolitografía por varias empresas. La Figura 3-1 muestra la primera máquina de “SLA” así como algunos de las piezas creadas con ella. 10 Se recuerda que el término impresión 3D se usará como sinónimo de fabricación aditiva de manera indistinta a partir de ahora. 110 Figura 3-1: primera máquina de AM de la historia, así como algunos de las piezas creadas con ella. 1983. 3.2.2. Década de 1990. El principio de esta década vio el surgimiento de nuevas tecnologías de fabricación aditiva diferentes a las de fotopolimerización, tales como la sinterización en lecho de polvo (“SLS”), los procesos de extrusión (“FDM”), procesos de laminación (“LOM”) al igual que los dos procesos de impresión. Las empresas de desarrollo y de comercialización de máquinas de AM se extendieron por el continente europeo y asiático, aunque mantuvieron su impulso en EE. UU. y Japón. Las tecnologías ya existentes así como las nuevas siguieron desarrollándose y diversificándose, mientras que algunas tecnologías surgieron pero pronto desaparecían por la introducción de procesos más eficientes. La segunda mitad de la década vería la introducción de máquinas de bajo coste enfocadas a las pequeñas empresas y uso doméstico, aunque aún eran poco asequibles para la sociedad en general. Durante esta década se empezó a vislumbrar el posible uso de estas tecnologías para usos no solo de fabricación de prototipos, sino para piezas de producción finales. Sin embargo, los materiales empleados por las distintas máquinas se limitaron a polímeros y papel con algunos intentos en cerámicos; el auge de las tecnologías de AM de metales propiamente dicha tendrían que esperar a la nueva generación de máquinas que aparecerían una década más tarde, aunque a finales de la década surgieron algunas empresas que empezarían a emplear metales en sus máquinas AM. Los grandes hitos de esta década se detallan a continuación. 111 1990: Surge la primera empresa de fabricación aditiva en Europa. La alemana “Electro Optical Systems” (“EOS”) comercializa su primera máquina de estereolitografía, “Stereos”. 1991: Se comercializan tres tecnologías de fabricación aditiva no basadas en “SLA” por primera vez. La empresa estadounidense “Stratasys” introdujo la primera máquina de “FDM”; la israelí “Cubital” introdujo una máquina basada en una tecnología obsoleta que empleaba luz UV y material en forma de polvo en un proceso similar a la impresión láser común; la estadounidense “Helisys” introdujo la primera máquina de “LOM”. 1992: Se comercializa la primera máquina de “SLS” por la empresa “DTM”. Nace el proceso de sinterización en lecho de polvo. 1993: Se introducen por varias empresas e instituciones por separado máquinas basadas en tecnologías que darían auge a los llamados procesos de impresión, tanto de inyección de material como de aglutinante. Por primera vez, se emplea polvo cerámico para la creación de piezas por esta última para uso como molde en procesos de fundición convencionales. 1994-95: Sigue el desarrollo de los sistemas basados en impresión con inyección de material, varias empresas introducen máquinas que depositan materiales tipo cera. Empresas de Europa y Asia hacen eco de los nuevos avances estadounidenses y nipones surgiendo diversidad de máquinas basadas en las nuevas tecnologías al igual que empresas. De especial interés es la máquina basada en sinterización por láser de la alemana “EOS”. 1996: Se comercializan las primeras máquinas de AM con precios por debajo de los $10.000 (USD) por parte de varias empresas, empleando tecnologías “LOM”, “FDM” y de impresión con inyección de material. 1997: Una subsidiaria de la estadounidense “MTS Systems Corp.”, “AeroMet” desarrolló una tecnología de sinterización en lecho de polvo empleando polvos de titanio para fabricar piezas metálicas. Fue la primera empresa que ofreció servicios de fabricación aditiva que se emplearían por empresas del sector aeroespacial. Sin embargo, no comercializaron sus máquinas, sino que se limitaron a ofrecer sus servicios a empresas interesadas; la empresa cerró unos años más tarde. 1998: Aparece la tecnología “LENS” que emplearía metales en polvo, el primer proceso de depositado mediante energía dirigida (“DED”) introducido por la empresa estadounidense “Optomec”. 1999: Surgen otras empresas que comercializan máquinas que emplean metales, llegándose a comercializar la primera máquina de “SLM” en Alemania. Se comercializa la máquina más cara hasta la fecha basada en polímeros, la “SLA 7000” por “3D Systems” con un precio de $800.000 (USD). 112 La Figura 3-2 muestra un sistema de engranajes fabricados mediante máquinas que surgieron durante esta década. Al fabricarse de manera aditiva, no existen debilidades en ellos que existirían si se hubiesen fabricado mediante tecnologías de fabricación convencionales, simbolizando el potencial y las ventajas de esta tecnología. Figura 3-2: sistema complejo de engranajes fabricado mediante las tecnologías AM de la década de los 90. 3.2.3. Década de 2000. Esta década vería la introducción de una nueva generación de máquinas de fabricación aditiva que darían lugar, en especial, al desarrollo y al empleo de los metales en este ámbito tecnológico de manera generalizada. Fue realmente durante esta década cuando, gracias al impulso e inercia creados durante los 90, se alcanzaron los objetivos del sector de que la fabricación aditiva en su conjunto se viera en la industria no solo como una tecnología con aplicaciones en la creación de prototipos, sino con aplicaciones cada vez más relevantes en la fabricación de piezas finales. Las tecnologías ya existentes siguieron su impulso de desarrollo, con más empresas basadas en la fabricación aditiva surgiendo y cada vez más industrias contratando servicios de éstas para tareas cada vez más enfocadas a la producción final de piezas. Sin embargo, sólo varios sectores industriales especializados hicieron el mayor uso de éstas, entre los que destacan el sector biomédico y dental, el sector de la automoción de altas exigencias y el sector aeroespacial. En torno al final de la década, el uso cada vez más extendido de métodos de fabricación aditiva empleados para la fabricación de piezas finales en varios sectores dio impulso y fuerza a los esfuerzos regularizadores de las instituciones competentes para implementar normativas y estándares, necesarios en un sector que hasta el momento se encontraba plagado con los problemas causados por la ausencia de éstos. Fue la ASTM con la creación del comité F42 a finales de la década quienes lideraron el esfuerzo, con la ISO uniéndose más tarde. Aunque en esta década la gran diversidad del mercado de las impresoras 3D intentó acercarse al público en general, no sería hasta la siguiente década cuando la sociedad comenzaría a tomar consciencia del potencial que las tecnologías de impresión 3D ofrecerían en un futuro no muy lejano. 113 Los grandes hitos de esta década se detallan a continuación. 2000: Este año vio la introducción de varias nuevas tecnologías de fabricación aditiva, entre las que destaca la técnica del “laser cladding” de las tecnologías “DED” para la reparación de piezas metálicas. Así mismo, se comercializó la primera máquina de “FDM” que emplearía ABS. 2001: La empresa “Solidica” revela datos técnicos sobre sus nuevas máquinas de consolidación ultrasónica aunque sólo para aluminio; la empresa alemana “Envisiontec” también revela su tecnología de fotopolimerización por capas “DLP”. A su vez, “EOS” introduce por primera vez un polvo metálico de acero con partículas de 20 µm así como una máquina de sinterización por láser que podría fabricar piezas metálicas con espesores de capa de 20µm. 2002: “Envisiontec” introduce sus nuevas máquinas denominadas “Bioplotter” que, empleando varios bio-materiales, se pueden emplear para la ingeniería de tejidos biológicos. Así mismo, la empresa “POM” comercializa sus primeras máquinas de “DED” de tres ejes para la creación de piezas metálicas completamente densas tras dos años ofreciendo sus servicios. 2003-04: Entre los eventos más destacados de este año están la introducción por parte de varias empresas alemanas de nuevas máquinas de sinterización y fusión en lecho de polvo de materiales metálicos, mejorando sus aspectos tecnológicos como el uso de nuevas tecnologías láser y de fibra óptica o la introducción de una máquina de cinco ejes. 2005: La empresa “AeroMet” cesa su actividad alegando que la fabricación de piezas de titanio para el sector aeronáutico no es un modelo de negocios rentable. 2006: “EOS” introduce polvos de acero inoxidable y aleaciones de cobalto-cromo para sus máquinas de lecho de polvo, al igual que nuevas máquinas de sinterización, mientras que se introduce la tecnología de fundido por haz de electrones (“EBM”) en Estados Unidos. Japón y Suecia comercializan nuevas máquinas de sinterización por primera vez. 2007: Se desarrollan una multitud de nuevos materiales poliméricos y fotopoliméricos con propiedades de alta resistencia y altas propiedades mecánicas por los fabricantes de impresoras que emplean estos materiales. “Concept Laser” introduce sus máquinas “M2 Cusing System” que emplearían aleaciones de aluminio y titanio. Por primera vez se introduce una máquina de impresión 3D en el mercado en la que 32 de sus piezas han sido fabricadas con una tecnología de fabricación aditiva, en concreto con “FDM” por la empresa “Stratasys”. A su vez se introduce la primera máquina comercial basada en la tecnología de impresión con inyección de material que emplea dos materiales simultáneamente, dando lugar a la posibilidad de crear materiales compuestos gradados por la empresa “Objet Geometries”. 114 2008: “Stratasys” desvela un material tipo ABS biocompatible; varias empresas europeas introducen nuevas aleaciones de titanio y aluminio para su uso en nuevas máquinas de sinterización, fusión en lecho de polvo y “DED”. Siguen los avances tecnológicos en las demás tecnologías, aumentando sus capacidades de impresión y en el diseño de nuevos materiales únicos para su uso en ellas. Entre ellos, destaca la adaptación del material polimérico “ULTEM 9085” para máquinas “FDM”, usado para los interiores de las aeronaves debido a sus bajas emisiones de humo y resistencia al fuego. 2009: 70 expertos del sector de la fabricación aditiva de todo el mundo se reúnen en Filadelfia, Pensilvania en la sede central de ASTM International para establecer y crear el Comité F42 sobre las tecnologías de fabricación aditiva. Comienza la labor estandarizadora y normativa en cuanto a ensayos, procesos, materiales, diseño (incluyendo formatos de archivo) y terminología del sector. Se comercializan las primeras máquinas de bajo coste replicantes del “Proyecto RepRap”, una iniciativa inglesa universitaria (University of Bath), que comenzó en 2005, de fuente abierta (“open source”). Usan tecnología “FDM” para que la propia máquina elemental fabrique las piezas para sí misma o para crear nuevas máquinas; se pretende que todos los diseños fabricadas con ellas no estén sujetas a derechos de autor, patentes o “copyrights”. EOS introduce a finales de año superaleaciones de níquel (“Inconel”) y nuevas aleaciones de aluminio para sus máquinas de sinterización y fusión en lecho de polvo. 3.2.4. Década de 2010 hasta la actualidad. Es sólo a partir de 2010 hasta nuestros días cuando realmente la fabricación aditiva o impresión 3D ha empezado a calar de manera profunda en la sociedad en general, y, en especial, se ha terminado de extender su idea de viabilidad potencial por prácticamente toda la industria. Se prevé que las próximas décadas traigan consigo un cambio del modelo productivo mundial impulsado por la generalización y uso de las máquinas de impresión 3D a gran escala; no se trata de una especulación, sino de una certeza – según los analistas y expertos económicos e industriales. Durante lo que se lleva de esta década se han empezado a fabricar los primeros grandes productos completos empleando máquinas de fabricación aditiva para todas las etapas de la fabricación, tales como automóviles, aeronaves y exoesqueletos. Casi todos los sectores industriales e instituciones académicas relacionadas con ellos han empezado a estudiar la viabilidad de incorporar las técnicas de fabricación aditiva de alguna manera u otra en la fabricación de sus productos, mientras que otros ya han empezado a adaptarla en mayor o menor medida – la realización de este Proyecto se incluye en este ámbito. Sectores que antes de principios de esta década ya habían empezado a emplear técnicas de impresión 3D en su sector han seguido en la misma tendencia, estudiando e incorporando cada vez más dichas tecnologías en los ciclos productivos de sus productos. 115 Cabe destacar los siguientes acontecimientos recientes de gran importancia. 2010: Se desvela “Urbee”, el primer automóvil de la historia cuyo chasis exterior (incluidas las lunas) en su totalidad ha sido creado empleando componentes creados mediante impresoras 3D usando ABS (Figura 3-3). Así mismo, a finales de año se crean los primeros vasos sanguíneos mediante fabricación aditiva empleando biomateriales por “Organovo”, una empresa de medicina regenerativa. De especial relevancia para el sector aeroespacial resulta el hecho de que una empresa norteamericana, “Optomec”, reciba un contrato por parte de la Marina estadounidense para seguir desarrollando y empleando el sistema “LENS” para la reparación de los motores de aeronaves (“laser cladding”, subtecnologías de “DED”). Figura 3-3: “Urbee”, el primer coche de la historia cuyo chasis exterior ha sido fabricado empleando AM. 2011: Ingenieros de la Universidad de Southampton del Reino Unido diseñan y finalizan el proyecto “SULSA” (“Southampton University Laser Sintered Aircraft”), donde se crea la primera aeronave de la historia fabricada en su totalidad mediante las tecnologías de fabricación aditiva (Figura 3-4 y 3-5). Se trata de un UAV fabricado mediante nailon con una máquina de “SLS” (proceso de sinterización en lecho de polvo). La totalidad de su estructura –ala, superficies de control y compuertas de acceso– se puede ensamblar sin la necesidad de emplear herramientas. A su vez, se emplea chocolate por primera vez con éxito en una máquina de impresión 3D para crear productos culinarios, empleando procesos de extrusión. Figura 3-4: UAV “SULSA”, primera aeronave fabricada mediante AM. 116 Figura 3-5: estructura interna de “SULSA”, fabricada mediante polivinilo empleando “SLS”. 2012: “GE” adquiere la empresa de fabricación aditiva “Morris Technology” y desvela su programa “LEAP” (Figura 3-6). El gigante de los aerorreactores propone la fabricación en masa de piezas de aerorreactores mediante el empleo de tecnologías de fabricación aditiva para el año 2016. Se llevan a cabo los primeros concursos donde se consigue rediseñar e imprimir una pieza en concreto de una aerorreactor manteniendo sus propiedades pero reduciendo su peso en un 80%. Figura 3-6: aerorreactor del programa “LEAP” de “GE”, que para el año 2016 prevé incluir en él hasta 19 componentes creados mediante “EBM” y otras técnicas AM. 2013: La empresa espacial “SpaceX” desvela sus planes de emplear tecnologías de realidad virtual e impresoras 3D de metales de alta gama para fabricar piezas para su próxima generación de cohetes “Merlin”. 2014: La empresa “3D Systems” en colaboración con “EksoBionics” desarrolla el primer exoesqueleto robótico fabricado mediante tecnologías de impresión 3D (Figura 3-7), 117 permitiendo a personas parapléjicas volver a caminar. Esto permitirá la fabricación de exoesqueletos personalizados según el cuerpo de cada persona. Figura 3-7: primer exoesqueleto fabricado mediante tecnologías de AM, permitiéndole andar de nuevo a Amanda Boxtel, parapléjica durante años a causa de un accidente. Se prevén innumerables avances en el campo de la fabricación aditiva en los siguientes años y, en especial, durante las siguientes décadas. Durante sus tres décadas de vida, se ha visto a esta tecnología avanzar a un paso incomparable con el de otras tecnologías de fabricación, que tardaron siglos en surgir y seguir desarrollándose. Aún está por ver cuál será el impacto exacto sobre la industria y la sociedad, pero la inercia que esta tecnología ha reunido durante sus años de vida hace parecer casi imposible que sea relegada a un segundo plano o que pase a la historia sin ser el siguiente paso adelante significativo de la Revolución Industrial. 3.3. Estado actual del mercado de la AM. Antes de comenzar con el estudio de las empresas y modelos de máquinas de relevancia actuales, cabe realizar un breve estudio sobre el mercado de la impresión 3D actual. El objetivo de éste es familiarizar al lector con las principales empresas actuales, sus trayectorias, y los sectores a los que se dedican, con especial énfasis a las empresas fabricantes de tecnologías que se han denominado “de interés”. Así mismo, se pretende ofrecer una visión sobre el mercado en su conjunto, describiendo los tipos de empresa, los servicios ofrecidos por cada así como una discusión sobre el panorama actual y futuro. 3.3.1. Breve descripción de las principales empresas fabricantes actuales. Antes de comenzar a investigar las máquinas disponibles de cada grupo tecnológico de interés, se ha estimado oportuno hacer una breve mención de las principales empresas del sector, ya 118 que la mayoría fabrican modelos de varios grupos tecnológicos. Estas empresas representan el grueso del mercado actual en cuanto a fabricantes de máquinas de tecnologías que se han estimado “de interés” y en su estudio se incluirán referencias a su trayectoria de mercado así como detalles para consultar más información sobre ellas, por lo que se ruega consultar este apartado para profundizar en el conocimiento de éstas. El orden en el que se presentan las empresas en este apartado no tiene nada que ver con su relativa importancia, tamaño en el sector o cualquier otro factor inferido. 3.3.1.1. “3D Systems”. Figura 3-8: actual logotipo de la empresa “3D Systems”. Actualmente, “3D Systems Corporation” [138] o “3DS” es una de las mayores empresas a nivel mundial del sector de la fabricación aditiva. No sólo fue la primera empresa de esta índole en surgir, sino que ha ido maniobrando exitosamente en el tejido empresarial hasta el momento, haciéndose con la compra de diversidad de empresas prometedoras y exitosas del sector de la impresión 3D en Norteamérica y en el resto del mundo. Usualmente se ha hecho con aquéllas que han logrado inventar alguna nueva tecnología o contribuir con la introducción de nuevos materiales para uso en las máquinas ya existentes de impresión 3D – de tal manera que actualmente ofrece un amplio rango de modelos de máquinas que abarcan gran parte del espectro de las tecnologías disponibles de AM, así como materiales para ellas, entre otros servicios. A pesar de que en la actualidad la empresa presume de la invención de muchas tecnologías de impresión 3D, lo cierto es que sus únicas grandes contribuciones para el sector fueron la invención de la técnica de “SLA” y la invención del formato de archivo “.STL”, que hasta que la ASTM introdujo su nuevo formato “.AMF” hace pocos años, fue un estándar de facto en la industria. Las demás invenciones de las que alardea fueron inventadas e introducidas por otras empresas que ha ido adquiriendo y colocándoles su nombre a lo largo de los años. Por ejemplo, actualmente “3D Systems” se atribuye las invenciones e introducción de las tecnologías –entre otras– de “SLS” y de impresión mediante inyección de material y aglutinante, aunque éstas fueron inventadas y/o comercializadas en primera instancia por las empresas “DTM” (adquirida en el 2001) y “Z Corporation” (adquirida en 2012), respectivamente. La política de “3D Systems” es la de intentar adquirir todas las tecnologías de impresión 3D posibles y ampararlas bajo el mismo nombre. Como se reseñó en el apartado de la historia de las tecnologías de impresión 3D, la estadounidense “3D Systems” fue la primera empresa fundada específicamente para la fabricación de máquinas de AM en 1986. Con su primera sede en Valencia, California, su co119 fundador e inventor de la tecnología “SLA”, Chuck Hull, empezó a ofrecer servicios y a comercializar máquinas de “SLA” dirigidas a abaratar el coste y tiempo requeridos para la fabricación de prototipos, que, según [139], vieron sus primeros grandes clientes en el sector automovilístico norteamericano. Llevó considerables años y esfuerzos de desarrollo y diseño para aumentar la eficiencia y sobrellevar los problemas de las primeras máquinas conceptuales de “SLA”, y no fue hasta 1989 cuando se llegó a comercializar el primer modelo. Durante los 90, sus grandes hitos fueron la compra de la empresa “DTM”, que le permitiría ofrecer máquinas de sinterización en lecho de polvo, su salida a bolsa en 1993 y la adopción de láseres de estado sólido en 1996, que les permitiría reformular los materiales que empleaban hasta la fecha. El nuevo milenio trajo consigo una nueva dirección y el establecimiento de una nueva sede central en Rock Hill, South Carolina; a partir de la segunda mitad de la primera década, experimentó una compra desenfrenada de multitud de pequeñas empresas de tecnologías de impresión 3D y materiales, que se acentuó a partir del 2010. De hecho, el 2011 vio la compra de 16 empresas por parte de “3D Systems”; su adquisición notable más reciente ha sido la de la empresa belga “LayerWise”, dedicada a máquinas de impresión para metales, en Septiembre de 2014 [140]. Actualmente, emplea a más de un millar de personas y posee 25 oficinas repartidas por todo el mundo, de las que destacan China, Corea del Sur y Japón en la región asiática y Francia, Alemania, Suiza, Italia y Reino Unido en Europa. El modelo de la empresa es el de ofrecer impresoras 3D y todos sus servicios relacionados (materiales, fabricación propia de modelos entregados por clientes) a todos los sectores posibles, desde los hogares y familias hasta las empresas más especializadas. Pretende simplificar las herramientas de diseño CAD para acercarla al común de las personas, ofreciendo software más intuitivo y simplificado. Visualizan un futuro en el que la producción se realice de forma localizada, reduciendo así la gran demanda de transporte y de inventariado que el modelo productivo actual emplea. De esta manera, la empresa ofrece actualmente sus productos divididos en tres categorías: personales (“personal”), profesionales (“professional”) y de producción (“production”). Dentro de la categoría de producción, ordena sus máquinas disponibles según su tecnología base, por lo que actualmente ofrece máquinas de: “SLA” o estereolitografía, proceso de fotopolimerización “SLS” o sinterización selectiva por láser, tecnología de “PBF” “CJP” o impresión en color por chorro (“Color-Jet Printing”), tecnología de impresión mediante inyección de aglutinante “FDM” o modelado mediante depositado de fundidos, tecnología de extrusión “MJP” o impresión por multi-chorro (“Multi-Jet Printing”), tecnología de impresión mediante inyección de material “DMS” o sinterización directa de metales (“Direct Metal Sintering”); tecnología de “PBF” 120 Para sus líneas “personales” y “profesionales”, éstas se limitan a las máquinas de “SLA”, “FDM” y las de las tecnologías de impresión. Es decir, para estos dos últimos sectores comercializa máquinas aptas para la creación de modelos o prototipos con un surtido de materiales limitado a polímeros, mientras que para su línea de “producción” reserva sus máquinas que emplean metales y polímeros de alta gama. Sin embargo, la empresa sigue un modelo de investigación y desarrollo cerrado y basado en patentes para proteger sus inventos para que no puedan ser adoptados por otras empresas. 3.3.1.2. “EOS”. Figura 3-9: logotipo actual de la empresa “EOS”. La empresa “EOS GmbH, Electro Optical Systems” [141], de origen alemán, se fundó en 1989 alentada por el éxito en Estados Unidos de “3D Systems” y de la nueva tecnología de fabricación “SLA”, viendo surgir un nuevo mercado; ha llegado a ser una de las grandes empresas del sector actualmente en Europa con presencia mundial. La empresa llegó a inventar, sin infringir las patentes de “3D Systems”, una máquina de estereolitografía independientemente que comercializó en 1990, teniendo éxito en el mercado industrial europeo ya que ofrecía una manera de reducir el costoso y longevo ciclo de la producción de prototipos considerablemente, contando con clientes tan importantes como “BMW” y “Mercedes-Benz”. Durante 1994 y 1995, “EOS” comienza a comercializar su propia línea de máquinas de sinterización por láser tanto para materiales poliméricos como metálicos, convirtiéndose así en la primera empresa mundial que comercializó ambas tecnologías (“SLA” y sinterización por láser) a la vez. Sin embargo, en el año 1997, la empresa vendió todos los derechos de sus máquinas de estereolitografía a la norteamericana “3D Systems”, dedicándose desde entonces a las máquinas de lecho de polvo exclusivamente, renunciando al futuro desarrollo y comercialización de estas máquinas de “SLA”. Desde entonces hasta la actualidad, ha seguido el desarrollo de sus máquinas de “PBF” de sinterización por láser, adoptando acuerdos de colaboración con otras empresas menores europeas del sector para llevar a cabo tareas de I+D y comercialización conjuntas. De la misma manera, ha desarrollado incansablemente materiales específicamente para el empleo en sus líneas de máquinas, destacando la introducción del titanio-6-4 para uso en procesos de sinterización –la primera empresa en el mundo que lo consiguió en 2007–, aleaciones de níquel en 2010 y oro en 2012. Para el año 2014, “EOS” ya había conseguido vender más de millar y medio de unidades de máquinas de sinterización por láser en todo el mundo. 121 Actualmente la empresa emplea a más de 540 personas en todo el mundo y posee más de 16 acuerdos de colaboración con otras empresas e instituciones del sector. A diferencia de “3D Systems”, no ha seguido una línea de adquisiciones agresivas en el sector, sólo ha adquirido durante sus 25 años de historia una pequeña cantidad de empresas menores para ampliar sus instalaciones y servicios ofrecidos. Al igual que la mayoría de las empresas del sector, no sólo ofrece la venta de máquinas de fabricación aditiva, sino el servicio integral de lo que ellos denominan “e-Manufacturing” – en base a los modelos o demandas de los clientes gestionan, fabrican la pieza u ofrecen un sistema según las necesidades particulares de cada uno. En la actualidad, “EOS” sólo ofrece modelos de máquinas de sinterización por láser de polímeros, cerámicos y metales, y sus gamas de productos están más enfocados al sector industrial en vez de a las pequeñas empresas o particulares. 3.3.1.3. “Optomec”. Figura 3-10: logotipo actual de la empresa “Optomec”. Fundada en 1997, esta empresa norteamericana [142] es notable en el sector de la fabricación aditiva por ser una de las marcas más conocidas de proveedor de máquinas dentro de las tecnologías de depositado mediante energía dirigida. Desde 1998 lleva comercializando sus máquinas y tecnología bajo el nombre comercial de “LENS” o “Laser Engineered Net Shaping”, pero pertenece al subgrupo estudiado de “LPF” o formado por láser de polvo. Aunque una empresa relativamente pequeña dentro del sector, ha sabido hacerse hueco especializándose en una tecnología en particular e invirtiendo en I+D para seguir avanzando e introduciendo mejoras en su línea tecnológica – de hecho, ha ido introduciendo nuevas generaciones de sus máquinas de “LENS” cada 3 o 4 años. Conjuntamente a sus actividades de impresión 3D, la empresa ha desarrollado otra tecnología denominada “Aerosol Jet”, que es empleada para la fabricación de componentes electrónicos y microelectrónicos. A diferencia de otras empresas del sector, “Optomec” no ofrece servicios de fabricación a sus clientes, sino que solamente ofrece la venta de sus máquinas. Por ende, sus modelos están dirigidos a clientes industriales o productores en vez de a medianas o pequeñas empresas – y mucho menos a particulares. La compañía lleva vendidas 150 máquinas en el 2012 por todo el mundo, y su línea de fabricación aditiva la enfoca a la reparación o regeneración de componentes mediante la técnica del “laser cladding” más que a la producción o fabricación de piezas, aunque también apuesta por ello. Por esta razón, sus principales clientes los ha encontrado en el sector aeronáutico, consiguiendo importantes contratos y ventas a compañías como “Boeing”, “Rolls-Royce” o a instituciones como las Fuerzas Armadas estadounidenses para uso en sus aeronaves. 122 También, a diferencia de otras empresas del sector, “Optomec” no pretende que sus máquinas de fabricación aditiva desplacen o acaben por ser el siguiente paso en la evolución de la fabricación, sino que adopta una postura más integrista. Ofrece flexibilidad a sus clientes en cuanto a la personalización de sus impresoras, con el objetivo de permitir la compatibilización e integración de sus máquinas de fabricación aditiva en entornos y procesos donde se utilizan métodos tradicionales de fabricación para que puedan coexistir. De esta manera, según la empresa, ofrece a sus clientes todas las ventajas de las tecnologías de fabricación aditiva sin renunciar a la solidez de tecnologías y metodologías ya probadas – complementándolas en vez de reemplazándolas. En cuanto a materiales, la empresa no los ofrece directamente, sino que los provee a través de terceros. Sin embargo, ofrece una amplia gama de metales, aleaciones y materiales compuestos (“cermets”) importantes de uso aeroespacial. 3.3.1.4. “Concept Laser”. Figura 3-11: logotipo actual de la empresa “ConceptLaser”. “Concept Laser GmbH” [143], empresa independiente alemana perteneciente al “Hofmann Innovation Group” [144], representa otra gran marca especializada en la fabricación de impresoras de una sola tecnología de fabricación aditiva en particular, en concreto la tecnología de lo que se ha estudiado como “SLM” o fundido selectivo por láser (tecnologías de “PBF”), aunque la empresa se refiere a esta tecnología mediante su propio nombre comercial de “LaserCUSING”11. Iniciada en el año 2000, ha llegado a adquirir renombre en el sector, llegando a vender sus sistemas y a ofrecer sus servicios no sólo en Europa, sino en el resto del mundo. “Concept Laser” ofrece una amplia gama de máquinas de fusión de metales en lecho de polvo, aunque sólo las comercializa a grandes clientes, apostando por el sector de la producción y fabricación. Según la propia empresa, sus máquinas están dirigidas a, principalmente, los sectores aeroespacial, de la automoción, dental, médico, de la joyería y de fabricación de moldes. Para ello, lidera esfuerzos de I+D constantes para seguir mejorando la tecnología de sus máquinas, entrando en importantes acuerdos de colaboración con instituciones y empresas. La empresa, con sus actuales 500 empleados, centra sus esfuerzos en las siguientes tareas dirigidas a sus clientes: 11 Según la propia empresa, la denominación procede de la combinación de las palabras “concept” (concepto) y “fusing” (fundido del material) [407]. 123 Tareas de consulta a grandes empresas para realizar estudios de comparación entre las tecnologías actuales de fabricación que emplean y la de sus máquinas de fabricación aditiva Desarrollo de software para llevar a cabo los pasos de conversión a tipo de archivo de la máquina desde los programas CAD que cada empresa emplee, llegando a desarrollar soluciones personalizadas si se presentase el caso, optimizadas para el uso en las máquinas de “Concept Laser” Venta, personalización y control de calidad de las máquinas y modelos que la empresa comercializa. Es decir, según las necesidades de cada empresa, “Concept Laser” puede llevar a cabo el desarrollo y fabricación de impresoras que se ajusten a las necesidades de cada cliente Entrenamiento de personal para el uso correcto y adecuado de los sistemas que comercializa Desarrollo y control de calidad de materiales para uso en sus máquinas de fabricación aditiva La empresa posee unas instalaciones que denomina “centro de aplicaciones” en Lichtenfels, Alemania. Allí, todos los modelos de impresoras que comercializa actualmente se encuentran en exposición para que los clientes interesados puedan visitarlas y fabricar piezas y modelos que crean oportunos para probar la tecnología con ellas. Además, el centro sirve como lugar donde realiza sus cursos de formación y entrenamiento a sus clientes y lleva a cabo labores de difusión de la tecnología mediante congresos y jornadas abiertas. Por lo tanto, “Concept Laser” es una empresa especializada en ofrecer todos los servicios y materiales necesarios para comercializar sus máquinas de fusión en lecho de polvo de metales, con un amplio rango de polvos metálicos de aplicación para el sector aeroespacial. 3.3.1.5. “Renishaw”. Figura 3-12: logotipo actual de la empresa “Renishaw”. La empresa británica “Renishaw plc” [145], a diferencia de las demás empresas estudiadas hasta el momento, no fue fundada para, ni se dedica principalmente, a la fabricación aditiva. La empresa comenzó sus operaciones en 1973 para dedicarse en general a tareas de ingeniería de la medición, sensores, espectroscopia y mecanizado de precisión. No fue hasta abril del 2011 cuando, con la adquisición de “MTT Technologies Ltd.” (rama británica de la alemana “MTT Technologies GmbH”, renombrada y actualmente conocida como “SLM Solutions GmbH”) por parte de “Renishaw”, que dicha empresa se adentra en el sector de la impresión 3D. Heredando 124 los sistemas de “MTT”, sus únicos dos modelos hasta la fecha pertenecen a las tecnologías de fusión de metales en lecho de polvo12. Actualmente sólo comercializan un único modelo, habiendo catalogado y cesado la producción de su otra alternativa. Sin embargo, debido a los recursos y experiencia de la compañía en otros sectores de la ingeniería, han introducido tecnologías propias en sus modelos que han servido para mejorarlos y contribuir a la buena imagen de solidez y robustez que sus máquinas han adquirido en el sector. Desde que adquirió “MTT”, “Renishaw” comenzó a realizar tareas de I+D propias referentes a la tecnología de fusión de metales en lecho de polvo. De esta manera, el 25 de noviembre de 2014 anunció la inminente comercialización de su nuevo modelo de impresora 3D de esta tecnología [146], bajo el nombre de “EVO Project”. Según la propia empresa, la nueva máquina estará orientada a la producción industrial de piezas de un solo metal, con énfasis en la automatización y autonomía del proceso en cuanto al post-procesado y limpieza de la pieza (retirada del polvo restante y su reciclado). Es previsible que sea puesta en venta en la segunda mitad del 2015 o principios del 2016. 3.3.1.6. “ReaLizer”. Figura 3-13: logotipo actual de la empresa “Realizer”. La empresa alemana “ReaLizer GmbH” [147] actualmente sólo se dedica al desarrollo y fabricación de impresoras de la tecnología de fusión de metales en lecho de polvo (“SLM”). Fundada en 1990 (conocida originalmente como “F&S Company”), por los físicos Dr. Matthias Fockele y Dr. Dieter Schwarze, sus inicios los marcaron desarrollos y comercializaciones en Europa de la tecnología de fotopolimerización conocida como estereolitografía. Sin embargo, a partir de 1995 la empresa decidió dedicarse por completo al desarrollo de sistemas de fusión en lecho de polvo para metales, llegando a registrar varias patentes en 1997 y a comercializar su primera máquina en 1999, la primera en el mundo de fusión de metales en lecho de polvo. La empresa “F&S Company”, en los primeros años del nuevo milenio, entró en un acuerdo comercial con la entonces conocida como “MCP HEK GmbH” (más tarde conocida como “MTT Technology”, cuya rama alemana sería renombrada a la actual “SLM Solutions GmbH” tras la adquisión de la rama británica por “Renishaw”), que uniría a varias instituciones y empresas para el desarrollo y eventual comercialización de nuevas máquinas de fusión de metales en lecho de polvo. Sin embargo, esta unión de instituciones y empresas alemanas se disolvería unos años más tarde, razón por la cual existen varias empresas actualmente, en su mayoría alemanas, que emplean y desarrollan la tecnología de fusión en lecho de polvo para materiales metálicos. En 12 La empresa comercializa otra línea de máquinas para la fabricación de moldes que no se puede considerar como una tecnología de AM aunque la propia empresa la cataloga como tal. 125 concreto, el Dr. Dieter Schwarze se quedaría con la empresa actualmente conocida como “SLM Solutions” mientras que el Dr. Matthias Fockele fundaría la empresa objeto de este apartado, “ReaLizer” – razón por la cual ambas empresas emplean la marca registrada de “SLM” y algunos de sus modelos de máquinas son compartidos por ambas. “ReaLizer” actualmente comercializa cuatro modelos de máquinas, enfocadas a la producción de componentes finales y prototipos de alto rendimiento. Cabe destacar que ha sido una de las primeras empresas que ofrece una máquina de fusión de metales en lecho de polvo de dimensiones lo suficientemente reducidas como para poder considerarse “de escritorio”. La mayoría de sus máquinas integran sistemas automáticos de reciclado y filtrado de polvo. Así mismo, la propia empresa desarrolla y provee a sus clientes los materiales que emplean sus máquinas. 3.3.1.7. “SLM Solutions”. Figura 3-14: actual logotipo de la empresa “SLM Solutions”. “SLM Solutions GmbH” [148] como tal no surgiría hasta la venta a “Renishaw” de la rama británica de “MTT Technologies” en el año 2011. La rama alemana, de igual nombre, se convirtió en la empresa de este apartado, cambiando su designación poco después de la separación de ambas. A su vez, las dos surgieron de una rama de la empresa alemana “MCP HEK”, que comenzó a indagar en la tecnología de la fusión de metales en lecho de polvo en el año 2000, desarrollando varias generaciones de modelos de impresoras hasta el momento en el que surgió esta empresa dentro de un acuerdo comercial con otras empresas e instituciones alemanas del sector, aunque se separaría unos años más tarde. Actualmente la empresa comercializa tres modelos de impresoras de la tecnología estudiada como “SLM”, que dirige a los sectores aeroespacial, de la automoción, médico y académico con énfasis en la fabricación de prototipos o piezas para pequeñas series de producción. Así mismo, proporcionan a sus clientes todos los consumibles necesarios para la operación de sus impresoras, en especial los metales y aleaciones en polvo que emplearán. 126 3.3.1.8. “Stratasys”. Figura 3-15: logotipo actual de la empresa “Stratasys”. La otra empresa estadounidense dominante del sector, “Stratasys Ltd.” [149] se encuentra en una batalla encarnecida contra su rival, “3D Systems”, para intentar dominar su sector del mercado de la impresión 3D en su país natal y, en menor medida, en el resto del mundo. Sin embargo, a diferencia de “3DS”, “Stratasys” ha apostado por limitar el rango de las tecnologías de fabricación aditiva que ofrece a las de modelado mediante depositado de fundidos (“FDM”) y a sistemas basados en sistemas de impresión mediante inyección de material. Aunque con menores adquisiciones y menor tamaño que “3DS” (cuenta con alrededor de 500 empleados en todo el mundo), esta empresa ha sabido abrirse paso en el mercado ofreciendo máquinas de pocas tecnologías dirigidas a todos los sectores posibles, desde el sector familiar o doméstico hasta empresas productoras. Fundada en 1989 por el matrimonio Crump en Minnesota, inventores de la tecnología “FDM”, comercializó en 1992 su primera impresora basada en esta tecnología que patentaron. Durante la siguiente década y media la empresa siguió desarrollando esta tecnología, comercializando y ofreciendo nuevas máquinas, llegando a dar la fama y a extender la tecnología de “FDM” por todo el mundo, haciéndose un hueco importante en el sector – para el año 2003 las máquinas basadas en “FDM” eran las impresoras 3D más vendidas en todo el mundo. De hecho, el 2007 vio como el 44% de todos los sistemas de fabricación aditiva suministrados mundialmente pertenecieron a “Stratasys”. No fue hasta el año 2012 cuando la empresa amplió su oferta tecnológica con la adquisición de la empresa israelí “Objet Ltd.”, especializada en tecnologías de impresión mediante inyección de material. De esta manera, empezó a comercializar desde entonces una nueva serie de modelos que destacan por ofrecer la opción de imprimir modelos en color. Recientemente, “Stratasys” ha consolidado su posición dentro del sector de la fabricación aditiva al realizar la compra de las empresas estadounidenses “MakerBot” (Junio de 2013), “Solid Concepts” y “Harvest Technologies” (Julio de 2014), empresas que ofrecían servicios integrales de fabricación aditiva para clientes que deseaban fabricar piezas mediante estas tecnologías pero sin tener que adquirir impresoras. De esta manera, “Stratasys” posee no solo la producción de nuevos modelos de máquinas de “FDM” y de impresión con inyección de material, sino que a través de estas empresas ofrece servicios de fabricación a sus clientes empleando máquinas de casi todas las tecnologías de fabricación aditiva más comunes actualmente, incluyendo procesos de sinterización en lecho de polvo de metales, cerámicos y compuestos, entre otros. Junto al desarrollo de máquinas, “Stratasys” trabaja continuamente para desarrollar nuevos materiales para uso en sus impresoras, ofreciendo termoplásticos de alta gama y noveles que han llegado a emplearse y certificarse para su uso en aeronaves, como el “ULTEM 9085” [150]. 127 Entre las contribuciones recientes más notables de esta empresa al sector está la fabricación del automóvil híbrido “Urbee” junto con la empresa estadounidense de ingeniería “KOR Ecologic”. 3.3.1.9. “Solidica” y “Fabrisonic”. Figura 3-16: logotipos actuales de las empresas “Solidica” y “Fabrisonic”. La estadounidense “Fabrisonic LLC” [151], empresa filial de “Solidica” [152], es la única empresa que actualmente desarrolla, fabrica y comercializa máquinas de fabricación aditiva pertenecientes al grupo tecnológico estudiado como consolidación ultrasónica. La propia empresa se autodefine como una “empresa pequeña” enfocada a la tecnología con la agilidad y capacidad técnica suficientes como para mantener el ritmo y adaptarse a los rápidos avances en el sector de la fabricación. Fundada en el 2011 por la organización de investigación “EWI” de Ohio, Estados Unidos, actualmente la empresa posee nueve patentes que cubren todos los aspectos de lo que se ha estudiado como el proceso de fabricación aditiva mediante consolidación ultrasónica, lo que les proporciona, hasta que las patentes caduquen, control total sobre esta tecnología. Desde la fundación de la empresa, han comercializado tres modelos de máquinas que han dirigido a clientes del ámbito de la producción industrial, aunque también ofrecen servicios de fabricación de piezas entregadas por clientes. Como casi todas las empresas estudiadas, también ofrecen flexibilidad en cuanto a las máquinas que ofrecen, pudiendo estudiar la personalización de sus modelos para satisfacer las necesidades de cada cliente. 3.3.1.10. “Arcam AB”. Figura 3-17: logotipo actual de la empresa “Arcam AB”. “Arcam AB” [153], empresa sueca fundada en 1997, es la única a escala mundial que fabrica máquinas estudiadas en este Proyecto como de “EBM”, es decir, de fusión de metales en lecho de polvo mediante el empleo de haz de electrones en vez de tecnología láser. Según la propia empresa, su tecnología exclusiva se encuentra patentada y protegida a escala mundial; tiene registradas más de 25 familias de patentes y más de 50 se le han concedido en varios países. 128 Lanzó su primer modelo comercial en el 2002, y desde entonces la empresa se ha hecho hueco en el sector de la fabricación de implantes ortopédicos y aplicaciones aeroespaciales. Sin embargo, no fue hasta el 2007 que la compañía ganó notoriedad internacional tras recibir varias certificaciones y ganar un contrato de producción con una gran empresa italiana de implantes ortopédicos. Desde entonces, ha lanzado varios modelos nuevos dirigidos al sector ortopédico, en el 2009 y 2013, mientras que también ha desarrollado y comercializado máquinas para uso específico en el sector aeroespacial, lanzadas en el 2012 y 2013. La empresa desarrolla y comercializa su propia línea de materiales metálicos en polvo, muy restringida si se compara con otras empresas de fusión en lecho de polvo, pero comprensible si se tiene en cuenta sus aplicaciones. Principalmente comercializa titanios y superaleaciones de cobalto-cromo. Así mismo, ofrecen servicios posventa, de entrenamiento y de desarrollo de paquetes informáticos para el uso en sus máquinas. Actualmente, tiene presencia en Suecia, Estados Unidos, Italia, China y Reino Unido, donde se localizan algunas de sus oficinas e instalaciones. 3.3.1.11. “Sciaky Inc.”. Figura 3-18: logotipo actual de la empresa “Sciaky Inc.”. Empresa estadounidense basada en Chicago fundada en 1939, “Sciaky” [154] originalmente se dedicaba a ofrecer soluciones y desarrollo de sistemas de soldadura para la fabricación. Sin embargo, el desarrollo de la tecnología de soldadura por haz de electrones dio lugar a aplicaciones de fabricación aditiva que se han estudiado en el capítulo anterior bajo el nombre de “EBAM”. Básicamente, se trata de un sistema de fabricación aditiva de depositado mediante energía dirigida donde se emplea metal en forma de alambre que se funde y deposita empleando un haz de electrones dentro de una atmósfera protectora. Comenzaron a comercializar su único modelo hasta la fecha el 1 de Septiembre de 2014. La exclusividad de esta tecnología ha hecho que esta empresa sea beneficiaria y pionera en aplicaciones aeroespaciales – de hecho, ha conseguido multitud de contratos con empresas aeronáuticas como “Boeing”, “Lockheed Martin” e instituciones del sector como “DARPA” y las Fuerzas Aéreas estadounidenses. La empresa lleva a cabo extensas labores de I+D para continuar desarrollando y mejorando su sistema de fabricación aditiva, orientado principalmente a aplicaciones aeroespaciales – tanto hardware como software. De manera conjunta, la empresa sigue ofreciendo máquinas y sistemas de soldadura para aplicaciones más convencionales. 129 3.3.1.12. “BeAM”. Figura 3-19: logotipo actual de la empresa “BeAM”. Empresa francesa que surgió a partir de la adecuación de sistemas de “laser cladding” desarrollados por el instituto francés de I+D “IREPA LASER” [155] para la fabricación aditiva. El resultado de tres tesis doctorales, se pudo emplear los más de 15 años de experiencia de dicha institución para desarrollar la primera máquina de fabricación aditiva que emplea tecnología de depositado mediante energía dirigida, empleando sistemas láser y polvos metálicos. “BeAM” [156] comercializó su primera máquina de fabricación aditiva industrial en el año 2009, y en los pocos años hasta la actualidad se ha situado en el primer plano del empleo de esta tecnología para la fabricación y reparación de piezas a nivel europeo, en parte por ser los pioneros de esta tecnología en nuestra región. Actualmente ofrecen tres modelos de esta tecnología que ofrecen gran versatilidad y modularidad para poder ser adoptadas fácilmente en entornos industriales productivos ya existentes. Como la propia tecnología de la que proviene, las máquinas de esta empresa no sólo ofrecen aplicaciones para la fabricación de piezas nuevas, sino para la reparación y regeneración de piezas ya existentes dañadas o desgastadas. De hecho, la empresa posee una gran experiencia con la reparación de cientos de componentes de aerorreactores mediante su tecnología. Según la propia empresa, dirigen sus productos a los sectores aeroespacial, de defensa y de tecnología nuclear y médica. Desarrollan paquetes informáticos para llevar a cabo la reparación y fabricación mediante sus máquinas al igual que servicios de entrenamiento y posventa. 3.3.1.13. Otras empresas de interés. Tras la breve mención de las principales empresas fabricantes de impresoras 3D actuales de las tecnologías “de interés”, cabe también hacer mención de otras empresas que, aunque no posean el renombre o el alcance de mercado que las discutidas anteriormente, son relevantes localmente o están en auge. A su vez, se recomienda consultar encarecidamente [157], donde se encuentra un directorio más completo sobre las empresas actuales del sector de la impresión 3D así como información relevante sobre ellas. Otras empresas notables incluyen: 130 “Aspect” [158]. Empresa japonesa que fabrica impresoras de fusión en lecho de polvo “BigRep” [159]. Fabricante alemán de una impresora de extrusión con una capacidad de 1,3 m3. Se encuentran desarrollando la segunda generación de estas máquinas. “Farsoon” [160]. Empresa china que fabrica máquinas de sinterización por láser (en lecho de polvo). “InssTek” [161]. Empresa surcoreana de fabricación de impresoras de depositado mediante energía dirigida. “TPM China” [162]. Fabrica modelos de impresoras de sinterización por láser (en lecho de polvo). “Wuhan Binhu Mechanical & Electrical Co.” [163]. Empresa china fabricante de impresoras de fusión y sinterización en lecho de polvo, entre otras. 3.3.2. Discusión sobre el estado actual del mercado. Tipos adicionales de empresas. El sector de la fabricación aditiva actualmente se encuentra divido entre: Las empresas fabricantes de impresoras (que también suelen ser las que fabrican el material para ellas) Las empresas que ofrecen imprimir productos para clientes (comercialización del servicio de la impresión 3D) Empresas comercializadoras – que se dedican a vender máquinas de un gran número de fabricantes, con o sin contratos especiales de afiliación a ciertos fabricantes Empresas terceras que fabrican material para uso en una variedad de máquinas sin estar restringida a ningún fabricante o modelo Empresas de desarrollo de paquetes informáticos que se emplean para el desarrollo CAD o para realizar la conversión al formato de la máquina Así mismo, el sector se encuentra dividido en dos grandes grupos: aquellas empresas que dirigen sus servicios a grandes clientes industriales, y aquellas que lo hacen a las pequeñas empresas y a los particulares. Las empresas fabricantes de ambos grupos se encuentran en una encarnizada lucha por dominar las ventas dentro de su área de interés, usualmente agrupadas por grupos tecnológicos – bien mediante la adquisición de empresas menores que van surgiendo, bien enfocando sus esfuerzos en el desarrollo y especialización de sus productos. Dichas empresas también son las que llevan a cabo la mayor parte del I+D para continuar el avance tecnológico en el sector, aunque la mayoría siguen rigiéndose por la política de investigaciones cerradas sin comunicación ni transferencia de ideas dentro del sector y la monopolización de sus inventos mediante el registro de patentes. Sin embargo, muchas patentes o tecnologías se pueden modificar ligeramente para así evitar los problemas legales que conllevan, surgiendo así empresas a partir de una tecnología patentada por otra pero lo suficientemente diferente como para que la empresa original no pueda ganar el caso jurídico cuando reclaman. Así mismo, no es raro 131 encontrar empresas que patentan a su vez estos “inventos” que realizan modificando ligeramente otras patentes. En contraposición a esto, han surgido varios proyectos y empresas de índole más pequeña pero con la idea clara de la libre circulación de ideas para que la comunidad técnica pueda desarrollar conjuntamente las tecnologías de forma más eficiente y rápida. El proyecto “RepRap” es un ejemplo reciente de esta idea; muchísimas empresas que comercializan nuevas tecnologías y máquinas han surgido de esta iniciativa en menos de una década, aunque se suelen limitar a los sectores de la impresión a menor escala que la industrial. Por lo tanto, el mercado actual se encuentra dominado por las encarnaciones actuales de las primeras empresas de fabricación aditiva que se fundaron a finales de los 80 y principios de los 90 en Estados Unidos y Europa. Sin embargo, durante los últimos años, cuando muchas de las patentes originales han empezado a caducar, muchas empresas están empezando a surgir – sobre todo en la región asiática: en China, Corea y, en menor medida, Japón. Existen algunas empresas de la India que también están empezando a surgir, y se prevé que algunas empresas en Latinoamérica nazcan en los próximos años. Las grandes asiáticas están ya comenzando a ofrecer sistemas de alta gama que comienzan a competir a escala mundial con los modelos industriales de las principales empresas que se han estudiado aquí, por lo que no sería de sorprender que antes de que finalice la década actual se hagan hueco entre los líderes del mercado actual. Las empresas de servicios de impresión 3D ofrecen un buen compromiso y una opción viable para aquellas industrias interesadas en la fabricación de piezas mediante la fabricación aditiva pero que no les saldría rentable la adquisición de una impresora (o varias). Estas empresas se suelen especializar en uno o varios sectores, adquiriendo máquinas de uno o varios fabricantes para así intentar cubrir la demanda de las distintas tecnologías que prevén que tengan sus clientes. Sus modelos financieros y de comercialización se suelen basar en la amortización de sus máquinas mediante la venta del servicio de la impresión, por lo que sus precios se basan en calcular los gastos de electricidad, mantenimiento, mano de obra y material que emplean en la fabricación de cada pieza y así añadirle una plusvalía razonable para obtener beneficios. Como en el caso de las empresas fabricantes de impresoras, existen dos tipos de empresas de servicios de impresión, aquellas enfocadas a los grandes clientes industriales y aquellas dirigidas a las pequeñas empresas y particulares. Un servicio que suelen ofrecer la mayoría de estas empresas es un amplio sistema de asesoramiento para ayudar a sus clientes diseñar y elegir qué materiales o tecnologías de impresión se ajustan más a sus necesidades. Usualmente, estas empresas disponen de páginas de internet donde el cliente puede subir directamente los archivos CAD o de la máquina (como STL) de sus diseños que la empresa posteriormente procesará y usará para fabricar la pieza o piezas que el cliente les requiere. Tras esto, la empresa se encarga de enviar al cliente la pieza o piezas fabricadas mediante servicios de mensajería. Sin embargo, para grandes clientes, el uso de esta clase de servicios suele presentar un riesgo adicional: la revelación de secretos, como se puede apreciar en [164]. Muchas empresas prefieren comprar una impresora a contratar el servicio de impresión a terceros por miedo a que sus diseños y piezas se puedan filtrar a otras empresas, perdiendo así competitividad. 132 La competitividad entre estas empresas se basa, a igualdad de sector al que dirigen sus servicios, en el tiempo que tardan en fabricar y enviar la pieza, en la diversidad y calidad de las máquinas y tecnologías de las que disponen y en el servicio de asesoramiento que ofrecen a sus clientes, tanto existentes como potenciales. Destacar en uno o más de estos aspectos sobre las demás presta a dicha empresa la condición de poseer una mayor relevancia en el mercado y, por tanto, la posibilidad de que más clientes contraten sus servicios. Ejemplos notables de este tipo de empresas son “3D Creation Lab” [165] en Reino Unido, “Materialise OnSite” [166] en Bélgica y “FIT Production” [167] en Alemania, aunque una lista más completa se puede encontrar en [157]. Obviamente, los servicios de estas empresas no están restringidos por región, suelen ofrecer la opción de mensajería internacional para la entrega de los productos impresos a la mayor parte del mundo, aunque cuanto más lejos y remoto esté el destino, más se encarecerá el coste y tiempo de transporte, por lo que la elección de una empresa local o dentro de la misma región suele ser recomendable. A su vez, existe otro tipo de empresa que se puede incluir en esta categoría que se pueden considerar como un paso por encima de éstas. Se trata de empresas que han surgido, usualmente basadas completamente en internet, que se encargan de ofrecer el servicio de impresión 3D desde un nivel más genérico y ofrecen un servicio de un servicio. Es decir, de cara al cliente, siguen asesorando y son las empresas con las que éste tiene contacto, pero a su vez dicha empresa actúa como cliente de otras empresas de servicios de impresión 3D como las que se han descrito aquí con anterioridad. Es decir, el cliente es a su vez cliente de otra empresa a través de ésta, pero sin su involucración directa. Las ventajas de éstas suelen ser la adquisición de piezas de una manera más eficiente y libre de preocupaciones por parte del cliente original ya que la empresa contratante de primera instancia es la que se encarga de distribuir la producción entre varias empresas de su red, disponiendo de ventajas con éstas por ser un cliente a más gran escala. Sin embargo, si no son gestionadas adecuadamente, pueden encarecer los precios para el cliente final, por lo que su uso conlleva un estudio más exhaustivo. Un ejemplo notable de este tipo de empresa es “3D Hubs” [168]. Para aquellos clientes con intención de compra de un sistema de impresión 3D, pueden ir directamente a los fabricantes o hacer uso de empresas comercializadoras. Como los concesionarios genéricos de automóviles, estas empresas pretenden reunir modelos de todos los fabricantes relevantes de un grupo tecnológico para que su adquisición se facilite por parte del cliente, que en caso contrario tendría que consultar a cada empresa individualmente y esperar mientras realiza varios presupuestos simultáneamente. Desde otra perspectiva, este tipo de empresas ofrece un beneficio adicional para empresas fabricantes que quizá por su tamaño no deseen ser ellos mismos los encargados de la comercialización de sus propios equipos, por lo que contratan este servicio a estas empresas. Estas empresas no se suelen limitar a la venta de impresoras en sí, sino que comercializan paquetes de software, accesorios (como escáneres 3D), materiales y otros consumibles a la vez que ofrecen servicios de asesoramiento y de atención al cliente posventa. De hecho, incluso las empresas fabricantes de mayor importancia suelen subcontratar sus servicios de comercialización a estas empresas para ciertas regiones donde su comercialización directa 133 resultaría más costoso. Por ejemplo, la empresa “Purple Platypus” [169] se encarga de la reventa de las máquinas de “Stratasys” en la región suroeste de EE. UU. mientras que la empresa “Creatz3D” [170] comercializa las impresoras de “Stratasys” y “Arcam AB” en la región asiática desde Singapur. De nuevo, una lista más comprensiva de este tipo de empresas se puede hallar en [157]. Por último, las empresas terceras de fabricación de material aún no han despegado del todo. El sector de la fabricación aditiva se encuentra en una situación de crisis de la comercialización de material que se detallará y se irá evidenciando en los apartados y secciones restantes de este capítulo. Básicamente, las grandes empresas fabricantes monopolizan y controlan el desarrollo y comercialización de material para cada uno de sus modelos. Sin embargo, gracias al impulso de proyectos de apertura dentro del sector como el “RepRap”, se está dando auge a empresas terceras que se encargan de fabricar el material de uso en éstas. Esto lleva a una situación de mercado libre que obra a favor del cliente reduciendo los precios del material y así incrementando la utilidad y rentabilidad de las impresoras a largo plazo. Actualmente, dichas empresas fabricantes de material se limitan a la fabricación de filamentos termoplásticos para uso en la tecnología “FDM” que emplean la mayoría de las impresoras surgidas del proyecto “RepRap”. Ejemplos notables son “Fillamentum” [171], “ColorFabb” [172] y “Rigid Ink” [173]. Existen otras empresas que comercializan soluciones de software para el desarrollo CAD y posterior conversión al formato de la máquina. A su vez, la mayoría de los grandes fabricantes suelen proveer a sus máquinas de un paquete informático propio que obligan a sus clientes a usar, aunque el control sobre esto por parte de estas empresas es menor que en el caso del suministro de material, por lo que no existen demasiados problemas creados a consecuencia de ello en el sector. Un listado completo de empresas que se dedican al desarrollo de paquetes informáticos para la impresión 3D se puede encontrar en [157]. En esencia, para un cliente industrial, como sería el caso de una empresa aeroespacial interesada en adoptar alguna tecnología de fabricación aditiva, tendría que estudiar si le saldría más rentable o práctico contratar el servicio de impresión 3D para que sus piezas sean fabricadas por terceros o si deben realizar la adquisición de alguna impresora. A su vez, deben investigar si es más rentable dirigirse directamente a los fabricantes o si contratan los servicios de empresas de reventa. 3.4. Estado actual de las tecnologías de AM de interés. Según el capítulo anterior, las tecnologías que se determinaron “de interés” para el sector aeroespacial fueron las pertenecientes a los subgrupos de procesos de fusión en lecho de polvo (“PBF”), excepto la sinterización selectiva térmica (“SHS”); las de depositado mediante energía dirigida (“DED”); el proceso de modelado mediante depositado de fundidos (“FDM”) dentro de las de extrusión y el proceso de laminado denominados de consolidación ultrasónica (“UC”). En 134 este apartado, se estudiará cada grupo y subtecnología indagando en empresas fabricantes y resaltando la mayoría de los modelos disponibles, mostrando su precio actual y cualquier otro coste que estuviera disponible. Por supuesto, este apartado no pretende ser un catálogo para la compra de estas máquinas ni un presupuesto, sino un estudio sobre modelos representativos y una visión general de los precios actuales para tener una base para su estudio económico. Si se desease realizar una consulta económica más detallada más allá del ámbito académico sobre cualquiera de estas máquinas, se ruega consultar las referencias que se proporcionarán de cada fabricante. 3.4.1. Tecnologías de fusión en lecho de polvo (“PBF”). Una vez estudiadas de manera general las principales empresas fabricantes de impresoras 3D del sector, en este apartado se estudiarán los subgrupos tecnológicos relevantes de “PBF” entrando en modelos de las empresas pertinentes. Para llevar esta labor a cabo, se han agrupado las tecnologías de “SLS” y “DMLS”, ya que ambas son, en esencia, la misma tecnología de sinterización; las tecnologías que llegan a fundir el lecho de polvo selectivamente se incluyen en su propio apartado. Es decir, se han agrupado las tecnologías en dos grupos: las de sinterización por una parte, y las de fusión por otra. En cuanto al formato, cada máquina estudiada no sólo en esta sección, sino en todo el apartado referente al estudio en detalle de los modelos de las distintas tecnologías de interés, seguirá el mismo patrón o plantilla para agilizar su comprensión y consulta. Dichos estudios se incluyen en el apartado de Anexos que se irá detallando en cada apartado. 3.4.1.1. Principales fabricantes y máquinas de “SLS” y “DMLS” (sinterización). Como se ha comprobado en el apartado anterior, las principales empresas que desarrollan y comercializan máquinas de sinterización, tanto de metales como de otros materiales, se pueden agrupar básicamente por región; son dos actualmente: en Norteamérica se encuentra “3D Systems” y en Europa “EOS”. 3.4.1.1.1. Modelos de “3D Systems”. De esta empresa, se han considerado los modelos que ofertan actualmente dentro de la clasificación que la empresa denomina como “de producción” [174], ya que se ha estimado que para una aplicación aeroespacial, se han de satisfacer las más estrictas exigencias en cuanto a calidad y materiales empleados para un posible uso de fabricación final. De hecho, la empresa 135 no oferta máquinas de sinterización en lecho de polvo fuera de su línea de máquinas “de producción”. “3D Systems” clasifica sus máquinas “de producción” según las tecnologías que denominan de “Laser Sintering SLS” y “Direct Metal Printing (DMP)”, la única diferencia entre ambas siendo que la primera emplea materiales poliméricos mientras que la segunda emplea metales y cerámicos. En cuanto a precios que se muestran para cada modelo, estos valores se han de tomar como aproximaciones y nunca como su valor actual o real. Dicha información no es divulgada por la empresa ya que para la compra de cada máquina se ha de iniciar un proceso de presupuestado que sólo se realiza con empresas o instituciones interesadas, debido a sus altos precios. Sin embargo, la información presentada intenta ser lo más próxima posible a sus valores, por lo que, considerando un margen de error aceptable, los costes presentados se pueden usar para un estudio académico o generalista; las fuentes empleadas para obtenerlos se incluirán en los lugares correspondientes. Para ver los modelos disponibles estudiados, por favor, consulte el Anexo 1. 3.4.1.1.2. Modelos de “EOS”. En cuanto a la empresa alemana “EOS”, ésta ofrece un total de ocho impresoras de sinterización en lecho de polvo, cuatro de ellas para materiales poliméricos y las cuatro restantes para materiales metálicos. A diferencia de “3D Systems”, la empresa “EOS” sólo ofrece modelos de máquinas orientadas directamente al sector de la producción industrial, por lo que casi todas las máquinas que actualmente ofertan podrían ser de potencial interés para los objetivos de este Proyecto. Otro aspecto a destacar es que la mayoría de las impresoras se comercializan en formato modular, por lo que su compra y posible reemplazo de módulos desfasados se hace más fácil y económico comparado con tener que realizar la compra de una impresora completa. Sin embargo, al igual que en el caso anterior, la propia empresa es la encargada de comercializar y suministrar el material para uso en sus impresoras, y, al igual que en el caso anterior, la información sobre los precios de la materia prima no se proporciona de manera oficial incluso tras contactar con ellos – sólo suministran dicha información a sus clientes existentes o en proceso de realización de un presupuesto serio. La poca información disponible procede de terceros y no se considera de suficientemente precisa o fiable como para incluirse en este estudio. De igual manera, el precio oficial de las máquinas no se divulga por parte de la empresa a no ser que se esté realizando un presupuesto para la compra por parte del cliente. Dada la naturaleza de estas máquinas y el grado de personalización que se ha de alcanzar para ajustarse a las necesidades de cada cliente industrial interesado en la compra de una impresora, dicha postura se entiende, ya que el precio puede fluctuar de manera importante dependiendo de la configuración elegida. Sin embargo, a diferencia del caso del material, existe información más fiable de terceros y otras empresas dedicadas a la venta que proporcionan valores que corresponden al rango o al precio base de dichas máquinas. Como en el caso anterior, por cada 136 precio listado se incluirán las fuentes de donde procede dicha información. Se ha optado por usar el dólar americano (USD) para listar los precios para permitir una comparación más eficiente entre las diferentes empresas. Para consultar los modelos que ofrece actualmente “EOS”, por favor, consulte el Anexo 2. 3.4.1.2. Principales fabricantes y máquinas de “SLM” (fusión). Dentro de la categoría de máquinas de fusión de metales en lecho de polvo, existen multitud de empresas de gran notoriedad dentro del sector que ofertan y comercializan modelos, sobre todo procedentes de países europeos con una fuerte presencia alemana. Es importante resaltar aquí que todas estas impresoras, por su naturaleza tecnológica, sólo procesan metales como material de trabajo. Como se pudo comprobar en el apartado de los principales fabricantes, dichas empresas actualmente son “ConceptLaser”, “SLM Solutions”, “Renishaw” y “ReaLizer”, por lo que sus modelos se estudiarán a continuación de manera similar a como se viene haciendo hasta ahora, centrándose en aquellas impresoras de interés para el sector aeroespacial. Adicionalmente, se pueden incluir los modelos de la empresa “Arcam AB” en este estudio, pues forman parte de las máquinas de fusión de metales en lecho de polvo pero empleando un haz de electrones en vez de tecnología láser. 3.4.1.2.1. Modelos de “ConceptLaser”. La alemana “ConceptLaser” ofrece una amplia gama de máquinas de fusión de metales en lecho de polvo que agrupa según el sector al que van dirigidas, como se puede encontrar en [228]: Aeroespacial: “M1 Cusing”, “M2 Cusing”, “M2 Cusing Multilaser”, “X Line 1000R” Automoción: “M1 Cusing”, “M2 Cusing”, “M2 Cusing Multilaser”, “X Line 1000R” Dental: “Mlab Cusing”, “Mlab Cusing R”, “M1 Cusing”, “M2 Cusing”, “M2 Cusing Multilaser” Médico: “Mlab Cusing R”, “M1 Cusing”, “M2 Cusing”, “M2 Cusing Multilaser” Joyería: “Mlab Cusing”, “Mlab Cusing R” Fabricación de moldes: “M1 Cusing” Por lo tanto, se puede comprobar que la empresa ofrece un total de 6 modelos de impresoras diferentes, aunque sólo serían de interés para este Proyecto las orientadas al sector aeroespacial, es decir, las “M1 Cusing”, “M2 Cusing”, “M2 Cusing Multilaser” y la “X Line 1000R”, por lo que dichos cuatro modelos son los que se estudiarán en el Anexo 3. 137 3.4.1.2.2. Modelos de “SLM Solutions”. “SLM Solutions” actualmente ofrece tres modelos diferentes de impresoras de fusión de metales en lecho de polvo, las “SLM 125 HL”, “SLM 280 HL” y “SLM 500 HL”. El enfoque de esta empresa es la de ofrecer impresoras para el mercado industrial, para tareas de producción, fabricación de prototipos funcionales y para tareas de I+D. Sus modelos se estudian en el Anexo 4. 3.4.1.2.3. Modelos de “ReaLizer”. La empresa “ReaLizer” ofrece cuatro modelos actualmente, de los cuales uno no se comercializó hasta mayo de 2015. No disponen de un modelo de alta gama similar a los de estas características de las otras empresas que ya se han estudiado, aunque esto lo palian ofreciendo una gama más amplia de modelos de gama media, especialmente orientados a producciones a más pequeña escala. Cabe una mención especial al modelo base, el “SLM 50”, especialmente diseñado para ser una impresora de metales de “escritorio”. La empresa comercializa sus máquinas para aplicaciones industriales y de investigación, con especial énfasis en la fabricación de piezas de tamaños reducidos. En el Anexo 5 se estudian los cuatro modelos que la empresa oferta. 3.4.1.2.4. Modelos de “Renishaw”. La empresa inglesa “Renishaw” sólo dispone de un modelo de impresora 3D de fusión de metales en lecho de polvo que actualmente comercializa, el “AM250”. El modelo anterior, el “AM125” se ha descontinuado, aunque siguen ofreciendo servicio posventa para los clientes que adquirieron dicho sistema. En cuanto al modelo “AM 250”, éste se ha diseñado específicamente para la producción industrial en el sector aeroespacial y otros sectores industriales de alta tecnología y exigencias de material. Posee sistema dual de gas para atmósfera protectora – argón para el caso de procesamiento de metales reactivos como el titanio, y nitrógeno para metales no reactivos. La cámara de construcción se encuentra sellada herméticamente y reforzada, por lo que disminuye el consumo de gas inerte y contribuye a conferirle a la impresora una mayor durabilidad y robustez. Los detalles de esta máquina se encuentran en el Anexo 6. 3.4.1.2.5. Modelos de “Arcam AB”. Actualmente, esta empresa sueca es la única en el mundo que comercializa máquinas de fusión de metales en lecho de polvo empleando la tecnología de haz de electrones, por lo que dicha tecnología corresponde a la estudiada como “EBM”. Actualmente comercializa la tercera generación de máquinas, por lo que todas ellas disponen de la tecnología de haz de electrones más reciente que permite mantener varias zonas del lecho de polvo en estado líquido simultáneamente, aumentando considerablemente la productividad. Sin embargo, todas ellas 138 requieren de la creación del vacío en la cámara constructiva, hecho que consigue empleando una pequeña presión parcial de helio. Así mismo, el interior de la cámara constructiva se encuentra a una alta temperatura durante el proceso, lo que hace necesario el empleo de un sistema de refrigeración activo por agua para mantenerla. Por esta razón, los tamaños constructivos máximos no se encuentran en el mismo rango que el de las otras máquinas de “SLM” en comparación con las dimensiones de las máquinas. Tal como se describió al estudiar esta empresa, sus impresoras están orientadas principalmente a dos sectores: a la fabricación de implantes médicos y a la fabricación de componentes aeroespaciales. Por esta razón, todas las máquinas de “Arcam AB” sólo disponen de dos grupos de materiales: titanio y sus aleaciones y aleaciones de cobalto-cromo. Así mismo, sus impresoras se dividen en aquellas destinadas a la fabricación de implantes y aquellas destinadas a la fabricación de componentes aeroespaciales, aunque esto no significa que dichas máquinas no se puedan emplear para otros fines. Es por esta razón que todos los modelos se detallarán, pues cada uno podría tener un interés potencial para los objetivos de este Proyecto. La empresa actualmente comercializa tres modelos que se detallan en el Anexo 7. 3.4.1.3. Discusión sobre el mercado de impresoras de “PBF”. El primer elemento que salta a la vista tras el estudio de los principales modelos ofertados actualmente a escala mundial en cuanto a máquinas de fusión y sinterización en lecho de polvo, es la escasez de información en cuanto al coste a largo plazo del material que se ha de emplear. Al ser desarrollados, fabricados y comercializados por la propia empresa, el monopolio sobre esta información se puede entender desde el punto de vista de que dichas empresas obtienen grandes ingresos y beneficios a largo plazo al monopolizar el suministro de material para que las impresoras sigan funcionando. Así mismo, hacen uso de estrategias contractuales para romper la garantía o acuerdo de servicios si el cliente operador de una impresora emplea otros materiales procedentes de terceros. Esto hace que sea imposible realizar un estudio serio sobre los costes a largo plazo, pero tras la investigación llevada a cabo, se intuye que el precio en cuanto al mantenimiento es lo suficientemente elevado como para que tenga un peso importante en la decisión de adquisición. Una discusión más profunda sobre el estado de la comercialización del material se llevará a cabo en apartados venideros. Se establece en el orden de varios cientos de miles de dólares adicionales sólo para realizar la compra de todos los sistemas adicionales (gases para la atmósfera inerte, instalación, material, etc.), que puede llegar a ascender hasta los $300.000 (USD) adicionales según [213], [164] y [218]. Obviamente, esta cantidad variará según cada caso e impresora, por lo que se recomienda la realización de un estudio más exhaustivo presupuestario para aquellas entidades que planeen adquirir y poner una impresora de estas características en marcha. 139 3.4.2. Tecnologías de depositado mediante energía dirigida (“DED”). Tras el extenso estudio de las tecnologías de fusión y sinterización en lecho de polvo del apartado anterior, este apartado se centrará en las tecnologías de depositado mediante energía dirigida. Aunque no existe la misma variedad de empresas y modelos disponibles como en el caso de las tecnologías “PBF”, esto se comprende ya que todas las máquinas de “DED” actuales sólo se comercializan para grandes clientes industriales ya que, como se pudo estudiar en el capítulo anterior, estas máquinas no sólo se emplean para la fabricación aditiva, sino para la reparación o regeneración de piezas metálicas dañadas o desgastadas. El empleo casi exclusivo de materiales metálicos también hace que este grupo de tecnologías se diferencie de las ya estudiadas en cuanto a alcance en la industria, ya que la mayoría de estas máquinas van dirigidas al sector aeroespacial u otros similares, donde se exigen altas precisiones, altas complejidades geométricas y estrictas exigencias de material. Aunque sólo se estudiarán los modelos de tres empresas dentro de este apartado, esto se debe entender como una selección de las empresas más relevantes y no como una recopilación de todas las empresas existentes. Como se pudo comprobar en el apartado correspondiente de este capítulo, existen muchas empresas dedicadas a la fabricación de impresoras 3D dentro de cada grupo tecnológico, y las de “DED” no son ninguna excepción. Por ende, la selección que sigue se debe entender a modo de una muestra representativa del sector. 3.4.2.1. Modelos de “Optomec”. La empresa norteamericana “Optomec” ofrece una selección de tres impresoras que emplean la tecnología “DED” que han denominado “LENS”, empleando tecnología láser para fundir polvo metálico. Así mismo, ofrece un sistema adicional para su integración en centros de mecanizado de control numérico, aunque éste no se estudiará aquí ya que no forma parte del objetivo de este Proyecto. En el Anexo 8 se estudiará cada modelo que actualmente oferta la empresa. 3.4.2.2. Modelos de “BeAM”. La francesa “BeAM” ofrece un conjunto de tres modelos de impresoras que cubren un gran rango de dimensiones constructivas. Ofrecen máquinas que emplean metales y cerámicas en polvo que se funden por tecnología láser. No se encuentra disponible una lista comprensiva de materiales que estas máquinas pueden emplear, aunque se infiere que la mayoría de los polvos metálicos que se pueden emplear en máquinas de características similares también estarán 140 disponibles. Sin embargo, se recomienda contactar con la empresa para obtener una información más detallada. En el Anexo 9 se presentan los tres modelos disponibles, así como toda la información relevante que se ha podido encontrar sobre ellos. Se han ordenado, como en los otros casos, según el orden de prestaciones, en orden ascendente. Es importante notar que el primer modelo presentado cambió su designación durante su comercialización, razón por la que existen dos designaciones para él. 3.4.2.3. Modelos de “Sciaky Inc.”. Como se estudió en el capítulo primero, la empresa “Sciaky Inc.” actualmente comercializa la impresora 3D más grande del mundo que imprime empleando metales en forma de alambre y tecnología de haz de electrones en vez de láser para realizar el fundido y depositado. Actualmente, sólo disponen de un único modelo, el “VX-110”, que se ha comercializado recientemente. De hecho, no ha sido hasta agosto de 2014 cuando la empresa realizó la venta de su primera unidad a una empresa de fabricación de componentes aeronáuticos que no revelaron [271]. En cuanto a la impresora en sí, ésta ha de crear un vacío parcial dentro de la cámara constructiva, por lo que se requiere el cierre hermético de dicha cámara. Dispone de fabricación en 5 ejes y varias configuraciones para fabricar piezas con distintas dimensiones predominantes para así aprovechar al máximo las dimensiones disponibles de la cámara. Toda la información relevante sobre esta impresora gigantesca se encuentra en el Anexo 10. 3.4.3. Consolidación ultrasónica. Actualmente sólo existe una sola empresa a escala mundial que ofrece impresoras 3D de consolidación ultrasónica, y ésta es “Fabrisonic”. A diferencia de las demás empresas que se han estudiado en esta sección, tras una extensa investigación se ha descubierto que no existe ninguna información referente a precios de sus modelos, pues esta empresa presenta algunas peculiaridades. Para empezar, “Fabrisonic” se trata de una pequeña empresa de unas 10 personas en plantilla [275] que se dedica más al sector del I+D en esta tecnología que en su comercialización. Sin embargo, en marzo de 2013 entraron en un acuerdo con la empresa de reventa llamada “WideTech Integrated Systems” para que comercializaran sus máquinas en Europa e Israel [276], aunque hasta la fecha no hay constancia pública de que se haya producido alguna venta a la industria. De hecho, las únicas dos ventas que la propia empresa ha anunciado han sido para los grupos investigadores de tecnología AM de universidades, en concreto una máquina para la Universidad Estatal de Ohio [277] y otra para la Universidad de Loughborough en Reino Unido [278]. 141 Otra razón por lo que es difícil encontrar cualquier información relevante económica es que sólo fabrican impresoras a medida, es decir, cada impresora que venden, aunque agrupada bajo un nombre comercial, se construye de acuerdo a las exigencias del cliente. A pesar de ello, se ha estimado oportuno estudiar los modelos que anuncian en la página del fabricante, ya que aunque actualmente no hayan despegado comercialmente dentro de la industria, sus esfuerzos de I+D eventualmente darán lugar a una comercialización o a la creación de otras empresas que sí lo hagan. Se recalca una vez más que desde su fundación en el 2011, sólo se han realizado dos ventas de impresoras de esta tecnología y éstas sólo han ido dirigidas a grupos de investigación universitarios. En el Anexo 11 se estudian los datos relevantes sobre los tres modelos que la empresa “comercializa” actualmente. Se ha obviado la impresora modelo “R200” ya que según la propia empresa, se trató del primer modelo que desarrollaron para tareas de I+D interno antes de que desarrollaran los tres modelos que se consideran de la generación actual. 3.4.4. Modelado mediante depositado de fundidos (“FDM”). Por último, se realizará el estudio económico y de mercado de las impresoras que se han agrupado bajo la tecnología de “FDM”. Sin embargo, es importante resaltar que esta tecnología es una de las más extendidas actualmente en el mercado de impresoras 3D “domésticas” ya que el proyecto “RepRap” hace uso de esta tecnología en todas sus máquinas. Debido a esto, la popularidad de esta tecnología se ha disparado en los últimos años y muchos individuos asocian la idea de “impresión 3D” con las máquinas procedentes de “RepRap” que emplean esta tecnología. Sin embargo, el amplio rango de aplicación de la tecnología “FDM” ha sido una de las razones por las que se eligió en el capítulo anterior para un posible interés en el sector aeroespacial, ya que las máquinas de más alta gama dentro de este sector tecnológico cumplen con los requisitos técnicos para la fabricación de algunas piezas y componentes aeroespaciales empleando termoplásticos. Es por esa razón que en este apartado sólo se estudiará una sola empresa para esta tecnología, ya que los modelos de más alta gama de “Stratasys” son los únicos relevantes para las aplicaciones objetos de este Proyecto. Esto no quiere decir que no existan otras empresas fabricantes de impresoras de “FDM” que se puedan aproximar o ajustar a los requisitos exigidos, simplemente se ha estimado que “Stratasys” es una buena empresa de referencia para este tipo de máquinas a nivel mundial. Queda a discreción del lector indagar más a nivel de empresas si realmente desea realizar la compra de una de estas máquinas. En el Anexo 12 se presentarán los modelos más relevantes que la compañía “Stratasys” oferta actualmente así como toda la información técnica y económica disponible. 142 3.5. Estado actual de otras tecnologías de AM. En este apartado del capítulo actual se mostraran máquinas y empresas reales que corresponden con las tecnologías de fabricación aditiva que no se han considerado del todo aptas desde el punto de vista técnico para ser empleadas en el sector aeroespacial actual. Dada la gran variedad de tecnologías y, por consiguiente, de empresas y modelos concretos de máquinas, no se pretende aquí hacer un muestrario completo de éstas, sino resaltar las más importantes, sin llegar al nivel de profundidad que se llegó con las del apartado anterior. Por lo tanto, el objetivo de este apartado es simplemente servir como punto de partida para un estudio más profundo para aquellos interesados en ello. En vez de estudiar cada grupo tecnológico y empresa por separado, se estudiarán todas simultáneamente, mediante su inclusión en una tabla que recogerá los datos más relevantes de cada modelo, incluyendo su empresa, denominación, tecnologías, dimensiones de las piezas y precios así como cualquier fuente que fuera necesaria para indagar más en los que se considere oportunos. La Tabla 3-1 presentada en las siguientes dos páginas recoge toda esta información, donde se han agrupado las impresoras según su grupo tecnológico y su sector de aplicación principal (industrial de producción, creación de prototipos, uso personal, etc.) para así facilitar su consulta. No se incluyen detalladamente los materiales que pueden procesar ya que se estudiaron de manera general en el capítulo anterior y, además, dicha información sólo sería relevante en un estudio más detallado, que no es el caso aquí – sólo se incluye el tipo general de material que procesa. Cualquier nombre de empresa que no se haya estudiado en el apartado pertinente de este capítulo irá acompañada de información adicional. 143 Grupo tecnológico Sector de aplicación Empresa Stratasys Prototipos industriales y producción Procesos de impresión con inyección de material 3D Systems Modelado profesional y de oficina Stratasys 3D Systems 3D Systems Procesos de impresión con inyección de aglutinante Prototipos industriales y producción ExOne* Modelado profesional y de oficina Modelado profesional y de oficina Procesos de modelado mediante depositado de fundidos (FDM) 3D Systems Stratasys Stratasys Uso doméstico y de bajas exigencias MakerBot** Modelo Objet1000 [294] Objet350 Connex 1 [296] Objet500 Connex 1 [296] ProJet 5000 [299] Projet 5500X [301] Objet24 [303] Objet30 [305] Objet260 Connex3 [307] Projet 3510 [309] ProJet 860Pro [311] ProJet 660Pro [311] S-Max [314] S-Print [316] M-Print [318] M-Flex [320] ProJet 460Plus [311] ProJet 360 [311] ProJet 160 [311] Fortus 250mc [325] Dimension Elite [327] Dimension 1200es [329] Mojo [331] uPrint SE [333] uPrint SE Plus [335] Replicator Mini [337] Replicator [339] Replicator Z18 [341] 144 Materiales Dimensiones máximas de impresión (mm) Foto-resinas 1.000 x 800 x 500 Foto-resinas 342 x 342 x 200 Foto-resinas 490 x 390 x 200 Foto-resinas 550 x 393 x 300 Foto-resinas 550 x 393 x 300 Foto-resinas 240 x 200 x 150 Foto-resinas 300 × 200 × 150 Foto-resinas 255 × 252 × 200 Foto-resinas 298 x 185 x 203 Resinas termoplásticas Resinas termoplásticas 508 x 381 x 229 254 x 381 x 203 Arenas 1.800 x 1.000 x 700 Arenas 800 x 500 x 400 Metales 800 x 500 x 400 Metales 400 x 250 x 250 Resinas termoplásticas Resinas termoplásticas Resinas termoplásticas 203 x 254 x 203 203 x 254 x 203 236 x 185 x 127 Termoplásticos 254 x 254 x 305 Termoplásticos 203 x 203 x 305 Termoplásticos 254 x 254 x 305 Termoplásticos 127 x 127 x 127 Termoplásticos 203 x 152 x 152 Termoplásticos 203 x 203 x 152 Termoplásticos 100 x 100 x 125 Termoplásticos 252 x 199 x 150 Termoplásticos 305 x 305 x 457 Precio (USD) $750.000 [295] $190.000 [297] $250.000 [298] $155.000 [300] $225.000 [302] $19.900 [304] $44.295 [306] $170.000 [308] $69.500 [310] $118.550 [312] $79.035 [313] $1.400.000 [315] $500.000 [317] $200.000 [319] $300.000 [321] $52.690 [322] $30.000 [323] $26.345 [324] $45.000 [326] $31.750 [328] $34.900 [330] $9.900 [332] $13.900 [334] $18.800 [336] $1.375 [338] $2.899 [340] $6.499 [342] Replicator 2X [343] Varios [345] 3D Systems Procesos de fotopolimerización (SLA, DLP) Procesos de sinterización selectiva térmica (SHS) Procesos de laminación (LOM) Prototipos industriales y producción Uso doméstico y de bajas exigencias 3D Systems RepRap Cube 3 [347] CubePro [348] ProX 950 [349] ProJet 7000 HD [351] ProJet 6000 HD [353] ProJet 1200 [355] Termoplásticos 250 x 160 x 150 $2.499 [344] Termoplásticos ̴ 100 x 100 x 100 hasta ̴ 609 x 305 x 305 $300 - $1.900 [346] Termoplásticos 152 x 152 x 152 Termoplásticos 275 x 265 x 240 Foto-resinas 1500 x 750 x 550 Foto-resinas 380 x 380 x 250 Foto-resinas 250 x 250 x 250 Foto-resinas 43 x 27 x 150 $999 [347] $2.799 [348] $950.000 [350] $300.000 [352] $200.000 [354] $4.900 [355] Kudo3D*** Titan 1 [356] Foto-resinas 192 x 108 x 243 $2.899 [357] Modelado profesional y de oficina Blueprinter**** Blueprinter M2 [358] Resinas termoplásticas 200 x 157 x 140 $30.250 [359] Modelado profesional y de oficina Solidimension× SD300 [360] Láminas termoplásticas 160 x 210 x 135 $14.995 [360] Tabla 3-1: Recopilación de datos relevantes de las impresoras de otras tecnologías de AM. * “ExOne” [361]: empresa norteamericana especializada en la fabricación y comercialización de grandes impresoras industriales que emplean tecnología de impresión con inyección de aglutinante para la fabricación de moldes de arena y piezas metálicas. ** “MakerBot” [362]: empresa norteamericana surgida del proyecto “RepRap”. Fabrica impresoras domésticas y de prestaciones medio-bajas empleando tecnología “FDM”; junto con el lanzamiento de su nueva generación de impresoras, han abandonado los códigos de fuente abierta y han optado por el uso protegido de su propio código. *** “Kudo3D” [363]: empresa norteamericana fundada por “Kickstarter”; han desarrollado una impresora “SLA” de bajo coste con patente en trámite. Los primeros modelos se comercializaron en Diciembre de 2014. **** “Blueprinter” [364]: empresa danesa desarrolladora de la tecnología de sinterización en lecho de polvo de termoplásticos estudiada en el capítulo anterior como “SHS”. Sólo comercializa un único modelo actualmente. × “Cubic Technologies” [365]: empresa norteamericana que comercializa un modelo de impresora que emplea la tecnología de “LOM” procesando láminas de PVC. 145 3.6. Consideraciones finales. En este apartado, de manera similar al correspondiente del capítulo anterior, se pretende realizar un análisis conjunto de todo lo que se ha descubierto tras el estudio de mercado llevado a cabo aquí. Entre los aspectos a presentar, es de importancia resaltar los diferentes problemas que se han encontrado al realizar la investigación y las implicaciones que podría tener en el sector y en este estudio. Al final se realizará un resumen y análisis conjunto de las tecnologías de interés según el punto de vista del precio y algunos parámetros técnicos de relevancia para así facilitar la realización de una visión global completa para finalmente determinar una lista definitiva de tecnologías “de interés” una vez realizado el análisis de este capítulo. 3.6.1. El problema de la comercialización del material. Como se ha podido comprobar a lo largo de este capítulo, actualmente existe un problema en el mercado de las impresoras 3D en cuanto al suministro y comercialización del material que se usa para que dichas máquinas fabriquen las piezas requeridas de las mismas. A su vez, como consecuencia quizá indirecta de esto, se hace casi imposible indagar y determinar los precios exactos de uno de los mayores costes asociados al mantenimiento de estas máquinas a largo plazo, es decir, del material – por lo que un estudio económico más exhaustivo en este aspecto no ha sido posible realizarse aquí. Tras indagar en el problema, se descubre que la situación actual es consecuencia directa de los primeros años del auge de la tecnología de impresión 3D, como se comenta en [366]. Con el auge de las primeras tecnologías de “SLA” y “SLS” en los 80 y 90, las empresas fabricantes de impresoras se encontraron con el problema de que ningún fabricante de materiales estaba interesado en producir y comercializar líneas de materiales que se desarrollaron para su uso en dichas impresoras, debido a que el mercado era tan pequeño en ese entonces. Esto, a su vez, obligó a las propias empresas fabricantes de las impresoras a desarrollar, producir y comercializar ellas mismas el material que sus impresoras emplearían, creando así una situación que la mayoría de las grandes empresas fabricantes de máquinas han mantenido e intentan mantener en nuestros días. Es decir, actualmente la mayoría de las grandes empresas estudiadas en este capítulo ofrece sus propias versiones de materiales que, según las mismas, sólo puede ser usado en sus máquinas, ya que han sido desarrollados explícitamente para uso exclusivo en ellas. Sin embargo, sobre todo en cuanto a empresas que comercializan máquinas que se pueden considerar dentro del mismo grupo tecnológico, los materiales empleados son prácticamente idénticos; de hecho, durante los últimos años, han comenzado a surgir empresas de terceros que comercializan material para su empleo en impresoras 3D de determinadas tecnologías, independientemente del fabricante. Sin embargo, las propias empresas fabricantes de impresoras advierten de que el empleo de materiales “no-oficiales” (es decir, lo materiales que ellas mismas comercializan para sus máquinas) rompe la garantía que ofrecen para ellas; los precios por kilogramo de 146 material “oficial” pueden llegar a duplicar o triplicar los precios del material ofertado por empresas de terceros, es decir, según [273], y como se puede observar en la Figura 3-20, se está llegando a pagar de los $200 a $330 (USD) por kilogramo por materiales que en el mercado libre cuestan como mucho $80 (USD) por kilogramo. Figura 3-20: gráfico ilustrativo sobre los precios de material típico por kg frente al mercado libre (“Free market”) y mercado cerrado (“Lockin”). Esto lleva a una situación en la que empresas e instituciones que adquirieron caras impresoras 3D, como las estudiadas en detalle en este apartado (es decir, las “de interés”), se encuentran en la situación de que no las pueden hacer funcionar ya que no les sale rentable a la larga debido al problema del suministro del material. Hasta que las empresas fabricantes no abandonen el monopolio sobre la producción y suministro de material para sus máquinas, el sector no avanzará como se espera y su implementación y uso en la industria no será tan extendido como lo sería si otras empresas independientes se encargasen de fabricar y suministrar el material. Es decir, el sector actualmente se encuentra en la absurda situación que en otros sectores sería impensable – por ejemplo, si cada fabricante de automóviles comercializara exclusivamente un tipo de combustible que sólo ellos suministraran para cada uno de sus modelos, o si cada fabricante de tostadora comercializara un tipo de pan de uso exclusivo para cada máquina. Obviamente, con la popularidad y mayor penetración en la sociedad y en la industria de las tecnologías de impresión 3D, más y más empresas fabricantes de material están surgiendo o planeando hacerlo próximamente, por lo que el problema al que las primeras empresas fabricantes de impresoras se enfrentaron ya no existe, sobre todo para las impresoras más baratas que empiezan a llegar a las masas. Sin embargo, hasta que dichas empresas fabricantes de máquinas no reaccionen y permitan que otras empresas fabriquen los materiales empleados en las mismas, no se dará el siguiente paso significativo en el sector. Como se está comprobando, con la caducidad de patentes durante los últimos años, cada vez más materiales se están comercializando en el mercado libre, y muchos fabricantes de impresoras pequeños permiten su uso en sus impresoras. Sin embargo, siguen siendo las grandes empresas, como “3D Systems”, “Stratasys”, “EOS”, etc., las que siguen negándose a abandonar su actual modelo. Esta situación se agrava en las máquinas orientadas a los sectores profesionales y de producción, pues al disponer de una base de clientes más pequeña pero de mayor valor, ejercen un mayor control sobre un asunto tan relevante como éste. 147 3.6.2. Vista general del mercado de AM. Eventos e información de interés. En este apartado se discutirán dos temas de interés relevante además de nombrar varios congresos y exposiciones anuales que guardan gran relevancia dentro del sector de la fabricación aditiva así como ciertas publicaciones especializadas dedicadas exclusivamente al sector. Los temas de interés que se tratarán a continuación serán un análisis de la implementación del formato de archivo estándar propuesto por la ASTM, el “AMF”, y la evolución del mercado de fabricantes surgidos a través del proyecto “RepRap”. Tras el análisis llevado a cabo en este capítulo, el estudio de una gran variedad de modelos y de fabricantes ha puesto en realce el hecho de que la gran mayoría de ellas aún no implementa el uso del formato de archivo “AMF” a nivel de la máquina. Sin embargo, esto es de esperar, pues se han de llevar a cabo varios pasos para que finalmente se adopte dicho formato de manera generalizada, pasos que ya se han comenzado a dar. El primero fue la aprobación por parte de ASTM de las primeras dos revisiones del formato, tal y como se estudió en el primer capítulo. El segundo paso, que se está llevando a cabo en la actualidad, consiste en que los desarrolladores de soluciones CAD permitan y acepten la exportación de sus archivos a este formato. Ejemplos notables se pueden hallar en “SOLIDWORKS” de “Dassault Systems” que ya ha anunciado que su versión más reciente inherentemente acepta este formato [367] y “Cimatron”, otro desarrollador de software CAD, también ha anunciado que sus programas también lo permitirán [368]. En última instancia, tal como se señala en [369], sólo es cuestión de que los fabricantes permitan que sus impresoras hagan uso de este formato. Sin embargo, esto no lo harán hasta que la mayoría de las soluciones CAD lo soporten; ya existen convertidores informáticos desde el formato “STL” al “AMF”. Por otro lado, el formato “AMF” es más robusto y eficaz que el actual “STL” y otros, por lo que es previsible que los fabricantes acaben adoptándolo – aunque se espera que los grandes nombres sean los que más se resistan ya que, de nuevo, como en el caso del material, supondría una afronta a su continuado monopolio. Sin embargo, se espera que la lucha por su adopción sea menor que la que se está llevando a cabo en el caso del material. A día de hoy aún no existen impresoras de producción o profesionales que acepten el formato “AMF”. A lo largo de este estudio, el nombre “RepRap” ha ido apareciendo, aunque no se ha hecho un estudio más profundo de su impacto sobre el mercado y el sector de la fabricación aditiva. Aunque no es el objetivo de este apartado sino del último capítulo de este Proyecto, se ha estimado oportuno, sin embargo, resaltar algunos casos curiosos que han ido ocurriendo dentro de este fenómeno. Como ya se ha establecido, el proyecto “RepRap” surgió de una universidad británica a mediados de la década pasada. La idea se basa en la extensión del principio de software de fuente abierta y libre (“open source”) al hardware – es decir, que toda la información relevante al desarrollo de las impresoras 3D en cuanto a sus piezas y componentes sea también “abierto”. Según los 148 defensores de esta filosofía, permite que otros técnicos y profesionales puedan acceder a dicha información para mejorar los diseños y eventualmente llegar a fabricar impresoras de mayor calidad con más rapidez y competitividad. Esto daría un impulso significativo al sector de la fabricación aditiva en su conjunto, avanzando mucho más rápidamente que al ritmo que lo ha estado haciendo hasta ahora debido al empleo de la filosofía opuesta por las grandes empresas – es decir, I+D cerrada, ninguna transferencia de ideas y la apropiación y monopolización de sus desarrollos mediante patentes. Determinar el beneficio o desventaja de un modelo u otro no es el objetivo de este trabajo, por lo que no se realizarán valoraciones significantes respecto a este asunto. Sin embargo, se pondrá en evidencia un caso reciente que ha levantado un gran enfrentamiento entre los profesionales de ambos sectores, el “cerrado” y “abierto”. Se trata de la polémica que la empresa estadounidense “MakerBot” ha iniciado. Surgida, como multitud de incontables otras empresas alrededor del mundo, como consecuencia directa del proyecto “RepRap”, comercializó varias generaciones de impresoras de acuerdo a la filosofía de “fuente abierta”. La empresa experimentó un alto grado de éxito comercial con sus modelos, y, a consecuencia, creció de manera notable. Sin embargo, sufrió varios intentos fallidos por otras nuevas empresas de “clonar” sus máquinas, es decir, aprovechándose de la naturaleza “abierta” de sus diseños, en vez de mejorarlos y diseñar una máquina nueva, algunas empresas simplemente se conforman con copiar exactamente los planos y máquinas que han tenido éxito en un intento de comercializarlas ellos mismos. Como consecuencia de esto, la empresa “MakerBot” ha decidido con su nueva generación de máquinas (las que actualmente comercializan y se han estudiado en el apartado anterior), pasar a “fuente cerrada”, es decir, adoptar el mismo modelo de I+D que emplean las grandes empresas del sector. Ha conseguido una patente para su nueva máquina y no revelará los diseños internos de éstas. Sin embargo, la mayor parte del diseño de dichas máquinas está basada en la información y diseños que obtuvieron, a su vez, de otras empresas e individuos involucrados en el proyecto “RepRap”, por lo que esta acción ha despertado una gran conmoción en el sector. Aunque “MakerBot” se defiende en base a que con esta acción pretenden eliminar el surgimiento de empresas “clones” que no les favorecería, el resto de la comunidad “abierta” los critica por haberse aprovechado de la filosofía que presentan para fundar una empresa, desarrollarla y, ahora que han tenido un importante éxito comercial, abandonarlo todo e instaurar el modelo contra el que habían estado luchando, habiendo llegado donde han llegado gracias a la información compartida del proyecto “RepRap”. Más información sobre este hecho se puede hallar en [370], [371], [372] y [373]. Obviamente, el hecho de que dos puntos de vista estén enfrentados dentro del mundo de la fabricación aditiva lleva a que exista una cierta presión sobre ambos en cuanto a su filosofía y modo de operar, puesto de realce cuando uno u otro “se cruzan de bando”. Se espera que más que sobreponerse un punto de vista sobre otro, el sector se vea beneficiado a la larga por esta clase de competitividad. En cuanto a eventos a escala mundial especialmente relevantes para el sector de la fabricación aditiva, basta con nombrar “Euromold” [374]. Una exposición a escala mundial con más de 20 años de historia, celebran en Alemania cada septiembre durante varios días un gran congreso y 149 exposición donde se reúnen más de 1.100 empresas e instituciones participantes y atienden más de 55.000 visitantes profesionales. Como se detalla en [375], dicho congreso internacional intenta abarcar todos los sectores industriales desde la fase de diseño hasta la fabricación final, por lo que tienen cabida multitud de empresas e interesados. Obviamente, durante los últimos años, la impresión 3D se ha hecho un hueco muy relevante en el congreso como tecnología de fabricación puntera que ha cobrado tanta importancia que “Euromold” se ha llegado a considerar como el evento más importante a escala mundial dentro de la fabricación aditiva cada año. Allí es donde se dan a conocer los nuevos modelos en desarrollo de los principales fabricantes y donde se presentan nuevas empresas que han desarrollado nuevas técnicas o mejoras tecnológicas a los ya existentes. “Euromold” se considera actualmente el máximo exponente en cuanto a la presentación de las nuevas tendencias dentro del sector de la fabricación aditiva. Aunque existen otros congresos más esporádicos en otros lugares del mundo cada año, ninguno ha cobrado la relevancia ni peso que “Euromold” actualmente posee. Por último, en cuanto a información especializada, se debe hacer especial mención de la empresa “Wohlers Associates” [376]. Dicha empresa consultora de Colorado, EE. UU., tiene más de 28 años de historia y llevan publicando el famoso informe anual “Wohlers Report” durante 19 años. Dicho informe da una visión muy detallada y extensa sobre el estado de la industria de la fabricación aditiva, desde nuevas tecnologías, empresas que surgen y desaparecen, hasta información para inversores y eventos relevantes. Así como ofrecer servicios de consulta sobre tecnologías de fabricación aditiva, se han convertido en una fuente fiable y de gran relevancia dentro del sector para los analistas e interesados profesionales del sector. 3.6.3. Comparación de las tecnologías de interés. A continuación, de manera similar a como se hizo a final del primer capítulo, se pretende realizar una tabla comparativa de las tecnología que hasta este momento se han considerado “de interés”. Sin embargo, a diferencia de lo que ocurrió durante el primer capítulo, tras el análisis económico no se ha podido añadir ningún grupo tecnológico a la lista de tecnologías “de interés”, ya que cumplir los requisitos técnicos es condición necesaria para que se consideren como tales. Cumplir requisitos adicionales económicos da una visión más completa y, en cualquier caso, servirá para descartar algunas tecnologías por no estar disponibles comercialmente, como ocurrió con el caso de las soluciones de la empresa “Honeywell”. La siguiente Tabla 3-2, por ende, tiene el objetivo de condesar el trabajo realizado en este capítulo para permitir una rápida comparación u obtención de información relevante rápidamente para que se pueda consultar la información más detallada presentada en este capítulo si fuera necesario. 150 Grupo tecnológico Empresa 3D Systems Sinterización en lecho de polvo (SLS, DMLS) EOS ConceptLaser SLM Solutions Fusión en lecho de polvo (SLM, EBM) ReaLizer Renishaw Arcam AB Tecnologías de depositado mediante energía dirigida (DED) Tecnologías de consolidación ultrasónica (UC) Tecnologías de modelado mediante depositado de fundidos (FDM) Optomec Modelo ProX 500 sPro 60 HD sPro 140 sPro 230 ProX 100 ProX 200 ProX 300 ProX 400 FORMIGA P 110 EOS P 396 EOSINT P 760 EOSINT P 800 EOSINT M 280 EOS M 290 EOS M 400 M1 Cusing M2 Cusing X Line 1000R SLM 125 HL SLM 280 HL SLM 500 HL SLM 50 SLM 100 SLM 125 SLM 250 AM250 Arcam Q10 Arcam Q20 Arcam A2X LENS 450 LENS MR-7 Materiales Resinas termoplásticas Metales y compuestos cerámicos Resinas termoplásticas Metales Rango de velocidades constructivas Dimensiones máximas de impresión (mm) Precio (USD) 2.000 cm3/h 1.000 cm3/h 3.000 cm3/h 3.000 cm3/h N/D N/D N/D N/D 381 x 330 x 457 381 x 330 x 437 550 x 550 x 460 550 x 550 x 750 100 x 100 x 80 140 x 140 x 100 250 x 250 x 300 500 x 500 x 500 $500.000 $300.000 $725.000 $850.000 $350.000 $600.000 $1.000.000 N/D 1.000 cm3/h 200 x 250 x 330 $190.000 5.548 cm3/h 8.512 cm3/h 1.862 cm3/h N/D N/D N/D 2-10 cm3/h 2-3 cm3/h 10-100 cm3/h 15 cm3/h 20-35 cm3/h 70 cm3/h N/D N/D N/D N/D 5-20 cm3/h N/D N/D N/D 80 g/h 100 g/h 340 x 340 x 600 700 x 380 x 580 700 x 380 x 560 250 x 250 x 325 250 x 250 x 325 400 x 400 x 400 250 x 250 x 250 250 x 250 x 280 630 x 400 x 500 125 x 125 x 75 280 x 280 x 350 500 x 280 x 325 Ø 70 x 40 125 x 125 x 200 125 x 125 x 200 250 x 250 x 300 250 x 250 x 360 200 x 200 x 180 Ø 350 x 380 200 x 200 x 380 100 x 100 x 100 300 x 300 x 300 900 x 1.500 x 900 400 x 350 x 200 950 x 900 x 600 650 x 700 x 500 2.692 x 1.194 x 1.600 1.016 × 610 × 610 $420.000 $832.000 $1.300.000 $630.000 $700.000 $1.500.000 $360.000 $455.000 $1.775.000 $200.000 $400.000 $500.000 $162.340 $255.000 N/D $390.000 $512.500 $500.000 $950.000 $975.000 $300.000 $400.000 LENS 850-R 500 g/h BeAM VC LF200/500 VI LF4000 VH LF4000 N/D N/D N/D Sciaky Inc. VX-110 3.000-9.000 g/h SonicLayer 4000/4000R N/D SonicLayer 7200 N/D 1.830 x 1.830 x 910 N/D Fortus 360mc Fortus 400mc Fortus 450mc Fortus 380mc N/D N/D N/D N/D 355 x 254 x 254 406 x 355 x 406 406 x 355 x 406 355 x 305 x 305 $90.000 $185.000 $200.000 $185.000 N/D 914 x 610 x 914 $400.000 Fabrisonic Stratasys Termoplásticos Fortus 900mc Tabla 3-2: tabla resumen de las principales características de las impresoras “de interés” estudiadas. 151 $1.300.000 $350.000 $550.000 $850.000 $2.500.000 N/D Como se ha podido comprobar en la Tabla 3-2, las velocidades constructivas de las máquinas de sinterización de resinas termoplásticas en lecho de polvo son del orden de los litros por hora, mientras que la sinterización de metales es del orden de las unidades o decenas de centímetros cúbicos por hora. De nuevo se recuerda que las entradas “N/D” indican que el fabricante no proporciona dichos datos y tampoco ha sido posible su obtención mediante las tareas investigativas llevadas a cabo. Cabe resaltar el hecho de que los fabricantes “escondan” los datos que no les favorecen, como las bajas velocidades constructivas. En cuanto a este dato de velocidad, los fabricantes de máquinas de lecho de polvo lo suelen proporcionar en litros fabricados por hora o velocidad lineal en el eje vertical por hora, mientras que las tecnologías “DED” suelen ofrecerlo en forma de peso de material depositado por hora. Se ha podido comprobar que, en gran medida, los precios de las impresoras los dicta el volumen máximo de impresión mientras que, a igualdad o similitud de dicho parámetro, la velocidad constructiva sea el parámetro que más influye en el precio. Adicionalmente, el precio también se deja influir por la aparición de empresas que acaparan una tecnología exclusiva, como es el caso de “Arcam AB” o “Sciaky Inc.”. Con estas últimas consideraciones concluye el segundo capítulo de este Proyecto que, junto con el primero, forman la base técnica y económica de mercado para llevar a cabo la investigación del tercer y cuarto capítulo. 152 153 4. Implementación de las tecnologías de AM en el sector aeroespacial actual. Análisis económico y técnico. 4.1. Introducción. Tras la introducción teórica del primer capítulo y la muestra del estado del arte actual de las tecnologías de fabricación aditiva del anterior, se ha podido determinar, de una manera aproximada o a grandes rasgos, qué tecnologías de impresión 3D podrían ser de interés para el sector aeroespacial. No sólo se han estudiado sus aspectos técnicos, sino también se han podido estudiar las distintas empresas y modelos concretos de máquinas que existen actualmente que llevan a cabo la fabricación aditiva, así como sus precios. De esta manera, se ha escogido un grupo reducido de tecnologías que podrían ser candidatas para ser usadas por el sector aeroespacial para la fabricación de piezas. Este capítulo pretenderá plantear qué tecnologías son las más idóneas para su empleo en el sector aeroespacial de forma definitiva estudiando, en primer lugar, las que se han empleado y se están empleando actualmente por empresas relevantes del sector aeroespacial. Es decir, se estudiarán casos concretos de empresas aeronáuticas que han optado por emplear tecnologías de fabricación aditiva para la fabricación de sus piezas y componentes, validando y reforzando así la hipótesis de que éstas son verdaderamente válidas estudiando casos recientes de empresas que las han implementado con éxito, esto es, estudiando los antecedentes. En segundo lugar, una vez establecidos suficientes casos concretos de empresas aeroespaciales empleando máquinas de fabricación aditiva y para qué piezas, se indagará más en las razones en sí de su éxito o fracaso. Tomando como referencia los casos presentados y con los conocimientos adquiridos en los primeros dos capítulos de este Proyecto, se analizarán desde un punto de vista técnico y económico las razones por las que emplear dichas tecnologías ha resultado idóneo o no. Así mismo, se intentará razonar sobre mejoras aplicables y estrategias que podrían llevar a una mejor adopción de esta tecnología en el sector, con vistas al futuro. Es en este capítulo donde se llevará a cabo los estudios necesarios para satisfacer el objetivo principal de este proyecto, y principal razón de la extensión de los dos primeros. 154 4.2. Antecedentes: estudio del empleo de las tecnologías de AM en el sector aeroespacial. En este apartado se pretende realizar un estudio sobre cómo se llevan empleando las tecnologías de fabricación aditiva dentro del sector aeroespacial. En primer lugar, se estudiará desde una perspectiva general las particularidades del sector en cuestión, ya que dichos rasgos son los que han contribuido en mayor medida a que el sector aeroespacial a día de hoy sea uno de los pocos que más ha investigado, abogado e implementado tecnologías de fabricación aditiva en el mayor número de procesos que cualquier otro sector industrial, quizá con la excepción del de la defensa. En segundo lugar, se estudiarán algunos casos concretos significativos de la implementación de alguna tecnología de impresión 3D por parte de empresas aeronáuticas o aeroespaciales, intentando dar una muestra representativa del conjunto, sin pretender detallar todos los casos existentes ya que sería demasiado extenso. Por último, se mostrarán algunos casos concretos de la adopción de las tecnologías de impresión 3D en el entorno institucional-educativo de Sevilla, relacionado directa o indirectamente con el sector aeroespacial. 4.2.1. Perspectiva general. Pasos y caminos estratégicos. La industria aeroespacial siempre ha sido un referente para las demás industrias industriales en cuanto a la adopción temprana de innovaciones en todos los campos tecnológicos. Avances que la industria aeroespacial adoptó hace una o dos décadas ahora se han vuelto comunes en las demás, como el uso de materiales compuestos (fibra de carbono) o el empleo de herramientas CAD/CAM en el proceso de diseño. Estos dos ejemplos sólo son una gota de agua en un mar de casos en los que el sector aeroespacial ha sido el pionero en la adopción e implementación de nuevas tecnologías para llevar a cabo cualquier tarea desde la etapa de diseño, pasando por la fabricación, a tareas de post-venta, como el servicio o mantenimiento. En esencia, dicha industria está a la vanguardia de la adopción de nuevos avances técnicos y tecnológicos en sus procesos. Pero, ¿a qué se debe esto? 4.2.1.1. Compatibilidad del sector aeroespacial con las tecnologías de AM. Estado actual, problemas y posibles soluciones. Desde sus inicios a principios del s. XX, la aeronáutica ha estado sujeta a ciertos imperativos técnicos y económicos que han sido a la vez su fuerza motriz y la razón por la que siempre ha 155 sido y será un sector innovador y vanguardista en la técnica y tecnología. Dichos imperativos son: Maximizar parámetros como la carga de pago, alcance, tiempo activo fuera de mantenimiento, vida de servicio, etc. Minimizar parámetros como tiempo de vuelo, consumo de combustible, tiempos de mantenimiento, etc. Garantizar la seguridad e integridad de la carga de pago Aunque dichos imperativos parezcan genéricos y de aplicación a cualquier modo de transporte, la particularidad de las aeronaves y naves diseñadas para viajar fuera de nuestro planeta hacen que dichos parámetros cobren nuevos significados que no son de aplicación para otros modos de transporte más convencionales. Así mismo, para la acción comercial, la mejora de cualquiera de estos parámetros implica un mayor beneficio y disminución de costes. Maximizar cargas de pago y alcances o autonomías generalmente conlleva la reducción de peso total en vacío de la aeronave para una planta motriz dada. De igual manera, minimizar consumo de combustible y tiempo de vuelo también está muy ligado al concepto de la reducción de peso de la nave. Sin embargo, si se ha de mantener la seguridad e integridad de la carga de pago, ya sean mercancías o pasajeros, se establece que dicho sacrificio de la reducción de peso no se puede hacer en detrimento de otros factores como la disminución de la resistencia mecánica de los materiales u otros factores similares. Igualmente, se puede obrar a favor de dichos imperativos con una planta motriz que proporcione un mayor empuje específico o con un diseño de superficies aerodinámicas más eficientes para un régimen de vuelo en particular. Sin embargo, la reducción de peso de todos los componentes de la aeronave se podría decir que es el mayor imperativo que ha dado impulso a este sector, manteniendo las mismas condiciones de seguridad para la carga de pago. Debido a este imperativo de la reducción de peso manteniendo la seguridad, el sector aeroespacial fue el primero en emplear materiales como el titanio, aluminio o, más tarde, materiales poliméricos y fibra de carbono en fracciones cada vez mayores. Dichos materiales ofrecen un peso reducido pero propiedades específicas mayores que los que se emplean en otros sectores, como el acero. Se busca reemplazar y seguir desarrollando materiales que puedan permitir incluso pesos menores con propiedades mecánicas constantes o mejores. A su vez, las aeronaves y astronaves se ven expuestas a condiciones, ambientes y cargas que son particulares a este sector. Por ende, muchas de las exigencias de materiales y de seguridad añaden una nueva capa de imperativos de diseño y materiales que se deben emplear por razones técnicas. Es por esta razón que muchas de las piezas y componentes típicos de estas naves sean de una alta complejidad geométrica, como los álabes de las primeras etapas de las turbinas de los aerorreactores o elementos aerodinámicos estructurales. Sin embargo, incluso para un material dado, los procesos de fabricación son otro gran límite que a veces impide que se emplee dicho material de manera eficiente. Las restricciones de peso, volumen y condiciones típicas de una aeronave que exigen piezas de altas complejidades geométricas y ciertas propiedades hacen que las dimensiones y morfología sean de una forma 156 óptima que no se pueden alcanzar con los métodos de fabricación convencionales actuales. Esta es una de las principales razones por la que el sector aeroespacial fue uno de los primeros en adoptar y hacer uso de las tecnologías de fabricación aditiva. A su vez, el sector aeroespacial también presenta otras particularidades que hacen que la adopción de las tecnologías de impresión 3D sea más beneficioso actualmente que en otros sectores. La fabricación aditiva, como se ha estudiado aquí, ofrece las siguientes ventajas innatas: Complejidad geométrica “gratuita” Fabricación de nuevos productos que rompen las limitaciones impuestas por las tecnologías de fabricación actuales Flexibilidad y facilidad en cuanto a la iteración en el diseño de las piezas como consecuencia de la fabricación directa – no es necesario fabricar moldes u otros elementos para la fabricación, basta con la modificación de un archivo CAD Simplificación de piezas ya existentes y la eliminación de algunos ensamblajes o conjuntos existentes que se pueden sustituir por una sola pieza elemental fabricada mediante la impresión 3D Alta personalización de las piezas – prácticamente cada aeronave se personaliza para cada cliente, esto se puede conseguir fácilmente mediante la fabricación aditiva Bajos volúmenes de producción – comparado con otros sectores, las tiradas totales de aeronaves y, más aún, de astronaves, es mucho menor. Tal como son estas máquinas de impresión 3D en la actualidad, favorecen tiradas cortas de producción para ser rentables Se reduce el “Time to Market”, es decir, el tiempo necesario para la entrega del producto al cliente Se reduce en gran medida el material desperdiciado durante el proceso de fabricación Fabricación cerca del lugar de venta o de uso del producto Fabricación empujada por la demanda – se fabrica lo que se requiere Esto es, las propiedades de las máquinas de fabricación aditiva se alinean con muchas de las necesidades en cuanto a la fabricación del sector aeroespacial. Sin embargo, no ha sido hasta años recientes cuando dichas tecnologías han evolucionado al nivel de exigencias de materiales que podría hacer realista su empleo en la producción de piezas finales más allá de prototipos y piezas de ensayos. Sin embargo, es también importante mantener presente las limitaciones que se han podido comprobar de las tecnologías de fabricación aditiva tras el estudio llevado a cabo en los primeros dos capítulos, a la vez que las ventajas. La Tabla 4-1 muestra las aplicaciones actuales en el sector aeronáutico y espacial de las tecnologías de impresión 3D así como aplicaciones futuras que se podrían materializar dentro de los años venideros [377], [378]: 157 Aplicaciones actuales Sector aeronáutico Sector espacial Fabricación de modelos de concepto y prototipos; Producción de bajo volumen de piezas de alta complejidad geométrica: o Perfiles aerodinámicos o Difusores o Rotores o Álabes de turbina Fabricación de piezas de repuesto. Fabricación de piezas especializadas para la exploración espacial; Fabricación de elementos estructurales empleando materiales noveles; Minimización de material desechado durante el proceso de fabricación. Aplicaciones potenciales Imprimir componentes electrónicos directamente en las piezas mientras se fabrican; Fabricación de superficies aerodinámicas completas, como alas; Fabricación de componentes complejos de las plantas propulsoras; Fabricación directa de piezas de repuesto sobre la marcha. Fabricación de componentes y piezas de repuesto en el espacio según se necesiten; Fabricación directa de grandes estructuras en el espacio, superando las limitaciones actuales de carga de pago de vehículos de lanzadera orbital. Tabla 4-1: Aplicaciones actuales y potenciales de las tecnologías de fabricación aditiva en el sector aeroespacial. Es más, aunque actualmente se han llegado a emplear las tecnologías de fabricación aditiva para las aplicaciones que se han recogido, aún quedan ciertos problemas que han de ser enfrentados y resueltos para que el sector aeroespacial se pueda beneficiar aún más de las tecnologías de impresión 3D. La Tabla 4-2 muestra algunos de los problemas más importantes presentes actualmente en el sector, así como posibles pasos para su solución [378]: Problema actual Suministradores de bajo nivel en la cadena de suministros carecen de experiencia y pericia en el empleo de herramientas CAD. Descripción Un primer paso para la adopción de las tecnologías de fabricación aditiva es un elevado nivel de manejo de herramientas CAD. Así mismo, el sector aeroespacial no puede definir sus exigencias a los fabricantes de impresoras 3D de manera concreta, por lo que éstos deben trabajar con suposiciones de lo que ellos estiman que el sector necesita. 158 Posibles soluciones Los fabricantes del sector aeroespacial deben alcanzar el nivel necesario para participar más activamente en el proceso de diseño de impresoras 3D. Esto no se limita a ofrecer requisitos específicos y concretos, sino involucrarse económicamente en el desarrollo de dichos sistemas en cierto grado. Los fabricantes de máquinas de fabricación aditiva carecen del nivel necesario en los campos de ingeniería de materiales. Los fabricantes de máquinas de impresión 3D no permiten la posibilidad del empleo de materiales de empresas de terceros. Los fabricantes de impresoras no poseen la pericia ni calificaciones que les permitiría abordar aplicaciones aeroespaciales de alto nivel, consecuentemente no pueden desarrollar equipos de la calidad necesaria. El monopolio en cuanto a la fabricación, suministro y comercialización de materiales por las empresas fabricantes de impresoras 3D reduce la cantidad de material en el mercado, reduce su competitividad e innovación. A su vez, los costes del material son demasiado elevados como para que se adopten las tecnologías de impresión 3D a una escala mayor. Los fabricantes de impresoras 3D deben adquirir las aptitudes necesarias para desarrollar materiales de una mayor aplicación en el sector aeroespacial. Así mismo, deben mejorar su comunicación interprofesional con ingenieros aeroespaciales. Se requiere una apertura del mercado del material. Cuando se puedan emplear diversos materiales procedentes de más de una fuente para una misma máquina, las impresoras 3D tendrán una mayor flexibilidad y se podrán encontrar más aplicaciones para una máquina dada en el sector aeroespacial. Así mismo, la competición disminuirá los precios del material que a su vez hará que se vendan más impresoras y se adopten de manera más generalizada en la industria. No existen buenos estándares de comunicación entre las industrias fabricantes de máquinas de impresoras 3D y empresas que desarrollan herramientas CAD. Formatos de archivo diferentes y comunicaciones deficientes entre diferentes programas hace que la colaboración entre empresas del sector que posean programas e impresoras distintas se dificulte. Debe existir una colaboración dentro de la industria para alcanzar protocolos comunes y adoptarlos. No existen sistemas de monitorización in-situ integrados en máquinas de fabricación aditiva Actualmente no existen buenas herramientas para saber con exactitud las condiciones en el interior de las máquinas de fabricación aditiva. Esto incrementa el tamaño de los lotes de piezas de prueba que se han de fabricar anteriormente al definitivo para determinar los resultados del ajuste de parámetros durante el proceso, ya que no se pueden monitorizar durante éste. Los propios fabricantes o empresas de metrología de terceros deben desarrollar soluciones para sobrevenir este problema. Tabla 4-2: Problemas más importantes actuales y posibles soluciones para una mayor adopción de las tecnologías de AM en el sector aeroespacial. Como se ha podido comprobar, aún existen multitud de materiales y piezas fabricadas mediante diferentes tecnologías de fabricación aditiva que producen piezas cuya calidad y repetitividad aún no ha sido certificada para todos los tipos de materiales, por lo que se debe seguir el camino que lleve a especialistas del sector aeroespacial a trabajar conjuntamente con los encargados de desarrollar las impresoras 3D y sus materiales para cerciorarse de que se alcanzan las condiciones necesarias para una aplicación satisfactoria. Aunque esto ya se ha conseguido para muchos procesos y materiales –prueba de ello es la cantidad de piezas que ya se han fabricado 159 y se están fabricando mediante la fabricación aditiva en el sector– esto no quiere decir que se haya alcanzado todo el potencial disponible para ello, por lo que los esfuerzos han de proseguir. Por lo tanto, la presencia de las tecnologías de fabricación aditiva en el sector aeroespacial actual y futuro es innegable. Sin embargo, su empleo y adaptación se encuentran en una fase temprana y muchas empresas se encuentran en la situación de no saber exactamente cómo adoptar o ampliar su uso de tecnologías de fabricación aditiva para alcanzar una rentabilidad y producción óptima. 4.2.1.2. Caminos estratégicos para la adopción de tecnologías de AM por empresas del sector aeroespacial. Según [377], existen dos relaciones importantes que se han de tener en cuenta para ver el impacto que las tecnologías de fabricación aditiva pueden tener en el sector empresarial aeroespacial. La primera se trata de la relación capital-escala, mientras que la segunda es la relación capital-alcance o extensión. Las tecnologías de fabricación aditiva reducen de manera significativa el capital necesario para lograr una economía de escala, pues se requiere menor capital para alcanzar la producción; el empleo de estas tecnologías a su vez dota de una flexibilidad que logran reducir la cantidad de capital necesario para tener un mayor alcance o extensión, es decir, una mayor variedad de productos diferentes que se pueden fabricar por unidad de capital. Esto es fácil de entender con lo que se lleva estudiado. El proceso que se sigue dentro de la fabricación aditiva es mucho más simple y corto que el que emplea cualquier otra tecnología de fabricación convencional, es decir, la fabricación aditiva posee la ventaja de la fabricación directa, de CAD a pieza final con tan solo el empleo del software, la adquisición de una impresora y todos sus consumibles así como su instalación y el consiguiente post-procesado que pudiera ser necesario. Se pueden fabricar varias iteraciones de una misma pieza en horas o días, reduciendo de manera considerable el proceso de diseño y de ensayos, frente a los meses que podría tardar empleando métodos convencionales. La fabricación final se podría llevar a cabo con la misma máquina, por lo que el solo hecho de disponer de una impresora 3D así como todo lo que necesita para su funcionamiento y post-procesado de las piezas implica que sea mucho más asequible y fácil entrar en la escena de la producción para una empresa que si se comparara con el empleo de métodos convencionales de fabricación. Por lo tanto, las tecnologías de fabricación aditiva reducen en gran medida la cantidad de capital que se ha de invertir para alcanzar una economía de escala eficaz en el sector. Esto, a su vez, puede afectar a la forma y composición de la cadena de suministros. En cuanto al alcance o extensión, las tecnologías de fabricación aditiva permiten que por unidad de capital invertido se puedan fabricar una mayor variedad de productos, piezas o componentes. Así mismo, se reducen de manera significativa los costes asociados con la personalización de los 160 productos o los cambios de producción que se pudieran llevar a cabo debido a evoluciones, especialmente comparados con tecnologías de fabricación convencionales. Cambios en la relación capital-escala puede cambiar la configuración de la cadena de suministro, mientras que el cambio de la relación capital-alcance puede tener un gran impacto en el diseño de los productos. Teniendo en cuenta estos impactos, las empresas del sector se enfrentan a varios caminos que pueden recorrer en cuanto a la implementación de las tecnologías de fabricación aditiva en sus negocios, que se presentan a continuación [377]. 1er Camino, “inmovilismo”: la empresa no busca cambiar ni alterar de manera significativa sus productos o su cadena de suministros ya establecida. Sin embargo, desea explorar las opciones que las tecnologías de fabricación aditiva les brindarían para mejorar el valor en cuanto a la entrega para productos existentes dentro de su cadena de suministros ya existente. El imperativo que persigue la empresa es el buen rendimiento, buscando minimizar la inversión; las capacidades y aplicaciones de fabricación aditiva que se podrían habilitar en este caso serían: 2º Camino, “evolución de la cadena de suministros”: la empresa desea aprovecharse de la mejoría en cuanto a economía de escala que ofrecen las tecnologías de fabricación aditiva para potencialmente habilitar la transformación de su cadena de suministros para productos ya existentes. El imperativo que persigue la empresa es el buen rendimiento, buscando minimizar la inversión aunque sin restricciones de tiempo notables; las capacidades que la fabricación aditiva podría habilitar en este caso serían: Uso en la etapa de diseño y fabricación de prototipos Fabricación de moldes, herramientas y utillajes para la fabricación convencional Cubrir capacidades suplementarias (uso como mecanismo de respaldo) Uso esporádico en la producción Fabricación más cercana geográficamente al destino de uso Una mayor capacidad de respuesta y flexibilidad Facilitación de la gestión de demanda desconocida Reducción del inventario necesario 3er Camino, “evolución del producto”: la empresa se aprovecha de la mejora en economía de alcance o extensión que ofrecen las tecnologías de fabricación aditiva para alcanzar nuevos niveles de prestaciones o innovaciones en los productos ya existentes. El imperativo que persigue la empresa es un equilibrio entre crecimiento, innovación y rendimiento, mientras que también busca equilibrar los beneficios, el riesgo y los requisitos de tiempo; las capacidades que la fabricación aditiva podría habilitar en este caso serían: Personalización de cada pieza o producto a las especificaciones de cada cliente Los productos ganarían en funcionalidad Una mayor capacidad de respuesta de mercado 161 No se penaliza en forma de costes el incremento de la complejidad 4º Camino, “evolución del modelo de negocios”: la empresa busca alterar tanto su cadena de suministros y los productos que ofrecen a consecuencia de las tecnologías de fabricación aditiva, buscando un nuevo modelo de negocios. El imperativo que persigue la empresa es el crecimiento e innovación, buscando obtener beneficios enfocados en el valor añadido que ofrecen estas tecnologías, pero a un mayor riesgo; las capacidades que la fabricación aditiva podría habilitar en este caso serían: Personalización en masa de los productos Llevar a cabo la fabricación en el lugar de uso del producto Alcanzar la desintermediación en la cadena de suministros, es decir, la eliminación de los intermediarios Una mayor habilitación de los clientes – éstos obtienen más poder de decisión Visto desde una perspectiva histórica en cuanto a la adopción de las tecnologías de fabricación aditiva por parte de las empresas del sector aeroespacial, éstas han optado en mayor medida por el 1er camino, buscando emplear la fabricación aditiva para tareas de diseño, fabricación de herramientas y moldes de manera rápida y la producción esporádica de series muy limitadas. Estas empresas se encuentran actualmente en diferentes etapas de adopción de las tecnologías de fabricación aditiva – ninguna realiza tareas concretas de manera establecida con estas tecnologías. A medio plazo, se espera que con los avances en el sector de la fabricación aditiva y en los materiales, las empresas aeroespaciales que tomaron el 1er camino pasen al 3º para así poder fabricar productos más complejos con mejoras en su funcionalidad pero sin cambios significativos en sus cadenas de suministros. De hecho, ya existen ciertas empresas del sector que van por este camino. Otro aspecto beneficioso para las empresas aeroespaciales que buscan emplear tecnologías de fabricación aditiva es en el sector del mantenimiento de aeronaves, pues permitiría una producción distribuida a menor coste. Se pueden producir piezas y recambios de piezas complejas a bajo volumen según se necesiten en lugares remotos e incluso para aeronaves cuya producción se ha desfasado y para las que ya no se fabrican piezas de recambio. A largo plazo, se espera que las empresas del sector aeroespacial adopten el 4º camino, es decir, una personalización masiva de sus productos junto con el empleo de las tecnologías de fabricación aditiva para una fabricación que responda a la demanda. Esto llevará a la evolución de nuevos modelos de negocios y a la desintermediación de la cadena de suministros. 162 4.2.2. Estudio de casos específicos. Con lo estudiado en el apartado anterior, se realizará un análisis en más profundidad usando como base el concepto de los cuatro caminos estratégicos presentados asociando casos reales de empresas que se encuentran en cada uno de ellos y así poder realizar con mayor facilidad un análisis de la implementación de las tecnologías de fabricación aditiva en el sector. Aunque se estudiarán diversas empresas, es importante resaltar que la clasificación de éstas en los cuatro caminos estratégicos no es algo que sea rígido o firme. Es decir, es posible nombrar ejemplos de una misma empresa realizando diferentes ejemplos de tareas que se podrían encuadrar dentro de diferentes caminos estratégicos. Esto simplemente pone de relieve la evolución de la empresa a través de los niveles de adopción de las tecnologías de impresión 3D; en esencia, ya que una empresa es una entidad en continuo desarrollo y cambio, no se puede encuadrar firmemente dentro de cualquiera de estos “caminos” por mucho tiempo por lo que se ruega tomar estos ejemplos con este concepto presente. 4.2.2.1. Empresas pertenecientes al primer camino estratégico. Como se hizo evidente en el análisis del apartado anterior, la gran mayoría de las empresas aeroespaciales se encuentran actualmente en alguna de las etapas de este camino estratégico. Como se detalló, dichas empresas no buscan alterar de manera significativa sus productos o cadena de suministros sino introducir el empleo de las tecnologías de fabricación aditiva en tareas de diseño, fabricación de moldes, utillajes y herramientas así como para ensayos y fabricación esporádica de algunas piezas. Esto reduce costes y tiempos asociados a dichos procesos, por lo que dichas empresas se pueden beneficiar de este aspecto sin realizar grandes cambios en su modelo productivo. Aunque no supone el caso ideal en cuanto a implementación de estas tecnologías en las empresas a largo plazo, es un buen primer paso para que muchas se familiaricen con las particularidades de estas tecnologías en las etapas tempranas de desarrollo en la que se encuentran la mayoría de las tecnologías de impresión 3D en cuanto a aplicaciones más serias dentro del sector aeroespacial. Con el desarrollo esperado de estas tecnologías más enfocadas al sector aeroespacial que se prevé para los próximos años, se espera que muchas de las empresas que se encuentran actualmente en este camino pasen a otros, buscando implementar la tecnología de impresión 3D a un nivel más profundo dentro de su modelo de negocios. A continuación se presentarán ejemplos de empresas que se han beneficiado de algún aspecto de este camino estratégico recientemente. 163 “Boeing”. Figura 4-1: logotipo actual de la empresa “Boeing”. En cuanto a tiempos de desarrollo, las empresas de este camino estratégico pueden ahorrarse en el rango del 43 al 75% frente a métodos convencionales para la fabricación de prototipos y modelos funcionales [377]. Un claro ejemplo de esto lo muestra la empresa norteamericana “Boeing” con el desarrollo y fabricación un prototipo a escala 17:100 de un UAV con características VTOL en menos de 30 días, tarea que hubiese requerido varios meses más si no se hubiesen empleado tecnologías de fabricación aditiva en esta etapa [379]. En respuesta a una propuesta de DARPA (“Defense Advanced Research Projects Agency” – agencia de proyectos de investigación de defensa avanzados) para un UAV VTOL bajo el proyecto “X-Plane”, tras un ciclo de 3 días de diseño, 10 días de obtención de materiales y piezas y dos semanas para su fabricación, ensamblaje y vuelo [380], a Boeing se le adjudicó el contrato de $9,4 millones de dólares americanos para su desarrollo, refinamiento y posterior fabricación el 27 de agosto de 2014 [381]. Dicha aeronave, que la empresa ha nombrado como “Phantom Swift” o fantasma veloz, podrá alcanzar velocidades de vuelo de crucero de entre 300 y 400 kts, alcanzar una relación L/D de al menos 10 y transportar una carga de pago de unas 2 toneladas, así como despegar y aterrizar en vertical al igual que realizar vuelo a punto fijo de manera eficiente. Un modelo conceptual de dicha aeronave se puede visualizar en la Figura 4-2. Figura 4-2: modelo conceptual del UAV “Phantom Swift” de “Boeing”. Si no se hubiesen empleado tecnologías de fabricación aditiva para llevar a cabo la fabricación del prototipo funcional a escala (mostrado en la Figura 4-3), es posible que a la empresa no se le hubiese concedido el contrato o, en un caso más favorable, hubiese tardado más tiempo y hubiese resultado mucho más costoso desarrollar y fabricarlo. 164 Figura 4-3: prototipo funcional de un UAV de VTOL fabricado por la empresa “Boeing” en menos de 30 días de desarrollo. Para este cometido, se emplearon máquinas de sinterización en lecho de polvo de resinas termoplásticas para fabricar la mayoría de los elementos estructurales del prototipo a escala, que se pueden visualizar en la Figura 4-3. “NASA”. Figura 4-4: logotipo actual de la agencia estadounidense “NASA”. Otro ejemplo de una empresa que ha realizado acciones que se podrían considerar como pertenecientes al primer camino estratégico para la adopción de las tecnologías de fabricación aditiva es la agencia gubernamental estadounidense “NASA”. No sólo se emplearon las tecnologías de fabricación aditiva para ahorrar costes de iteraciones en los diseños iniciales de las piezas de los vehículos de exploración de Marte mostrados en la Figura 4-5, sino que se ha optado por emplear máquinas de “Stratasys” que emplean la tecnología “FDM” para fabricar de manera aditiva unos 70 componentes de dichos vehículos empleando termoplásticos de altas prestaciones, incluyendo conductos interiores y elementos estructurales como los mostrados en la Figura 4-6, tal como se puede comprobar en [377] y [382]. 165 Figura 4-5: prototipos funcionales de vehículos de exploración de marte de “NASA” durante pruebas en el desierto que contienen unas 70 piezas diferentes fabricadas mediante “FDM”. Figura 4-6: ejemplos de dos piezas fabricadas de termoplásticos de altas prestaciones por máquinas de “FDM” en el vehículo de exploración de Marte de la “NASA”. Éste es un claro ejemplo de una empresa que ha aprovechado los beneficios que ofrecen las tecnologías de fabricación aditiva para reducir costes en el diseño de un nuevo producto sin repercutir de manera significativa en su cadena de suministros y en el producto en sí. La fabricación de los 70 componentes mediante fabricación aditiva se considera un uso esporádico de estas tecnologías para la fabricación, ya que el producto en sí se considera el vehículo completo, que en su mayoría se ha fabricado empleando tecnologías convencionales. “ACS”. Figura 4-7: logotipo actual de la empresa “ACS”. El caso de la empresa de mantenimiento y reparaciones aeronáuticas “ACS” o “Advanced Composite Structures” [383] se centra en la implementación de las tecnologías de fabricación aditiva para la fabricación de utillajes guía y de sujeción que se ajusten a las necesidades de cada cliente. Especializada en reparaciones de daños en elementos fabricados en materiales 166 compuestos, la empresa ha optado por el empleo de sistemas de “FDM” en vez de la fabricación de sus utillajes mediante métodos convencionales, que suponían en torno al 80% del coste final de la reparación, según se refleja en [377]. La Figura 4-8 muestra ejemplos de dichos utillajes. Figura 4-8: ejemplos de utillajes altamente personalizados fabricados mediante “FDM” empleados para la reparación de componentes aeronáuticos por la empresa “ACS”. Según la propia empresa, debido al bajo volumen de trabajo que realizan para un mismo tipo de aeronave o daño, los costes asociados a la fabricación de utillajes les hacían perder competitividad pues no podían amortizarlo adecuadamente debido a su línea de trabajo especializado. Al optar por las tecnologías de fabricación aditiva para fabricar dichos elementos ajustados a cada trabajo mediante técnicas de ingeniería inversa, ha permitido no solo reducir sus costes de manera sustancial, sino que tiempo de espera o “Order Lead Time” (“OLT”) se ha visto reducido casi en un 96% con comparación con el empleo de métodos de fabricación convencionales. Esto les ha hecho ganar en competitividad sin repercutir de manera sustancial en el servicio que ofrecen. 4.2.2.2. Empresas pertenecientes al segundo camino estratégico. Se recuerda que el segundo camino estratégico consistía en la evolución de la cadena de suministros de una empresa aeroespacial sin impactar de manera sustancial en el producto que ofrecen. Aunque no se espera que este camino estratégico sea seguido por un gran número de empresas hasta el medio plazo, existen ejemplos actuales de algunas empresas que están empezando a seguir este camino al introducir máquinas de fabricación aditiva para tareas que impactan en dicha cadena. Actualmente, la estructura de la cadena de suministros de las empresas aeroespaciales consiste en la fabricación y ensamblaje de sistemas y subsistemas complejos en pocos lugares, el almacenamiento de piezas en almacenes centralizados y la llevada a cabo de las tareas de mantenimiento y revisión de aeronaves en pocos lugares específicos. Las aeronaves comerciales de “Boeing” y “Airbus” típicamente consisten en varios millones de piezas que se han fabricado y transportado desde distintos puntos de fabricación alrededor del planeta. Esto presenta el caso en el que las aerolíneas, para evitar largas demoras y periodos de inactividad de elementos de su flota de aeronaves cuando éstas se enfrentan a averías o tareas de mantenimiento, tiendan a mantener grandes inventarios de piezas de repuesto que, en su mayor parte, 167 permanecen sin usar y acaban pasando a ser piezas obsoletas al evolucionar los diseños de las aeronaves. Esto repercute en un gasto adicional para las aerolíneas de obsolescencia y espacio del inventario, que se puede paliar mediante el empleo de tecnologías de fabricación aditiva. Empleando éstas, pueden coexistir con los métodos de fabricación convencionales según la Regla de Pareto del 20/80 para fabricar los repuestos menos usados pero que suelen acaparar la mayor parte del espacio de inventario. Esto es, se mantienen en inventario los repuestos más usados –que suelen ser la minoría– que han sido fabricados mediante métodos convencionales, y se emplean máquinas de fabricación aditiva en los lugares de mantenimiento para fabricar los repuestos menos empleados según haya demanda para ellos. Esto contribuye a que las aerolíneas puedan mantener inventarios más escuetos para así ahorrar espacio en almacenes y ahorrar en sus subsiguientes gastos asociados. Según se vayan abaratando las máquinas de fabricación aditiva a medio plazo, tareas de mantenimiento, reparación y revisión de aeronaves podrían beneficiarse en cuanto a coste al cambiar a un modelo de cadena de suministros más distribuida habilitada mediante el empleo de impresoras 3D. La fabricación de repuestos según se necesiten es relevante cuando se tiene en cuenta la fabricación de piezas complejas a bajos volúmenes de producción o la fabricación de repuestos para aeronaves obsoletas que ya no disponen de repuestos o si alguna aeronave necesitara alguna pieza en lugares remotos. Por lo tanto, los ejemplos actuales más notables de empresas que han empezado a recorrer este segundo camino estratégico corresponden a empresas que buscan transformar sus cadenas de suministros en cuanto a tareas de inventariado de piezas de repuesto y la reparación de componentes y piezas complejas. “BAE Systems”. Figura 4-9: logotipo actual de la empresa “BAE Systems”. Esta empresa británica proveedora de servicios integrados [384] que acomete, entre muchas otras aplicaciones, los servicios de mantenimiento de cualquier aeronave para la que obtienen las certificaciones correspondientes, ha mostrado su inclusión dentro del segundo camino estratégico al modificar la manera en la que su cadena de suministros fabrica y proporciona una pieza de repuesto a sus clientes. Según se detalla en [385], la empresa se encontró con el problema de que su suministrador de una pieza en particular –un elemento de tubo respirador de ventanas que impide que se empañen éstas durante el vuelo de una aeronave, “BAe 146” (Figura 4-10)– había dejado de producirlas ya que dicha aeronave se encuentra desfasada y obsoleta aunque sigue operando. Anteriormente fabricadas mediante la técnica de inyección en molde, estas piezas 168 termoplásticas hubieran costado alrededor de los $23.000 (USD) sólo para la fabricación de moldes y utillajes, y sólo hubiera salido rentable si se hubieran fabricado tiradas de miles. Figura 4-10: pieza de repuesto fabricada mediante “SLS” para la aeronave BAe 146 por la empresa “BAE Systems”. Sin embargo, sólo se requerían alrededor de las 300 piezas para cubrir su demanda. Enfrentados a esta situación y a una espera de meses, la empresa decidió explorar la vía que las tecnologías de fabricación aditiva ofrecían. A tal efecto, consiguieron que otra empresa les fabricara la pieza en cuestión de nailon empleando la tecnología de sinterización en lecho de polvo en dos semanas, y procedieron a su certificación por la EASA, que obtuvieron en enero de 2014 [386] con una reducción de costes del 40% en comparación a su coste anterior cuando se fabricaba de manera convencional. Figura 4-11: detalles de la pieza de nailon del tubo respirador de ventana fabricado mediante “SLS”. La Figura 4-11 muestra la pieza y el proceso que se hubo de seguir para obtener dicha certificación. Este caso fue uno de los primeros en los que una pieza fabricada mediante tecnologías de fabricación aditiva ha conseguido certificación de la EASA y se encuentra actualmente en vuelo en aeronaves comerciales. La empresa, mediante el empleo de tecnologías de impresión 3D, ha modificado su cadena de suministros ofreciendo el mismo producto pero con tiempos de entrega reducidos, tiradas de producción que se ajustan a la demanda para piezas de aeronaves obsoletas y obteniendo mayores beneficios y rentabilidad a consecuencia de ello. 169 “Rolls-Royce”. Figura 4-12: logotipo actual de la empresa “Rolls-Royce”. El fabricante de aerorreactores “Rolls-Royce” ha abogado por el empleo de las tecnologías de fabricación aditiva para sus instalaciones de reparación avanzadas en Alemania. Según [387], la rama alemana de esta empresa ha instalado máquinas de depositado mediante energía dirigida (“DED”) para poder llevar a cabo la reparación de piezas complejas de los aerorreactores que de otra forma habría que volver a fabricar de nuevo, usando la impresión 3D. Empleando técnicas de “laser cladding” con depositado de alambre en vez de polvo metálico, se consiguen reparar componentes como álabes de compresor, componentes de la cámara de combustión y componentes de las monturas, sujeciones y carcasas, así como fabricar o añadir geometría a las piezas existentes obsoletas para reflejar mejoras en el diseño que se hayan podido realizar, ahorrando de esta forma tener que reemplazarlas. La Figura 4-13 muestra la reparación de una sección de brida en una carcasa de un aerorreactor [388]. Figura 4-13: reparación de una brida (“flange”) en una de las carcasas de un motor “Rolls-Royce” mediante “DED”. Así mismo, la Figura 4-14 muestra una estructura de malla fabricada de aleación de níquel 625 mediante “DED” en el estátor de la segunda etapa de la turbina de alta presión ya existente que incrementa de manera significativa la unión entre dicha superficie y la capa del material que forma la barrera térmica cerámica de Mg-Al-Spinel aplicada sobre los componentes metálicos para prolongar su vida útil, así como su resistencia a tensiones tangenciales. 170 Figura 4-14: geometría mallada fabricada en aleación de níquel mediante “DED” sobre un elemento del estátor de la turbina de alta presión favoreciendo las propiedades de la capa de barrera térmica (“TBC”) en un aerorreactor de “Rolls-Royce”. En este caso la empresa “Rolls-Royce” ha modificado su cadena de suministros al evitar tener que almacenar algunos de los componentes de aerorreactores más complejos como repuestos, que pueden ser reparados o mejorados empleando las tecnologías de fabricación aditiva respondiendo a la demanda que tuvieran en cada momento. “Lufthansa Technik”. Figura 4-15: logotipo actual de la empresa “Lufthansa Technik”. De manera similar al caso de “Rolls-Royce”, la empresa alemana de servicio integral de mantenimiento, reparación y revisión de aeronaves (MRO), “Lufthansa Technik”, ha optado por el empleo de las tecnologías de la impresión 3D para la reparación de álabes de las etapas de alta presión del compresor en los aerorreactores empleando técnicas de “laser cladding” de “DED”, empezando en 2014 [377]. Tras obtener las certificaciones pertinentes de EASA, la empresa puede ofrecer servicios más directos y menos costosos a sus clientes, prolongando la vida útil de las piezas existentes y reduciendo su inventario de repuestos. La Figura 4-16 muestra cómo se reparó o reacondicionó una de las ranuras desgastadas de los álabes del compresor de alta presión de un aerorreactor empleando “laser cladding”. 171 Figura 4-16: reacondicionamiento de ranura desgastada de álabe del compresor de alta presión en un aerorreactor mediante “laser cladding”. 4.2.2.3. Empresas pertenecientes al tercer camino estratégico. El tercer camino estratégico, se recuerda, busca la evolución del producto que la empresa aeroespacial ofrece, habilitado mediante la adopción de tecnologías de fabricación aditiva pero sin una modificación significativa de su cadena de suministros. Se busca emplear las ventajas que estas tecnologías ofrecen para que el producto alcance nuevos niveles de funcionalidad, rendimiento e innovación que hasta ahora ha sido prohibitivo o imposible mediante el empleo de tecnologías de fabricación convencionales. De nuevo, junto con el segundo camino estratégico, éste es una vía que se espera que las empresas aeroespaciales adopten a medio plazo, aunque ya existen numerosos ejemplos de algunas que realizan actividades pertenecientes a este grupo. En esencia, las empresas que pertenecen a este camino emplean las tecnologías de fabricación aditiva para ofrecer una mayor personalización o aumentar la variedad de productos que ofrecen, ofreciendo así un mayor alcance o extensión. A su vez, esto implica el empleo de las tecnologías de impresión 3D para la fabricación de piezas finales en mayor medida que en los dos caminos anteriores. Esto permite las siguientes ventajas para estas empresas que persiguen este camino: Fabricación de piezas de diseño complejo: el empleo de las tecnologías de fabricación aditiva permiten el diseño de las piezas teniendo en mente la geometría y topología que deben adoptar para optimizar su rendimiento en su aplicación. Esto es completamente distinto a cómo se diseñan piezas complejas de manera convencional – es decir, las limitaciones de las tecnologías de fabricación tradicionales son las que determinan la geometría de las mismas. Geometrías complejas: se pueden emplear tecnologías de fabricación aditiva para fabricar piezas que contengan cavidades y canales internos y estructuras de celosías o malladas sin que suponga ningún inconveniente. Esto permite el rediseño de piezas optimizando el uso del material, ya que se eliminaría el exceso de material estructural a la vez que se mantiene la resistencia de la pieza. 172 Reducción del material desechado: uno de los aspectos más importantes en cuanto a la fabricación de piezas aeronáuticas es el parámetro que se conoce como la relación “buy-to-fly”. Se trata de una medida de la cantidad de material que finalmente acaba formando parte de la aeronave frente al material que se adquirió para fabricar dichas piezas y componentes. Los materiales empleados en el sector aeroespacial, como el titanio, níquel y otras aleaciones, presentan altos costes, por lo que se busca que esta relación esté lo más cercana a la unidad. Sin embargo, la naturaleza de estos materiales hace que para fabricar las piezas complejas de las aeronaves mediante técnicas convencionales (como el mecanizado) se desperdicie una gran cantidad de éstos, tanto como el 80% o el 90% en los casos más extremos. El empleo de las tecnologías de impresión 3D puede permitir reducir la relación al entorno del 1,2:1 e incluso llegar al 1:1, el caso más ideal, pues con la fabricación aditiva se emplea todo el material para la fabricación en la mayoría de los casos. Simplificación de las piezas: otra de las bazas de las tecnologías de fabricación aditiva consiste en condensar varias piezas de un conjunto existente en una sola elemental o en pocas en comparación con las originales. Las restricciones impuestas por los métodos de fabricación convencionales al enfrentarse a diseños complejos llevan a esta situación – muchas veces es imposible fabricar un componente de una sola pieza, por lo que se ha de convertir en un ensamblaje de varias. Esto trae consigo el inconveniente de añadir al número total de piezas que se han de fabricar así como incrementar las probabilidades de fallos en dichos componentes, por no decir el incremento en esfuerzos de mantenimiento, inventariado, etc. La impresión 3D permite fabricar de una sola vez el componente de una sola pieza, por lo que gana en todos estos aspectos. Mejora de la funcionalidad de las piezas: la integración de la electrónica en las piezas conforme se van fabricando de manera aditiva trae consigo la posibilidad de fabricar componentes “inteligentes” que permitan la monitorización de los materiales, cargas, ambiente, etc., por lo que se puede aumentar la eficiencia de las tareas de revisión y mantenimiento al disponer de información del estado de cada componente, así como su uso en aplicaciones de vuelo. Aunque este campo aún está dando sus primeros pasos, ya se han estudiado algunas tecnologías en este Proyecto que podrían ser buenas candidatas para estas aplicaciones, como es el caso de la fabricación mediante consolidación ultrasónica. Facilitación de la personalización de los productos: empleando otra de las fuertes bazas de las tecnologías de fabricación aditiva, al no haber necesidad de emplear moldes o herramientas especializadas para realizar la fabricación, no existe penalización por personalizar tiradas cortas de ciertos componentes según las especificaciones de cada cliente. Esto conlleva tiempos reducidos de puesta en servicio de los productos y una mayor competitividad para las empresas aeroespaciales. 173 Las siguientes empresas aeroespaciales constituyen ejemplos concretos de empresas que han seguido este camino estratégico aprovechando algunas de estas ventajas para mejorar sus productos. “GE Aviation”. Figura 4-17: logotipo actual de la empresa “GE Aviation”. El caso de “GE” es el de una empresa de fabricación de aerorreactores que está apostando fuerte por las tecnologías de fabricación aditiva. A pesar de los muchos inconvenientes y problemas que estas tecnologías aún deben superar si se han de usar de manera más amplia en el sector aeroespacial, esta empresa presenta dos ejemplos claros que la pueden encuadrar en actividades del tercer camino estratégico de la implementación de las tecnologías de impresión 3D. En primer lugar, la nueva generación de turbofan que la empresa desarrolla en conjunto con la francesa “Snecma” (“LEAP”) mediante “CFM International” posee la novedad de emplear materiales compuestos avanzados para la fabricación de los álabes del fan. Cada álabe, a su vez, lleva acoplado una sección de refuerzo y de adecuación del flujo de aire en su borde de ataque fabricada de aleación de titanio (Ti-6Al-4V) para brindarle más resistencia al álabe y aumentar la eficiencia del motor al mejorar el flujo. La geometría de los álabes es compleja, y estas secciones de titanio deben adoptar dichas geometrías altamente difíciles de obtener sin un gran esfuerzo de mecanizado y despilfarro de material [389]. Por esta razón, “GE” ha optado por emplear máquinas de fusión de metales en lecho de polvo (“EBM”) para fabricar las secciones más complejas de estos elementos de titanio acoplados a cada álabe del fan, simplificando y aliviando el esfuerzo sobre las tecnologías de fabricación convencionales y, de esta forma, disminuyendo el coste en material y mecanizado. Dichos elementos de titanio se pueden apreciar en la Figura 4-18. Constituyen un ejemplo del empleo de tecnologías de impresión 3D para fabricar una pieza de diseño complejo. 174 Figura 4-18: refuerzos de titanio de los álabes del fan del nuevo aerorreactor de “GE” cuyas secciones más complejas se han fabricado mediante “EBM”. En segundo lugar, la empresa “GE” supone un gran ejemplo en cuanto a ganar funcionalidad y mejorar piezas mediante su simplificación. También para la nueva serie de aerorreactores “LEAP” y las generaciones posteriores ya en vías de desarrollo como el “GE9X” y “GEnx”, la empresa ha optado por el empleo de las tecnologías de fabricación aditiva para las boquillas inyectoras de combustible, como la mostrada en la Figura 4-19. Anteriormente, dichos componentes consistían en más de 20 piezas que se tenían que ensamblar, aumentando su coste y probabilidades de fallo – sin embargo, al fabricarlas de manera aditiva, se pueden producir directamente de una sola pieza [389]. Figura 4-19: inyector de combustible de los nuevos turbofan “LEAP” fabricados por “GE” mediante AM. 175 Empleando técnicas de fusión de metales en lecho de polvo (“SLM”) y una aleación de cobaltocromo, la empresa ha conseguido que las complejas estructuras internas de dicho componente se puedan fabricar sin suponer el gasto y esfuerzo productivo que hubiese supuesto en caso contrario. La Figura 4-20 muestra el proceso de fabricación de estos componentes en el interior de una de las máquinas de “SLM”. Figura 4-20: fabricación de los inyectores de combustible del aerorreactor “LEAP” mediante “SLM”. De esta forma, según [390], la empresa espera poder fabricar 19 de estos inyectores para cada aerorreactor; producirá 1.000 de éstas durante 2015 y se espera que lleguen a una producción anual de 40.000 en 2020. “Airbus”. Figura 4-21: logotipo actual de la empresa “Airbus”. El caso de “Airbus” es el de otra empresa aeroespacial que está involucrada de manera firme con las tecnologías de fabricación aditiva, especialmente en cuanto a la fabricación de piezas de geometrías complejas. Ya a principios de 2014, según [391], “Airbus” realizó un estudio junto con la alemana “EOS” para determinar la rentabilidad y sostenibilidad del empleo de tecnologías de impresión 3D en el entorno de la producción industrial aeroespacial a largo plazo. Para realizar el estudio, la empresa rediseñó una pieza estándar de acero, en concreto un soporte bisagra de las góndolas del motor presente en la serie “A320”, consiguiendo fabricarla en aleación de titanio con una geometría más compleja, como se muestra en la Figura 4-22. Dicha pieza originalmente se fabricaba mediante un proceso de fundición mientras que actualmente se fabrica de manera aditiva empleando la sinterización de metales en lecho de polvo (“DMLS”). 176 Figura 4-22: varias iteraciones de uno de los soportes bisagra de la góndola del motor de un “A320” rediseñado y fabricado en titanio mediante “DMLS”. La pieza de acero obtenida mediante fundición original se encuentra a la derecha. El peso total de la pieza se ha reducido en un 40% mediante el empleo de una geometría óptima y del titanio, reduciendo el peso total de una aeronave “A320” en 10 kg en total debido a esto. A raíz de esto, la empresa ha obtenido la certificación de vuelo de varios componentes de su línea de aeronaves, incluida el “A350 XWB”, que emplearán soportes y otros elementos estructurales menores fabricados mediante la impresión 3D con geometrías complejas y en otros materiales para ahorrar en peso, tiempo y coste de material [392]. Así mismo, el empleo de componentes fabricados mediante fabricación aditiva se encuentra a bordo del satélite de comunicaciones “Atlantic Bird 7”, así como el UAV “Atlante”. “Lockheed Martin”. Figura 4-23: logotipo actual de la empresa “Lockheed Martin”. El último ejemplo de empresas aeroespaciales que han realizado actividades que las sitúan en el tercer camino estratégico para la adopción de las tecnologías de fabricación aditiva es la norteamericana “Lockheed Martin”. Dicha empresa ha pasado a fabricar uno de los soportes de detección de fuga de aire de sangrado (“BALD” – “Bleed Air Leak Detection”) empleado en aerorreactores de sus aeronaves usando la técnica de fundido mediante haz de electrones (“EBM”). Empleando máquinas de “Arcam AB”, se ha conseguido fabricar dichos componentes de aleación de titanio (Ti-6Al-4V) reduciendo el coste de fabricación de la pieza en torno al 50%, según [393]. Aunque el material para el proceso de fabricación aditiva sea más caro que el titanio comercial usado para el mecanizado, resulta que de forma convencional se obtiene una relación “Buy-to-Fly” del 33:1 mientras que el proceso aditiva obtiene una relación en torno al 1:1, por lo que el precio total es mucho menor. La Figura 4-24 muestra dicho componente. 177 Figura 4-24: soporte de detección de fuga de aire de sangrado fabricado en titanio mediante “EBM” antes (arriba) y después (debajo) del post-procesado. Este caso representa un claro ejemplo de reducción de la cantidad de material que se perdería para fabricar la pieza mediante un método convencional frente al empleo de casi la totalidad del material en el caso de fabricarlo de manera aditiva. 4.2.2.4. Empresas pertenecientes al cuarto camino estratégico. Por último, las empresas aeroespaciales pertenecientes al cuarto camino estratégico buscan emplear las ventajas de las tecnologías de fabricación aditiva para alterar tanto sus productos como la estructura de sus cadenas de suministros. El modelo de negocios de las empresas evolucionaría al haber un nuevo tipo de colaboración con los proveedores para la creación de nuevos productos empleando tecnologías de fabricación aditiva, y esfuerzos de las empresas aeroespaciales a largo plazo podrían involucrar la adquisición de empresas desarrolladoras y fabricantes de impresoras 3D especializadas para así desarrollar tecnologías propias enfocadas a sus productos. Este es un camino que se espera que adopten las empresas aeroespaciales a largo plazo de manera significativa, en una, dos o tres décadas. Esto dependerá de la velocidad a la que se desarrolle la tecnología de impresión 3D, a la vez que se vayan superando los problemas que existen y surgirán con esta tecnología. A pesar de que aún es imposible que ninguna empresa del sector aeroespacial pueda adoptar y llevar a cabo este camino por completo, es decir, depender enteramente de las tecnologías de fabricación aditiva en sus proveedores de su cadena de suministros y en la fabricación de sus productos, existen algunos ejemplos notables de empresas que recientemente han tomado algunas acciones que las sitúan a la vanguardia del conjunto empresarial aeroespacial por apostar por llevar a cabo una adopción de la impresión 3D a un nivel que ninguna otra empresa haya hecho hasta el momento, suponiendo un mayor riesgo que las que aún no se han decidido a tomar pasos de esta magnitud. A continuación se analizarán tres casos de empresas que ya han sido analizadas en otros apartados anteriores pero que, por sus acciones particulares adicionales, merecen mención aquí. 178 “Lockheed Martin”. Figura 4-25: logotipo actual de la empresa “Lockheed Martin”. El primer caso que se estudiará es el de “Lockheed Martin”, que ya tuvo mención por emplear máquinas de fabricación aditiva para mejorar sus productos actuales en el apartado anterior. Sin embargo, esta empresa aeroespacial también muestra un claro ejemplo de modificación de su cadena de suministros interactuando y colaborando más estrechamente con ella, buscando colaborar e incluir empresas de fabricación aditiva. En este caso, se trata de la empresa norteamericana que se estudió en este Proyecto conocida por la fabricación de la mayor máquina en cuanto a dimensiones de la tecnología de depositado mediante energía dirigida (“DED”), “Sciaky Inc.”. Según [394], para el desarrollo de la aeronave de combate “F-35” de siguiente generación (Figura 4-26), que será fabricada por “Lockheed Martin”, se empleará a “Sciaky Inc.” para la fabricación de un elemento considerable de la estructura de las aeronaves en titanio, en concreto del larguero de los “flaperons”13, que se puede apreciar en la Figura 4-26. Figura 4-26: caza “F-35” de la empresa “Lockheed Martin”. 13 Superficies del ala que pueden actuar simultáneamente como “flaps” y alerones. 179 Figura 4-27: larguero de titanio de los “flaperon” del caza “F-35” fabricado mediante “EBDM”. A diferencia de otras empresas, es la primera vez que un importante elemento estructural será fabricado en una serie de producción completa empleando la fabricación aditiva. Esto es, “Lockheed Martin” ha empezado a modificar su cadena de suministros al buscar y asociarse con una empresa por su experiencia y conocimiento dentro del campo de la fabricación aditiva por encima de cualquier otro factor, colaborando de forma estrecha con ella. El diseño complejo y el empleo del “EBDM” producen una pieza que “Lockheed Martin” espera les ahorre unos $100 millones a lo largo de los 30 años de vida útil de la aeronave en comparación con la fabricación de dicha pieza mediante tecnologías convencionales [377]. La empresa se plantea actualmente la fabricación de otros elementos estructurales de sus aeronaves empleando la fabricación aditiva en un futuro próximo. “GE Aviation”. Figura 4-28: logotipo actual de la empresa “GE Aviation”. “GE Aviation” presenta el caso de una empresa aeroespacial que no sólo está llevando a cabo pasos para modificar sus productos empleando tecnologías de fabricación aditiva, sino que ya ha tomado un paso adicional buscando alterar su cadena de suministros a largo plazo. Éste consiste en la adquisición por parte de la empresa de dos compañías norteamericanas dedicadas a la fabricación aditiva: “Morris Technologies” y “Rapid Quality Manufacturing” a principios de 2013. Es importante notar que dichas empresas no se tratan de desarrolladores de impresoras 180 sino que son empresas que buscan investigar en este campo y fabricar empleando máquinas de diferentes tecnologías de diversos fabricantes que ya se han estudiado en el segundo capítulo, enfocadas a la fabricación de piezas aeroespaciales, como las mostradas en la Figura 4-29 – donde también se muestran las máquinas de “DMLS” que poseen de “EOS”. Figura 4-29: Álabe de turbina fabricado por “Morris Technologies” para “GE” (izq.) y máquinas de “DMLS” de las que dispone (der.). Así mismo, según [377], “GE Aviation” aumentará su plantilla de personal dedicado exclusivamente a la fabricación aditiva, que pasarán de los 70 que tenían en 2013 hasta los 210 para 2017. Con estos pasos la empresa buscará aumentar la producción propia de componentes fabricados mediante la impresión 3D a medio plazo, comenzando a evolucionar su cadena de suministros al depender menos de proveedores tradicionales y realizar gran parte de la fabricación en sus propias instalaciones mediante la impresión 3D. “NASA”. Figura 4-30: logotipo actual de la agencia estatal “NASA”. El último ejemplo consiste, de nuevo, en la agencia norteamericana “NASA”. Junto con la empresa de fabricación aditiva “Made in Space” [395], ha colaborado desde 2010 y sigue colaborando para llevar máquinas de fabricación aditiva fuera de nuestro planeta, en concreto a la Estación Espacial Internacional. “Made in Space” ha desarrollado una impresora de “FDM” que, empleando termoplásticos, se ha diseñado para que pueda funcionar en condiciones de microgravedad como las que se 181 encuentran en los satélites que orbitan la Tierra, como en la ISS. La han nombrado “Zero-G Printer” y se puede visualizar en la Figura 4-31. Figura 4-31: impresora de “FDM” “Zero-G Printer” de “Made in Space”. Dicha impresora servirá como plataforma experimental para estudiar los efectos a largo plazo sobre piezas fabricadas mediante “FDM” en y expuestas a condiciones de microgravedad. Para ello, se imprimieron una serie de piezas en la Tierra antes de su lanzamiento a órbita para comparar posteriormente con las mismas piezas que se imprimirán en la ISS. Según [396], [397] y [398], el 20 de septiembre de 2014 se lanzó dicha impresora desde Cabo Cañaveral pero no fue hasta el 17 de noviembre cuando se finalizó su instalación en la ISS. En diciembre de 2014 se imprimió el primer objeto en la órbita terrestre, una llave de carraca, que se puede visualizar en la Figura 4-32 junto con el astronauta Butch Wilmore, comandante de la estación. 182 Figura 4-32: impresora de “FDM” instalada en la ISS (arriba) y astronauta comandante de la ISS con la llave de carraca recién fabricada por dicha impresora (debajo). En el año 2015 la empresa planea enviar a la ISS otra impresora 3D comercial, que podrá fabricar piezas en más materiales. Una impresora de metales que trabaje en ambientes de microgravedad también está en desarrollo. Este caso es un importante avance pues abre la puerta a la fabricación de componentes y piezas en lugares remotos –es decir, una capacidad de fabricación distribuida – que cobra especial relevancia en el contexto espacial. Cada pieza y componente que se requiera para satélites o estaciones espaciales ha de ser fabricada en la Tierra y posteriormente una cantidad altamente desmesurada de energía –y, por consiguiente, de recursos económicos– han de emplearse para hacerla llegar a la órbita terrestre. Si la capacidad de fabricación remota se traslada a lugares fuera de la Tierra, una de las grandes barreras para la exploración y colonización del espacio se habrá superado. Aunque se mantendrá la necesidad de enviar materiales avanzados desde la Tierra para estas máquinas, con el tiempo se podrían aprovechar los recursos presentes en otros cuerpos celestes para minimizar las cantidades y tipos de material que serían necesarios enviar. De nuevo, se recuerda que los ejemplos que se han presentado a lo largo de esta sección no se han de tomar como hechos puntuales o casos aislados, sólo son una selección de los más relevantes dentro del sector aeroespacial. Es importante resaltar el hecho de que la gran mayoría –por no decir todas– las empresas aeroespaciales actuales han adoptado las tecnologías de fabricación aditiva en actividades que corresponden a alguno de los caminos estratégicos estudiados aquí, y se espera que a largo plazo su papel se vuelva aún más relevante para éstas. 183 4.2.3. Casos de AM en el entorno institucional-educativo de Sevilla. Dentro de este apartado se hará una breve mención a algunos casos concretos de la adopción de las tecnologías de impresión 3D en el entorno educativo e institucional de la Universidad de Sevilla y su entorno. No se pretende entrar en gran detalle, simplemente se pretende poner de realce casos anecdóticos para mostrar cómo van penetrando incluso en el entorno más cercano estas tecnologías que aquí se pueden haber estudiado como algo lejano o que aún está por llegar al día a día. Actualmente se tiene constancia de que la propia Universidad tiene al menos tres impresoras o departamentos que trabajan con ellas. Sin embargo, en todos los casos se trata de impresoras de “FDM” que emplean termoplásticos para la fabricación de modelos y piezas para su estudio. Se tiene constancia de que en la Escuela Técnica Superior de Ingeniería el Departamento de Ingeniería Aeroespacial posee una en sus laboratorios, así como la Escuela de Arquitectura. La Escuela Politécnica Superior también posee otra impresora, que el autor tuvo ocasión de visitar e investigar de cerca, cortesía de D. Arturo Fernández de la Puente Sarriá y del personal de laboratorio que operan con dicha impresora. Se trata de un modelo ya desfasado de la empresa “Stratasys” de “FDM”, en concreto, el “Dimension SST 1200”, que se puede apreciar en las siguiente Figura 4-33, así como un muestrario de piezas que se han fabricado con ella. Figura 4-33: Máquina de “FDM” de “Stratasys” perteneciente a la Universidad Politécnica Superior de la Universidad de Sevilla. 184 Figura 4-34: muestrario de piezas creadas mediante la impresora 3D de “FDM” de la EPS de la US. Sin embargo, la mayor mención de interés para el sector aeroespacial en el entorno de Sevilla se lo ha de llevar la empresa investigadora “FADA-CATEC”. Dentro de sus líneas de investigación, cuentan con una línea que busca indagar si el empleo de las tecnologías de fabricación aditiva en el sector aeroespacial es viable y cómo se podrían mejorar los materiales y las máquinas para lograr que lo fueran [399], [400]. La empresa actualmente cuenta con dos máquinas de fabricación aditiva [401], una de fotopolimerización “SLA” de “3D Systems” de altas prestaciones que emplea resinas fotopoliméricas y una máquina de “SLM” de “Renishaw”, en concreto el modelo que se ha estudiado en el capítulo anterior, “AM250”, que fabrica con metales en lecho de polvo mediante su fusión. Dichos equipos tal como se encuentran en la empresa se presentan a continuación. Figura 4-35: Máquinas de AM que actualmente posee “FADA-CATEC” de “SLA” (izq.) y de “SLM” (der.). 185 4.3. Análisis económico y técnico de la implementación de la AM en el sector aeroespacial. Este apartado tratará de acudir a figuras económicas y comerciales más generales dentro del sector aeroespacial que reflejen las consecuencias que han tenido para las empresas la adopción de las tecnologías de fabricación aditiva independientemente del camino estratégico escogido. Así mismo, se estudiarán previsiones económicas dentro del sector provenientes de diversas fuentes para tener alguna base cuantitativa sobre el futuro próximo del empleo de estas tecnologías en el sector, para así determinar si habrá grandes cambios en cuanto a las tecnología empleadas desde este punto de vista. Por otro lado, se estudiarán los requisitos técnicos que dichas tecnologías han debido reunir para que fueran adoptadas por las empresas aeroespaciales y se comparará con el conocimiento adquirido en los primeros dos capítulos de este Proyecto para determinar si las tecnologías que se propusieron como “de interés” han sido las que realmente se han ido empleando. En especial, se analizará los grandes retos técnicos que dichas tecnologías presentan que han impedido una adopción mayor de estas tecnologías en el sector. 4.3.1. Análisis económico. Desde el punto de vista económico, la fabricación aditiva en el mercado del sector aeroespacial actual representa una cuantía que supera los 400 millones de dólares americanos en el año 2014 [378] y se espera que se duplique para el año 2020 (Figura 4-36). Esto representa la inversión y gastos totales que las empresas han realizado en las tecnologías de fabricación aditiva, desde la adquisición de equipos, de materiales, software y la contratación de servicios relacionados con la impresión 3D. Figura 4-36: proyección desde 2014 de la inversión en AM de las empresas aeroespaciales. Como se puede apreciar, la mayor parte de los gastos corresponden a la adquisición de equipos, y se prevé que dicho punto de inversión siga siendo el más prevalente, siempre suponiendo más 186 del 60% de las inversiones totales. Es notable resaltar que los gastos en material suponen una fracción importante de los restantes tres tipos de gastos, por razones que ya se expusieron en el capítulo anterior. Así mismo, es interesante el hecho de que, dentro del sector aeroespacial, los gastos en cuanto a servicios relacionados con la impresión 3D –es decir, la contratación con empresas exteriores para que fabriquen las piezas solicitadas de forma aditiva– es también una fracción minoritaria. A pesar de las ventajas que para otro tipo de empresas la contratación de la fabricación de piezas a terceros puede suponer, las aeroespaciales se muestran más reacias por razones de secretismo empresarial y la escasez de este tipo de empresas dotadas con las máquinas y tecnologías capaces de fabricar con los estándares exigidos. Si se compara con el mercado de ventas y servicios relacionados de las impresoras 3D en su conjunto, según [402], en 2014 éste ha supuesto en torno a los 3.100 millones de dólares (Figura 4-37), por lo que si se compara con los datos correspondientes al sector aeroespacial, la inversión y gastos de éste han supuesto que para dicho año, en torno al 14% del mercado global de la impresión 3D correspondió a éste. Figura 4-37: mercado de las tecnologías de fabricación aditiva. Esto se refuerza si se contrastan datos correspondientes al año 2013, más fiables que los más recientes y las previsiones de agencia financieras. La Figura 4-38 muestra el reparto en porcentajes para el 2013 en cuanto a sectores de las ventas de sistemas de impresión 3D totales. Figura 4-38: venta de sistemas AM por sectores industriales para el 2013. 187 Para dicho año, el sector aeroespacial supuso el 12% del segmento de mercado. Se ha de tener en cuenta que para dicho sector, la mayoría de los sistemas que se adquirieron fueron sistemas industriales, entre los cuales se incluyen los que imprimen metales, que, según [403] y tal como se puede visualizar en la Figura 4-39, supusieron unas 350 impresoras vendidas en 2013. Figura 4-39: venta de impresoras 3D que procesan metales. Si se compara con el total de impresoras vendidas (Figura 4-40 [404]) en el año 2013, alrededor de las 80.000, éstas supusieron un 0,4% del total. Sin embargo, se ha de tener en cuenta que los precios de dichos sistemas, como se pudo comprobar en el capítulo anterior, son varios órdenes de magnitud superiores a los sistemas para “consumidores” (entendiendo como tales los sistemas no dirigidos a la producción industrial, cuyo coste es inferior a los $10.000), que supusieron el mayor porcentaje de ventas totales de impresoras en dicho año, de nuevo como se puede visualizar en la Figura 4-40. Figura 4-40: número total de impresoras 3D vendidas globalmente. Previsión hasta el 2017. Es decir, aunque las ventas potencialmente dedicadas al sector aeroespacial en el año 2013 fueron pequeñas cantidades de sistemas comparados con el total, su coste, varias órdenes de magnitud superior al promedio de los sistemas vendidos, hacen elevar el impacto del sector aeroespacial económicamente al 12% antes citado. De hecho, en la Figura 4-40 se puede observar un hecho interesante. Hasta ahora, y se prevé que así siga, el número total de sistemas de impresión 3D que se venderán serán los destinados a usos domésticos o no-industriales. Aunque supongan el 80% de las ventas totales, debido al 188 elevado precio de los sistemas industriales, éstos siempre superarán en cuanto a beneficios para el sector de la impresión 3D a los de “consumidores”, razón por la cual el desarrollo de estos sistemas destinados a la producción y fabricación industrial cobrarán una relevancia importante en cuanto a desarrollo y es raro que sean eclipsados por los sistemas destinados a uso doméstico. Todas las previsiones consultadas ven crecer el mercado de la fabricación aditiva de manera importante durante los siguientes 10 años. Los desarrollos tecnológicos que permitan el empleo de más materiales y que permitan superar los actuales retos técnicos de las impresoras harán que el desarrollo y venta de nuevas máquinas aumente en mayor medida durante los próximos años. Expertos del sector aeroespacial, como se recoge en [405], afirman que se prevé que el mercado para impresoras de metal crezca anualmente entre el 30 y 40% entre el 2015 y 2016 al pasar del desarrollo a la comercialización muchos sistemas nuevos enfocados a mejorar la generación actual. Comparado con el gasto total de las empresas aeroespaciales en tareas de fabricación, según [406], en 2013 esto supuso un gasto de $162.000 millones (Figura 4-41). Si se compara con el gasto en fabricación aditiva de las mismas, se tiene que este gasto no supera el 0,26%. Esto es, actualmente la penetración de las tecnologías de fabricación aditiva en el sector es casi despreciable aunque presente. De acuerdo a las previsiones, esto podría crecer hasta el 0,60% en el año 2023, es decir, podría triplicarse el gasto de las empresas aeroespaciales en cuanto al uso de tecnologías de fabricación aditiva. Figura 4-41: gastos totales del sector aeroespacial en cuanto a la fabricación. Aunque a medio plazo es muy dudoso que las tecnologías de fabricación aditiva supongan un riesgo de reemplazo para las tecnologías de fabricación tradicionales, no se puede despreciar el papel que puedan jugar a largo plazo al mejorarse y desarrollarse esta tecnología. Su uso disminuirá drásticamente los costes asociados a la producción, especialmente teniendo en cuenta que de los gastos totales, alrededor de los $11.000 millones corresponden a gastos de compra de material (Figura 4-42). Con las relaciones “buy-to-fly” actuales que rondan una media de 6:1 pero que pueden llegar a superar el 30:1 para algunas piezas, la adopción de la impresión 3D que no supera el 2:1 en el peor de los casos y cuya media ronda el 1:1, su impacto sobre este gasto podría suponer un ahorro importante. 189 Figura 4-42: gastos totales del sector aeroespacial en cuanto a materiales en el 2013. Una vez analizado el impacto económico actual y previsto para el futuro próximo de las tecnologías de fabricación en el sector aeroespacial, se estudiarán algunas de las razones por las que a los directivos de las empresas de este sector les cuesta decidir desde el punto de visto económico hacer una mayor adopción de las tecnologías de impresión 3D para tareas de fabricación. Según [377], las razones principales se pueden recoger en los siguientes puntos, tipificadas mediante preguntas típicas que los directivos de dichas empresas podrían barajar, junto con información relevante concerniente a éstas. ¿Cuán real es la fabricación aditiva? ¿Es sólo otra nueva tecnología o podría tener implicaciones a largo plazo? Aunque se han demostrado los beneficios que podrían tener las tecnologías de fabricación aditiva mediante esfuerzos de I+D recientes, éstos se han llevado a cabo en condiciones controladas y los detalles técnicos de los mismos, al igual que los económicos cuando se han llevado a cabo, no son del dominio público. Es decir, para aquellos directivos de empresas aeroespaciales que no han tenido un contacto directo con estas tecnologías, juzgar la validez de estos estudios aplicados a casos reales se les hace difícil. Como se ha podido comprobar, grandes empresas como “Boeing”, “Airbus” o “Lockheed Martin” han invertido en y han llevado a cabo extensos estudios sobre estas tecnologías, pero para empresas menores o de la cadena de suministros acceder a una información tan valiosa les es imposible ya que estas empresas no la divulgan. El arriesgado paso de destinar una gran inversión a realizar pruebas y estudios por su cuenta dificultan que se adopten estas tecnologías de una manera más extensa dentro del sector. Poseemos y entendemos los métodos convencionales de fabricación. ¿Podemos arriesgarnos a adoptar la impresión 3D sin un conocimiento y experiencia comparable? Expertos del sector de la fabricación aeroespacial tienen décadas de experiencia con los procesos de fabricación tradicionales, como el mecanizado, forjado, fundición, etc. que actualmente se emplea de manera mayoritaria para la fabricación de las piezas y componentes 190 del sector aeroespacial – así como con los materiales y las propiedades obtenidas al procesarlos mediante estos métodos. Incluso la experiencia colectiva industrial con estas tecnologías y sus resultantes materiales data de siglos. Tal como ocurre con la aparición de cualquier tecnología nueva, cada empresa valorará el riesgo que la innovación que supone posee y unas la adaptarán antes que otras. Aunque la fabricación aditiva lleva presente más de tres décadas, no ha sido hasta años recientes cuando ha empezado a cobrar una relevancia importante para el sector. Al no poseer conocimientos profundos ni experiencia sobre cómo se comportarán los materiales fabricados mediante la impresión 3D ni las posibilidades que ofrecen dichas tecnologías, muchos directivos se muestran reacios ya que podría impactar negativamente en sus ventas al enfrentarse al desconocimiento sobre los procesos. Somos fabricantes de productos variados. ¿Puede ayudarnos la fabricación aditiva en todos ellos? Algunos fabricantes de componentes aeroespaciales fabrican piezas para un rango diverso de aplicaciones, que puede no siempre ser el aeroespacial. Poseer el conocimiento necesario para determinar si una tecnología de fabricación aditiva se puede emplear para producir distintas piezas destinadas a usos diferentes puede ayudar a que se adopten en mayor medida en las empresas del sector. Ya se conoce el hecho de que una máquina de fabricación aditiva no supone coste alguno al cambiar la pieza que se quiera fabricar, siempre que sea del mismo material y proceso, por lo que en este aspecto quizá sea más fácil decidir. Fabricamos componentes altamente especializados. ¿Podemos seguir garantizando la calidad y fiabilidad de nuestros productos al emplear la impresión 3D? Este aspecto es uno en el que no se podrá responder afirmativamente con seguridad hasta que no siga avanzando la tecnología de impresión 3D actual – de hecho, la repetitividad y consistencia en la calidad de las piezas fabricadas es uno de los mayores inconvenientes técnicos actuales, como se podrá comprobar en el siguiente apartado. La calidad se refiere a tolerancias por una parte y a las propiedades del material de la pieza resultante por otro – esto último se dejará para el siguiente apartado. En cuanto a tolerancias, las tecnologías de fabricación aditiva actuales ofrecen rangos de entre los 20 a los 40 µm, pero para algunas aplicaciones aeroespaciales se requieren tolerancias menores de los 10 µm e incluso de 2 µm. Si dichas piezas se fabrican mediante las tecnologías de impresión 3D actuales, conllevan esfuerzos de mecanizado adicionales para llevar las tolerancias a los valores deseados, aumentando su coste y suponiendo un mayor tiempo de fabricación. Tras estas preguntas, también supone relevante desde el punto de vista económico empresarial los posibles cambios que la adopción de las tecnologías de impresión 3D podrían tener en cualquier empresa del sector aeroespacial para así permitir que la dirección de dicha empresa se prepare para los posibles cambios que podrían ser necesarios. La Tabla 4-3 recoge algunas consideraciones importantes que las empresas habrán de tener en cuenta en cuanto a la 191 adopción de estas tecnologías en su entorno empresarial y los posibles impactos de éstas en sus funciones empresariales, divididas por sector. Ámbito de la empresa Consideraciones y posibles impactos de la implementación de AM I+D y desarrollo de productos Se han de elegir componentes y piezas que favorezcan la fabricación mediante la impresión 3D sobre las opciones convencionales. Para romper con las actuales limitaciones en cuanto al diseño se ha de alcanzar un mayor nivel de transferencia de ideas y apertura en el ámbito inter-empresarial. Es decir, debe existir una mayor colaboración entre los profesionales para hacer avanzar la tecnología aplicada al sector aeroespacial de manera más significativa. Cadena de suministros Se debe buscar un equilibrio entre la fabricación propia y la subcontratación a proveedores en cuanto a la fabricación aditiva. Así mismo, se han de elegir proveedores de acuerdo a sus capacidades de impresión 3D y considerar oportunidades de fabricación conjunta con proveedores y clientes. Departamento legal Se han de entender las regulaciones regionales y nacionales en cuanto a la impresión 3D, sobre todo en lo concerniente a derechos de propiedad intelectual para no incurrir en delitos y para proteger los diseños propios. Recursos humanos Se ha de anticipar una demanda reducida de personal asociado a la fabricación. Así mismo, la demanda de expertos cualificados en diseño y ciencias materiales puede aumentar con el uso de la impresión 3D en la empresa, por no decir personal cualificado en su uso. Finanzas Se deben realizar estudios de comparación de costes fijos y variables de las tecnologías de impresión 3D frente a las convencionales. Informática Se deben evaluar y reconfigurar los programas y sistemas de CAD y CAM para su uso con las tecnologías de fabricación aditiva. Así mismo, se deben integrar los sistemas informáticos con las plataformas de I+D y fabricación, es decir, con las propias impresoras. Tabla 4-3: consideraciones y posibles impactos en las empresas aeroespaciales al adoptar las tecnologías AM. Junto con estas consideraciones, si se estudia desde el punto de vista de la cadena de valores de una empresa aeroespacial, es decir, el proceso que va desde la identificación de una necesidad hasta el servicio posventa, con todos los pasos intermedios de desarrollo, fabricación, entrega, marketing y ventas, se pueden identificar las ventajas económicas para las empresas que se recogen en la Tabla 4-4, junto con requerimientos y más consideraciones adicionales. Algunos de estos requerimientos ya se han mencionado o descrito anteriormente, pero se vuelven a incluir para tener una referencia más completa. Así mismo, dicha información presentada se considera un resumen final de los aspectos del análisis económico iniciado a principios de este capítulo y desarrollado a lo largo de este apartado. 192 Cadena de valores Consideraciones y requisitos Identificación de necesidades y obtención de recursos · Elección de piezas y componentes que se beneficiarán de las tecnologías de impresión 3D frente a las convencionales. · Elección de sistemas y tecnologías de fabricación aditiva adecuadas para la aplicación. · Evaluación de la contratación de servicios de impresión 3D exteriores frente a la adquisición de impresoras. · Elección de los materiales específicos para las aplicaciones de fabricación aditiva. I+D y fabricación · Requisito de mano de obra cualificada y tecnologías compatibles con la fabricación aditiva. · Estudio de la posibilidad de emplear la fabricación aditiva junto con los métodos convencionales para la fabricación. · Actividades de post-procesado. · Control de calidad. · Costes y esfuerzos reducidos para el cambio del componente fabricado. · Cambio en los esfuerzos de reciclaje de material frente a los métodos convencionales. · Esfuerzos reducidos en cuanto a modelado, fabricación de prototipos y utillajes, herramientas, moldes, etc. · Mayor flexibilidad para las iteraciones en el proceso de diseño. · Reducción de peso de las piezas. · Minimización de material malgastado. · Simplificación de las piezas. · Productos de diseño complejo. · Facilidades para la personalización de los productos. · Desarrollo de nuevos productos anteriormente prohibitivos por costes y complejidad. Entrega · Entrega adaptada a la fabricación distribuida, es decir, cercana al punto de uso. · Entregas de lotes más pequeños. · “Time-to-market” reducido. · Empaquetado y método de entrega optimizado basado en la información reunida mediante prototipos. · Planificación de los precios y promocionado de productos nuevos y superiores. · Personalización del producto a las necesidades de cada cliente. · Mayor participación con el cliente: trabajo conjunto para la fabricación de componentes y productos. · Beneficios derivados del ofrecimiento de productos innovadores y superiores. · Requerimiento de poseer ejecutivos con experiencia práctica en la fabricación aditiva accesibles y de cara a los clientes. · Planificación de repuestos teniendo en cuenta los beneficios y limitaciones de la fabricación aditiva. · Fabricación según la demanda con inventarios reducidos. · Repuestos obtenidos más rápidamente. · Inmunidad de los repuestos frente a evoluciones de las piezas. · Trabajo conjunto con los clientes para la fabricación de repuestos personalizados. · Limitaciones de escalabilidad: bajos volúmenes de producción de repuestos. Marketing y ventas Servicio posventa Impacto y ventajas de la AM · Un coste más elevado del material pero se requiere una cantidad muy inferior comparado con las técnicas de fabricación tradicionales. · Se requiere una menor inversión de capital para alcanzar economías de escala y alcance. Tabla 4-4: consideraciones estratégicas y beneficios de la adopción de las tecnologías de AM en la cadena de valores de una empresa aeroespacial. 193 4.3.2. Análisis técnico. En este apartado se analizará de una forma completa, con toda la información obtenida en este Proyecto, si la implementación de las tecnologías de fabricación aditiva en el sector de la fabricación aeroespacial es viable o no desde el punto de vista técnico. En concreto, se presentarán los grandes retos técnicos que existen actualmente que podrían obrar en contra de la implementación de estas tecnologías en el sector; aunque algunos se han ido nombrando o presentando de manera anecdótica a lo largo de este Proyecto, aquí será donde se hará el análisis exhaustivo y completo de los mismos. Por otro lado, en este apartado se pretende también presentar, desde el punto de vista técnico, las ventajas de y aquellas tecnologías de fabricación aditiva que cumplen en mayor medida los requisitos técnicos y, por esto, son las que más fácil se están adoptando y empleando en el sector en cierta medida. A su vez, se detallarán estudios sobre investigaciones que se están llevando a cabo con la intención de solucionar algunos de estos problemas. Sin embargo, antes de poder realizar dicho análisis, se hace necesario un listado más riguroso de los parámetros de las impresoras 3D que influyen de manera constatada en la calidad y propiedades de la pieza final. A tal efecto, los parámetros que se presentan a continuación son los que más influencia tienen en cuanto a la fabricación de piezas para las máquinas que emplean tecnología láser, según varias fuentes consultadas, entre las que destaca [407], con un enfoque especial en la fabricación de metales. Las que emplean haz de electrones pueden compartir algunos de estos parámetros de manera general; se ruega proceder a investigaciones más rigurosas sobre esta tecnología si resultara de interés ya que se ha decidido, por la escasez de información de la misma y por el reducido grupo de máquinas que la emplean, no indagar en ella aquí. Potencia del láser. Medida de la energía que proporciona el láser empleada para fundir o sinterizar el material en forma de polvo; se emplea la unidad de vatio (W). Distancia entre puntos. También abreviado como “PD” (“Point Distance”). El empleo de los láseres en las aplicaciones de impresión 3D no es de manera continua aunque lo parezca, sino que se trata de una serie de operaciones discretas muy veloces. A tal efecto, obtiene relevancia el concepto de distancia entre puntos, entendiendo como tal a la distancia que existe entre dos puntos de láser consecutivos (Figura 4-43). Se suele utilizar la unidad de micrómetros (µm); los círculos de mayor tamaño muestran la zona afectada por el calor del láser, es decir, la zona fundida o sinterizada, según el caso. Figura 4-43: visualización del parámetro “distancia entre puntos” o “PD”. Se muestran tres distancias diferentes. 194 Velocidad de escaneado. Este parámetro, también conocido como “SP” (“Scanning Speed”), se define como la distancia que el láser recorre por unidad de tiempo entre subsiguientes puntos de activación del láser. Es decir, es la velocidad que resulta empleando como tiempo el que transcurre entre la desactivación del láser en el punto anterior y la activación de éste recorrida una distancia igual a la distancia entre puntos (“PD”). Se suele medir en milímetros por segundo (mm/s) aunque no es raro encontrarlo en metros por segundo (m/s). La Figura 4-44 ilustra este concepto. Figura 4-44: visualización del parámetro “velocidad de escaneado” o “SP” a diferentes “PD” constantes y todo a potencia constante. Tiempo de exposición. También conocido como “ET” (“Exposure Time”), constituye el tiempo en el que un punto del láser permanece sobre el mismo lugar; se suele medir en microsegundos (µs). La Figura 4-45 ilustra dicho parámetro para tres distancia entre puntos diferentes y a potencia del láser constante. A mayor tiempo de exposición, mayor será la energía térmica transferida al polvo metálico y mayor efecto de fundido o sinterización se obtendrá. Figura 4-45: ilustración del parámetro de “tiempo de exposición” a tres distancia entre puntos diferentes y potencia del láser constante. Aunque existen otros parámetros propios del láser, como su longitud de onda o frecuencia así como diámetro del punto enfocado, éstas se consideran secundarias ya que su contribución a las propiedades del material resultante se encuentra relacionado con los parámetros anteriores y no suelen ser una variable. Para obtener algunos de estos parámetros para máquinas de interés, se ruega consultar las referencias de cada impresora que se proporcionaron en la sección correspondiente del capítulo anterior. Así mismo, existen parámetros derivados de dichas magnitudes también importantes, como la densidad de energía del láser (“E” o “Laser Energy Density”), definida como: 𝐽 𝐸[𝑚𝑚3 ] = 𝑃 [𝑊] 𝑚𝑚 ]·𝑃𝐷[𝑚𝑚]·𝑡[𝑚𝑚] 𝑠 𝑆𝑃 [ 195 (1) donde “P” corresponde a la potencia del láser y “t” a el espesor de la capa de metal metálico sobre la que trabaja. Este parámetro es más eficaz para cuantificar la cantidad de energía que se transfiere al metal en polvo por el láser que tiene fuertes implicaciones, según [408], en propiedades de la pieza resultante como la porosidad, microestructura y proporción de las distintas fases que aparecen en una aleación. Antes de realizar un análisis exhaustivo, sin embargo, se hace necesario exponer los retos técnicos que presentan las tecnologías de fabricación aditiva. 4.3.2.1. Los grandes retos técnicos que presenta la AM actualmente. Ya se ha discutido y presentado en más de una ocasión de este Proyecto las ventajas que las tecnologías de fabricación aditiva poseen y las razones por las que dichas ventajas se ajustan y beneficiarían al sector de la fabricación aeroespacial actualmente. Sin embargo, existen grandes problemas con la mayoría de las tecnologías de fabricación aditiva que se han estimado “de interés” para el sector aeroespacial que impiden en gran medida que se adopten de una manera más amplia y completa, a la vez que contribuyen a que las empresas se muestren reacias a adoptarlas. Es decir, debido a los siguientes problemas o retos técnicos, las tecnologías de impresión 3D no se podrán implementar en mayor medida en el sector hasta el punto en el que sustituyan o supongan un peligro para los métodos de fabricación convencionales. A continuación se presentan dichos retos técnicos que se detallarán apropiadamente, propuestos por [377] y [389]. Limitaciones de escalabilidad. Esto se refiere, en resumidas cuentas, a la velocidad de fabricación de las impresoras 3D. Actualmente, excepto para algunas máquinas específicas, las velocidades constructivas son demasiado lentas para ser aceptables si se requiriera de la empresa fabricar una gran cantidad de piezas en un plazo corto. Como se pudo comprobar mediante los datos de las impresoras presentados en los primeros dos capítulos, la mayoría que emplean tecnología de “DMLS” o “SLM”, es decir, las de sinterización y fusión de metales en lecho de polvo, que suponen la mayoría de los sistemas que procesan metales, tienen velocidades constructivas que rondan los 10 cm3/h. Limitaciones de tamaño. Otro aspecto que comparten la gran mayoría de los sistemas de fabricación aditiva es el reducido tamaño de las piezas que pueden fabricar si se compara con las tecnologías convencionales. Aunque existen excepciones, son pocas actualmente, y esto supone un gran impedimento para que estas tecnologías alcancen el nivel de fabricar componentes estructurales complejos como superficies sustentadoras, fuselajes, etc. 196 Rango insuficiente de materiales. Aparte del gran problema económico que existe actualmente con el suministro y comercialización del material para las grandes impresoras industriales, desde el punto de vista técnico, la escasez de variedad de dichos materiales contribuyen actualmente en gran medida a que no se puedan emplear en todas las aplicaciones que se desearían dentro del sector. Aunque es cierto que existen actualmente encarnaciones en forma de polvo metálico de aleaciones de titanio, níquel, cobalto-cromo y aceros, la cantidad de aluminios es escasa así como la variedad de sus aleaciones. Las únicas tecnologías que podrían librarse de este problema serían las que emplean material en forma de alambre o planchas como ocurre en el caso del “EBAM” y “UC” respectivamente. En esencia, si se compara con los materiales a disposición de la industria aeroespacial actual, los materiales metálicos e incluso poliméricos usados en la mayoría de los sistemas de impresión 3D dejan mucho que desear en cuanto a la variedad. Capacidad de impresión multi-material limitada. Aunque quizá se pueda considerar relativamente el menor de los factores que suponen un reto técnico de la adopción de la fabricación aditiva en el sector, aún supone una gran relevancia. No sólo se ha de considerar este aspecto por aplicaciones noveles, como la creación de materiales gradados, depositando y creando la pieza de tal manera que se aplica el material óptimo para cada aplicación en función de la geometría de la pieza, sino que también se ha de considerar desde la perspectiva de la fabricación de un producto entero. Si se tuviera dicha capacidad, se podrían fabricar directamente productos que actualmente deben ensamblarse y unirse empleando mano de obra y otros materiales y/o energía. Falta de consistencia en la calidad. El último gran reto quizá sea el más importante y el que más reacio vuelve a los directivos de las empresas aeroespaciales a adoptar las tecnologías de impresión 3D – y no sin razón. No existe actualmente repetitividad ni consistencia en la calidad de una misma pieza que se fabrique no sólo en otra máquina, sino en la misma. Incluso para piezas más pequeñas que se pueden fabricar a la vez como parte de un lote, existen importantes variaciones entre los parámetros de calidad de unas con respecto a otras. No solo esto, sino que el propio proceso y el material llevan a complicaciones difíciles de paliar o detectar actualmente como porosidades y otros desperfectos en la microestructura del material que resultan en piezas propensas a fallos inesperados. El hecho de no disponer de sistemas de metrología e inspección lo suficientemente sofisticados integrados en las impresoras que puedan ir garantizando la calidad de cada capa conforme se va depositando hace que sea imposible obtener piezas de calidades consistentes dentro de una cierta tolerancia con el estado actual de la tecnología en el mercado. Estos retos suponen la mayor parte de las razones técnicas por las que las tecnologías de fabricación aditiva no se han adoptado de manera significativa en la mayoría del sector. Es decir, por sus velocidades bajas de fabricación, pequeños tamaños de las piezas, poca variedad de materiales disponibles, incapacidad de emplear varios materiales a la vez y escasez de repetitividad y fiabilidad en la construcción que llegan a variar parámetros tan importantes como la geometría y propiedades del material, el sector aeroespacial aún no está preparado para comprometerse de manera significativa con las máquinas de fabricación aditiva actuales. 197 4.3.2.2. Análisis de las posibles soluciones a los retos técnicos de la AM actuales: identificación de parámetros clave en la falta de consistencia de la calidad. Obviamente, los grandes retos y problemas que se han detallado en la sección anterior son el objeto de gran cantidad de investigaciones por parte de la comunidad científica para poder beneficiar no sólo a las empresas de fabricación aditiva, sino a todo el sector industrial, incluido el aeroespacial. Así mismo, se torna obvio el hecho de que las soluciones a dichos problemas serían triviales: si la velocidad constructiva es baja, debe aumentar; si el tamaño de las máquinas no permite la construcción de piezas de mayores dimensiones, se debe buscar la forma de permitirlo, etc. Sin embargo, aunque conceptualmente las soluciones parecen fáciles, a efectos prácticos uno de los mayores retos para los investigadores no es adoptar las medidas necesarias para contrarrestar dichos problemas directamente, sino primero identificar fehacientemente las causas que llevan a muchos de éstos. Como bien indica [389], actualmente la impresión 3D se trata, en muchos aspectos, de un arte oscuro, donde ocurren ciertos procesos y eventos durante la fabricación de las piezas en el interior de las impresoras que aún no se conocen completamente, resultando en salidas distintas para unas mismas entradas. El mayor esfuerzo investigativo actual está encaminado a conocer profundamente los procesos y mecanismos que tienen lugar mientras se fabrican las piezas para las distintas tecnologías de impresión que existen. Una vez identificadas, y con un conocimiento mucho mayor de los procesos que ocurren, se podrán desarrollar sistemas automatizados de monitorización que controlen los parámetros y variables relevantes del proceso para así llegar a producir piezas cuya calidad sea, dentro de un cierto rango de incertidumbre admisible, consistente, como ocurre con las tecnologías de fabricación tradicionales. Es decir, gran parte de este apartado consistirá en el análisis de algunos de los resultados de las investigaciones (cuyos resultados son de dominio público) que se han llevado a cabo en años recientes para tratar de identificar el papel de ciertos parámetros de interés en la calidad de las piezas fabricadas, que llevarán parejo un conocimiento más profundo de los procesos que ocurren durante la impresión y su influencia sobre el resultado. Esto es, el reto más importante que se ha de superar antes que cualquier otro es el de asegurar la repetitividad y consistencia en la calidad de las piezas fabricadas. Sin embargo, antes de proceder con dicha tarea, se debe entender que dicho reto técnico lleva parejo la mejora de los demás, de una manera con mayor o menor impacto – es decir, están relacionados. Si se identifican los parámetros y variables que causan defectos en las piezas, que a su vez llevan a que no exista una consistencia en calidad, se podrán controlar y escalar para aumentar el tamaño de las máquinas y aumentar las velocidades operativas de las mismas. Como se verá más adelante, la velocidad del proceso es el resultado de muchos factores que a su vez dependen de otras variables cuyo impacto en la calidad no se entiende del todo aún, por lo que no se puede aumentar la velocidad de los procesos de manera significativa hasta que se 198 conozcan. Aunque pueden existir algunas soluciones aparentemente independientes, como en las que está trabajando “Lockheed Martin” junto con el “Oak Ridge National Laboratory” para desarrollar un sistema de impresión 3D que pueda producir piezas de mayores tamaños empleando varias cabezas depositantes de material simultáneamente en un ambiente abierto [409], si no se conocen en profundidad los procesos y la influencia de ciertos parámetros clave en los resultados, no se podrá avanzar de manera significa en la tecnología, superando todos los retos ya expuestos. A tal efecto, a continuación se presenta el resultado de varias investigaciones realizadas en el entorno de la sinterización de termoplásticos y metales así como la fusión de metales en lecho de polvo, las tecnologías de depositado mediante energía dirigida (“DED”) y “FDM”. La información presentada pretende dar una visión general de las influencias establecidas de parámetros técnicos en estos procesos, en particular la calidad del material y sus fallos. Con todo ello se pretende dar una visión general de los resultados de las investigaciones que se vienen llevando a cabo, llevando a la tecnología, paso a paso, hacia la solución de los problemas que se han discutido aquí. Por supuesto, no se pretende dar una visión completa o profunda de estos aspectos, sino las ideas generales y las ideas básicas para que sirva de punto de partida hacia investigaciones más profundas mediante las referencias proporcionadas – la naturaleza general de este trabajo no permite indagar de manera exhaustiva en ningún aspecto en particular. 4.3.2.2.1. Influencia de los parámetros en procesos de “DMLS” y “SLM”. Estudio sobre “SLS” y materiales poliméricos resultantes. En cuanto a sistemas de sinterización y fusión en lecho de polvo de metales, se ha llevado y se está llevando a cabo una gran labor investigadora para determinar la influencia de diferentes parámetros y variables en los resultados del proceso. El objetivo principal último es que las piezas metálicas fabricadas mediante estas tecnologías posean propiedades como las de piezas fabricadas de manera sustractiva. La Figura 4-46 muestra un esquema que se puede hallar en [407], donde se estudian la influencia de una variedad de parámetros –tanto técnicos como económicos– en las propiedades físico-mecánicas de la pieza resultante en procesos de sinterización de metales en lecho de polvo (“DMLS”). Figura 4-46: esquema de los aspectos técnicos y económicos que influyen en las propiedades físico-mecánicas de piezas fabricadas mediante “DMLS”. 199 Aunque dicho esquema sólo atañe a las tecnologías “DMLS”, sus resultados son, en gran parte, extrapolables a las tecnologías de fusión de metales en lecho de polvo, como se ha podido comprobar al consultar resultados de otras investigaciones de esta tecnología. Por ello, a continuación se presentan los parámetros que influyen en dichas propiedades mecánicas y físicas de las piezas resultantes de los procesos de “SLM” y “DMLS”, obviando los factores económicos que conciernen a la poca variedad y escasez de polvos metálicos. Parámetros generales de la pieza: o o o Parámetros pertinentes de cada capa: o o o Tamaño de los granos en la microestructura Composición química de ésta Efectos de oxidación en el polvo durante su procesado Distribución de los granos – su granulometría Velocidad de creación de ésta Espesor de ésta Parámetros propios del proceso: o o o o o Velocidad de escaneado Distancia entre puntos Tiempo de exposición Diámetro del punto enfocado del láser Potencia del láser Otro parámetro derivado importante y generalmente presente en todos los estudios es el concepto de densidad de energía (“E”) que se definió en (1). Así mismo, la dirección de escaneado y el camino recorrido por el láser para la construcción de la pieza también juegan un papel, aunque menor en las tecnologías de lecho de polvo. Los parámetros que se emplearán para determinar las propiedades del material de la pieza resultante serán, entre otros: Densidad Porosidad Resistencia (a compresión, a tracción, tangencial, a fractura, al creep, a fatiga, …) Dureza Cada estudio suele indagar en uno o varios de estos parámetros, llevando a cabo diferentes ensayos en piezas fabricadas de diversos materiales mediante estas tecnologías por lo que los resultados que se presenten se han de entender en este contexto. Cada material muestra sus particularidades y existirán formas diferentes de comprobar la influencia de los procesos, por ejemplo, al estudiar la presencia de diferentes fases e intermetálicos propios de una aleación en particular. Sin embargo, según conocimientos básicos de ciencia de los materiales, la 200 granulometría y defectos internos como porosidad (y la consiguiente falta de densidad completa) llevan a parámetros materiales como resistencias y durezas reducidas. Como ya se estudió en capítulos anteriores, uno de los mayores inconvenientes del uso de la sinterización frente a la fusión de metales radica en la presencia de la porosidad, mucho mayor en el primer caso frente al segundo, por lo que las piezas han de ser post-procesadas empleando diversos métodos para disminuirla. La Figura 4-47 muestra esto de manera detallada estudiando los materiales a escala microscópica. En primer lugar, se muestra la tipología típica de un polvo metálico empleado en procesos de lecho de polvo (de acero inoxidable en este caso particular) y posteriormente muestra la estructura de la pieza resultante tras la sinterización por láser, de mayor a menor potencia de láser yendo de izquierda a derecha. Se puede evidenciar que a mayor potencia de láser, menos porosa será la pieza resultante. Figura 4-47: efecto de la potencia del láser en la sinterización de metales en “DMLS”. Arriba: polvo metálico sin procesar. Abajo: sinterización de dicho polvo a potencias de láser mayores, incrementando en orden alfabético. Según los resultados obtenidos en [407] para la sinterización y [408] para la fusión, las siguientes conclusiones se pueden presentar, que, aunque sean de dos estudios particulares, parecen presentarse de forma consistente en los demás que se han consultado. Para la sinterización, los parámetros que más influyen en las propiedades finales de la pieza son la potencia del láser, la distancia entre puntos y el tiempo de exposición. A igualdad de tiempo de exposición, si la potencia del láser es demasiado baja, la pieza resultante presenta una estructura de sinterización incompleta, es decir, existirán zonas del material en forma de cavidades donde el polvo metálico sigue presente en su estado original. Si la potencia láser es demasiado alta para un mismo tiempo de exposición, el metal puede llegar a fundir localmente. 201 La velocidad de escaneado no muestra tener un gran impacto en cuanto a la calidad de la pieza, al menos en las propiedades materiales estudiadas. El impacto en las propiedades se puede visualizar en la Figura 4-48. Figura 4-48: resultados sobre la influencia de distancia entre puntos y potencia del láser en los parámetros de la pieza final resistencia a compresión (izq.), densidad (centro) y dureza (der.). Es decir, en cuanto a resistencia a compresión, se obtienen mayores valores a potencias de láser mayores y a distancia entre puntos menores, ya que la estructura del material presentará más homogeneidad y menor porosidad. Esto se corrobora en cuanto a la densidad y la dureza de la pieza, que presentan sus máximos a mayores potencias de láser (dentro del rango de la sinterización) y a distancia de puntos menores. En cuanto a procesos de fusión de metales en lecho de polvo, aunque el problema de la porosidad es menos prevalente que en el de la sinterización, sigue presente, pues al estar el material en forma de polvo cualquier desviación que resulte en fusiones locales parciales o incompletas podría desembocar en cavidades y las consiguientes pérdidas en propiedades mecánicas. La Figura 4-49 muestra los efectos de la potencia del láser y velocidad de escaneado en la densidad empleando por una parte una densidad de energía ascendente y posteriormente, constante. En el primer caso la potencia de láser es constante de 195 W (alta para esta máquina), mientras que en el segundo varía para mantener una densidad energética constante. Figura 4-49: Influencia de la velocidad de escaneado a potencia de láser constante (195 W) y densidad de energía ascendente (izq.) y de la potencia del láser y velocidad de escaneado a densidad energética constante (der.) en la densidad de un acero obtenido mediante “SLM”. Se puede observar que a potencia alta constante, para procesos de “SLM”, velocidades altas de escaneado se traducen en piezas menos densas, mientras que a densidad energética constante, la densidad se ve más afectada (es decir, disminuye) a bajas potencias de láser junto con menores velocidades de escaneado. La Figura 4-50 muestra la relación de los mismos parámetros con la porosidad, de nuevo a densidad energética ascendente y constante. 202 Figura 4-50: influencia de la potencia del láser y velocidad de escaneado en la porosidad de una pieza fabricada mediante “SLM” con densidad energética variable y constante. De manera similar a la densidad, se observa que las porosidades mayores ocurren a potencias altas con velocidades de escaneado también elevadas y a potencias de láser bajas. Existe un rango ideal de potencia y velocidad de escaneado que produce piezas libres de porosidades, aunque dicha combinación dependerá de cada máquina y de cada material con el que se esté trabajando. A vista de estos resultados, se pueden observar dos tipos de situaciones en las que se producen piezas con porosidad e imperfecciones similares en los procesos de fusión en lecho de polvo. Si sólo se tiene en cuenta el parámetro de potencia del láser, ajustado a la energía óptima para cada material, a potencias altas se puede fundir las partículas del polvo metálico más eficientemente que a potencias bajas, por lo que las piezas suelen ser más homogéneas. Sin embargo, si se combina una potencia alta con una alta velocidad de escaneado, se producen los defectos señalados en la Figura 4-51. Figura 4-51: porosidad “tipo bola” presente en metales procesados en “SLM” a altas potencias de láser y a altas velocidades de escaneado. Detalle de una grieta producida por tensiones térmicas residuales. Según [408], se producen las porosidades “tipo bola” o “fenómenos bola” (“balling phenomenon”), debidas, posiblemente, a que aunque a altas potencias se funde completamente el polvo metálico, las altas velocidades de escaneado generan un caldo inestable que es sometido a tensiones tangenciales elevadas en la fase líquida, generando una alta tensión superficial que desemboca en la formación de este tipo de fenómeno. Así mismo, 203 las salpicaduras resultantes de este proceso también contribuyen a la creación de porosidad adicional. Las temperaturas elevadas y las velocidades altas de enfriamiento debido a la alta velocidad de escaneado contribuyen a la generación de altas tensiones térmicas residuales, que conllevan a la formación y propagación de grietas, como la señalada en la Figura 4-51 anterior. En el otro extremo, las porosidades producidas por una potencia de láser insuficiente suelen presentar el aspecto de la Figura 4-52. Figura 4-52: porosidades típicas de bajas potencias del láser para un material dado. Suelen estar presentes partículas del polvo no procesado, como se muestra en la ampliación (der.). Debido a la baja potencia, aunque se esté trabajando a una densidad de energía óptima, la formación de fase líquida es insuficiente, resultando en islas de material no fundido que posteriormente forman las cavernas típicas mostradas en la Figura 4-52. Al coexistir ambas fases simultáneamente, la viscosidad aumenta y disminuye la fluidez del líquido, dificultándose la homogeneización del material resultante. Así mismo, a potencias del láser bajas, éste puede no penetrar la capa de polvo por completo, por lo que no se crean las condiciones necesarias en el sustrato (capa anterior ya solidificada) para que se pueda unir eficazmente la nueva. Una unión ineficaz con la capa anterior puede crear un posible modo de fallo para tensiones tangenciales o de tracción de la pieza resultante. Es decir, a mayores espesores de capa, también son necesarias potencias del láser mayores para penetrarlas y llegar al sustrato. En cuanto a estructuras típicas de granulometría generales, se suelen observar las estructuras “tipo cuenco” formadas por la creación y solidificación de los caldos creados por la actuación del láser, como se pueden observar en la Figura 4-53. Figura 4-53: estructuras “tipo cuenco” típicas del “SLM” resultantes en los planos X-Z e Y-Z. 204 Los resultados de la variación de los parámetros discutidos anteriormente influyen de manera diferente en la aparición de diferentes fases según la aleación que se esté procesando. Por ejemplo, en el caso de un acero inoxidable, se observa una dependencia inversa del tamaño de las fases austeníticas con el incremento de la velocidad de escaneado, aunque las fracciones volumétricas de martensita no parecen variar con estos parámetros. Se recomienda consultar investigaciones pertinentes para conocer la influencia de estos parámetros en propiedades específicas de cada aleación. En esencia, para procesar efectivamente distintas aleaciones, se debe buscar una combinación de potencia del láser y velocidad de escaneado óptima para minimizar la aparición de porosidades en las piezas resultantes. Para los especímenes estudiados en los diversos estudios consultados, los que presentaban porosidades y defectos comparables a las piezas obtenidas mediante procesos convencionales presentaban propiedades análogas a éstas, justificando su uso en las mismas aplicaciones. Para poder aumentar la velocidad de construcción de las máquinas se debe alcanzar una potencia de láser mayor junto con una velocidad de escaneado no demasiado elevada. Esto puede poner una cota superior a las velocidades alcanzables por las máquinas, ya que las potencias empleadas dependerán del material con el que se esté trabajando. A su vez, se puede sacrificar precisión para obtener máquinas y láseres con mayores diámetros del punto enfocado, aunque la bajada de resolución puede implicar esfuerzos adicionales en el post-procesado que obrarían en contra del reto técnico de la calidad y precisión. Por tanto, la labor investigadora continúa para encontrar el camino para mejorar velocidades, tamaños de las piezas a la vez que se buscan nuevos materiales y aplicaciones multi-material. En cuanto a la sinterización de polvos termoplásticos en lecho de polvo, se requiere una potencia máxima mucho menor que en caso de la mayoría de las aleaciones metálicas. Según los resultados obtenidos en [410], diferentes velocidades de escaneado y potencias de láser no influyen de manera significativa en las propiedades mecánicas de la pieza resultante, es decir, muestran menos sensibilidad a los cambios de estos parámetros. De hecho, concluyen que incrementando hasta cierto límite la potencia se obtienen muestras con mejores propiedades; es importante resaltar que las potencias de los láseres típicas de estos sistemas están en el orden de los 30 W mientras que las que procesan metales rondan los 200 W por norma general. El espesor de las capas, sin embargo, contribuye a las propiedades mecánicas de la pieza final, disminuyendo éstas al aumentar. 4.3.2.2.2. Estudio sobre las propiedades de piezas fabricadas mediante “DED”. Para las tecnologías de depositado mediante energía dirigida, se estudiarán los resultados de investigaciones llevadas a cabo empleando sistemas que emplean polvos metálicos como fuente de material. Además de los parámetros presentados en el apartado anterior, se ha de considerar el parámetro adicional del caudal de material que se está suministrando mediante el cabezal para ser fundido por el láser y su influencia en la pieza final. A su vez, la dirección de escaneado, es decir, la que sigue el láser a la hora de la construcción, influye de manera más importante que en el caso de las tecnologías de lecho de polvo, por lo que se tendrá que tener más en cuenta. 205 A vista de los resultados presentados en [411], [412] y [413] para aleaciones de titanio y [414] para la aleación de níquel “Inconel 625”, se pueden exponer las siguientes averiguaciones. En cuanto a la relación de la dirección de escaneado con las propiedades de la pieza final, se ha descubierto que si ésta varía de capa a capa, la dirección de crecimiento de granos (que aparecen como estructuras dendríticas en el caso de las aleaciones de níquel) cambia de orientación en cada una de ellas, con el consiguiente efecto en las propiedades mecánicas. Sin embargo, si se emplea la misma dirección de escaneado entre capas creadas, la dirección de crecimiento de los granos suele permanecer constante en toda la pieza. Esto se puede observar en la Figura 4-54. Figura 4-54: cambio en la dirección del crecimiento de los granos según la dirección de escaneado del láser en una aleación de níquel “Inconel 625” en un proceso “DED”. En cuanto a la direcciones de crecimiento en sí, en un principio se especulaba, según [414], que los granos crecerían a 90˚ del sustrato (capa anterior ya solidificada), ya que éste actuaría como sumidero térmico, formando la estructura presente en la Figura 4-55. Sin embargo, cuando se llevó a cabo la fabricación con una dirección de escaneado variable como la correspondiente a la Figura 4-54 (a), el crecimiento venía dado por ángulos de 45˚ con respecto al sustrato para cada capa sucesiva, existiendo una diferencia de 90˚ entre las orientaciones de cada capa. Cuando la fabricación se llevó a cabo empleando una dirección de escaneado constante, como la correspondiente a la Figura 4-54 (b), la dirección de crecimiento con respecto al sustrato permaneció constante entre capas a un valor de aproximadamente 60˚. Figura 4-55: estructura de columna dendrítica presente en la aleación de níquel “Inconel 625” procesada mediante “DED”. Su orientación respecto al sustrato varía según la dirección de escaneado del láser. 206 Esto se explica al considerar que no solo el sustrato actúa como sumidero térmico, sino también la porción del caldo depositado y solidificado adyacente a donde se encuentra actualmente el láser, es decir, la sección anterior de la misma capa adyacente. Sin embargo, al estar la porción adyacente a una temperatura superior al sustrato, el efecto de sumidero térmico es menor que éste, por lo que el ángulo de crecimiento se encuentra entre los 45 y 90˚. En cuanto a estudio de porosidades en las aleaciones de titanio fabricadas mediante esta tecnología, se encuentran los mismos resultados que en el caso de las tecnologías de fusión en lecho de polvo, es decir, a potencias bajas y altas con altas velocidades de escaneado. Sin embargó, se encontró que incluso a velocidades de escaneado adecuadas a potencias altas aún ocurrían porosidades debido a la absorción de gases en el caldo fundido durante el procesado, resultando en poros esféricos de mayor tamaño que los resultantes de porciones de polvo no fundido; la Figura 4-56 muestra este tipo de porosidades en una aleación de titanio. Figura 4-56: comparación entre porosidades en una aleación de titanio 6-4 empleando “DED”. Izq.: a bajas potencias de láser (400 W) debido a partículas no fundidas; der.: a alta potencia (800 W) debido a burbujas de gas atrapados en el caldo fundido. Es por ello que la composición y caudal de la atmósfera protectora juega un papel importante en la aparición de dicho tipo de defectos. En cuanto a la influencia del caudal de material sobre las propiedades resultantes de la pieza, [413] concluye que un aumento del flujo material resulta en una disminución de la eficiencia de uso de material, por lo que existe una cota superior que ha de ser estudiada para cada material y máquina. En el caso estudiado para un titanio 6-4 ésta estaba en torno a los 2,82 g/min a una potencia de láser de 1,8 y 3 kW. Aunque el flujo de material sea continuo, el empleo del láser permanece discreto. Para dar una idea comparativa de las potencias de láser para estas dos aleaciones, la potencia óptima para procesar aleaciones de níquel se encuentra en torno a los 900 W mientras que para titanios se encuentra en torno a los 800 W. Esto no quiere decir que no puedan ser procesados a potencias menores, simplemente es un valor medio para obtener velocidades óptimas en las máquinas actuales. Cualquier potencia menor implicará un mayor tiempo de exposición y, por ende, menores velocidades de escaneado – el proceso tardará más en completarse. Sin embargo, se pueden emplear potencias mayores (incluso de 3 kW en algunos estudios), por lo que el rango aún no se ha determinado de forma óptima de forma general, dependiendo de cada máquina y tecnología en particular. 207 4.3.2.2.3. Estudio sobre las propiedades de las piezas fabricadas mediante “FDM”. Por último, en cuanto a las piezas termoplásticas fabricadas mediante la tecnología de modelado mediante depositado de fundidos (“FDM”), los resultados de los estudios [415], [416] y [417] dan una idea bastante completa sobre la influencia de los parámetros y variables de la máquina sobre las propiedades mecánicas de la pieza final. La mayoría de estos ensayos se llevaron a cabo empleando el termoplástico ABS, aunque existen algunos que han empleado una variedad de materiales termoplásticos más diversa. En cuanto a este proceso, los parámetros y variables que más influyen en las propiedades finales de la pieza son bastante diferentes a los estudiados en los apartados anteriores, pues se trata de una tecnología conceptualmente diferente – en ésta no se emplea la energía láser ni material en forma de polvo. Por el contrario, se emplean filamentos de material termoplástico que se llevan por encima de su temperatura de transición vítrea para después ser depositados por el cabezal dentro de un entorno de temperatura controlada y de manera generalmente continua en vez de discreta. Debido a su naturaleza y temperatura, al depositarse el material sobre el sustrato de la capa anterior y de forma adyacente al material depositado previamente en la misma capa, se acaban adhiriendo. Por la naturaleza en la que se construyen las piezas mediante este proceso de extrusión, existen lo que se denominan como huecos de aire (“air gaps”), conformados por los huecos que aparecen entre los filamentos depositados; esto se puede observar en la Figura 4-57. Figura 4-57: visualización de los “huecos de aire” típicos de piezas fabricados mediante “FDM”. Además de esto, uno de los parámetros más importantes en cuanto a las propiedades de la pieza resultante se trata de la dirección en la que se deposita el material extruido o lo que se denomina como “raster”. Por lo tanto, el “FDM” se trata de un proceso de fabricación fuertemente dependiente de la dirección de depositado, produciendo materiales fuertemente anisótropos. Por lo tanto, según los resultados de las investigaciones citadas anteriormente, se encuentra que la naturaleza de la anisotropía de la pieza resultante depende en gran medida de la dirección de depositado y de la orientación de las cadenas poliméricas, que a su vez afecta a su comportamiento mecánico. Así mismo, la presencia de los huecos de aire, su distribución y tamaño contribuyen en gran medida al comportamiento de la pieza. 208 En pruebas realizadas para probetas fabricadas con orientaciones de 0˚, 45˚, 90˚ y ± 45˚ (véase la Figura 4-58), se hallaron resultados ya esperados: la mayor resistencia a tracción (en dirección longitudinal, es decir, a lo largo de la referencia de medición de ángulos) pertenecía al espécimen con orientación de 0˚ seguidos en orden descendente por ± 45˚, 45˚ y finalmente 90˚. Sin embargo, se descubrió al llevar a cabo las fracturas que éstas suelen ocurrir por la capa más débil, como muestra la Figura 4-59, por lo que presenta un grado adicional de consideración. Figura 4-58: orientaciones de la dirección de depositado en “FDM” empleado en las probetas de prueba de una investigación. (a) a 0˚, (b) a 45˚, (c) a 90˚ y (d) a ± 45˚. Figura 4-59: rotura de una pieza fabricada por “FDM” por la capa más débil. Por lo general, los resultados de las pruebas de tracción, compresión y flexión presentaron resultados esperados según la orientación del material depositado, como se muestra en la Figura 4-60 para el caso de la tracción. Figura 4-60: roturas por tracción de piezas fabricadas mediante “FDM” con diferentes orientaciones de depositado. 209 Para el caso de compresión, para la pieza con orientación de 45˚ ocurrió una importante deformación según dicha orientación justo antes del fallo, mostrado en la Figura 4-61 – que también era de esperar. Figura 4-61: deformación importante de una pieza fabricada mediante “FDM” a compresión cuya orientación de depositado es de 45˚ Como anotación final adicional antes de acabar este apartado, cabe destacar que para todos los procesos estudiados, las propiedades de la pieza final no son las que vienen determinadas por el material original que se procesa, concepto que puede llevar al error especialmente en el caso del “FDM”. La combinación de parámetros y el modo de funcionamiento de la máquina (dirección de escaneado o dirección de depositado) juegan un papel fundamental en el comportamiento mecánico de la pieza final – de hecho, como se señala en [415], las piezas resultantes de todos los procesos de fabricación aditiva se pueden conceptualizar como “una estructura compuesta laminar consistente en capas apiladas verticalmente”. 4.3.2.3. Estudio desde el punto de vista técnico de la conformidad de las tecnologías de AM “de interés”. Antes de acabar esta sección se pretende hacer un análisis sobre las tecnologías que se determinaron “de interés” para este Proyecto, en concreto, las particularidades técnicas de cada una y cómo condiciona esto sus posibles aplicaciones dentro del sector aeroespacial mediante la información recogida. A lo largo de este capítulo y la labor llevada a cabo a lo largo de los dos primeros se ha validado la elección de las tecnologías de fabricación aditiva que se estimaron “de interés” para aplicaciones en la fabricación final en el sector aeroespacial. A modo recordatorio y aclaratorio se reiteran dichas tecnologías a continuación: Para piezas termoplásticas: o o Máquinas de altas prestaciones de modelado mediante depositado de fundidos (“FDM”, tecnología de extrusión) Máquinas de altas prestaciones de sinterización en lecho de polvo de resinas poliméricas (“SLS”) 210 Para piezas metálicas14: o o o o Máquinas de sinterización de metales en lecho de polvo (“DMLS”) Máquinas de fusión de metales en lecho de polvo (“SLM”, “EBM”) Máquinas de depositado mediante energía dirigida (“DED”: “LPF”, “EBDM”, …) Máquinas de consolidación ultrasónica (“UC”, procesos de laminación de chapas) Aunque para algunas tecnologías, en particular para la “UC” en sus aplicaciones en la fabricación aditiva, no existen resultados públicos de las investigaciones llevadas a cabo sobre sus procesos actualmente, las demás se han podido estudiar aunque haya sido de forma general para establecer los parámetros y procesos más importantes que contribuyen a las propiedades de la pieza final. Con esto, se puede recoger en la Tabla 4-5 cómo se comparan con las piezas fabricadas de manera convencional. Es importante resaltar que todos los resultados presentados se aplican a piezas fabricadas mediante la impresión 3D pero a las que no se le ha aplicado ningún post-procesado. Es decir, las propiedades de las piezas finales suelen ser mucho mayores – razón por la cual muchas de las fabricadas mediante estos métodos se están empleando actualmente como productos finales certificados y aprobados para su uso real en aeronaves y astronaves. Grupo tecnológico Materiales procesados “FDM” Termoplásticos “SLS” “DMLS” “SLM” Metales “DED” Comparación de las propiedades con piezas obtenidas mediante métodos convencionales (antes de llevar a cabo tareas de postprocesado) Propiedades similares a materiales compuestos de matriz polimérica y fibras cerámicas como la fibra de carbono en cuanto a comportamiento anisótropo. La orientación y dirección de depositado es análogo al de la orientación de las fibras en estos materiales. Propiedades mecánicas fuertemente dependientes de la presencia de defectos en y entre las capas. Considerando los posibles problemas de porosidad, asimilable a piezas fabricadas mediante inyección en molde. Propiedades análogas a piezas fabricadas mediante procesos de fundición con porosidades importantes. Si no se ajustan y controlan los parámetros del proceso adecuadamente asegurando su optimización, se hacen necesarios fuertes post-procesados (como la infiltración mediante otros metales líquidos) para obtener piezas densas aceptables. Se obtienen piezas con menores porosidades que en caso de “DMLS” aunque siguen presentes, sin embargo se pueden minimizar o eliminar ajustando los parámetros de forma óptima, por lo que se obtendrían piezas con propiedades similares a las obtenidas mediante procesos de fundición de alta calidad. A una misma dificultad técnica, las piezas fabricadas mediante “DED” suelen ser más densas y menos porosas que las fabricadas por procesos de lecho de polvo. Controlando la direccionalidad del depositado y los parámetros del láser se pueden obtener piezas que se asemejan en calidad a piezas forjadas o laminadas debido a la direccionalidad y crecimiento de los granos en forma dendrítica según ciertas direcciones preferentes dependientes de ciertos factores, otorgándole una cierta anisotropía. Tabla 4-5: comparación de las tecnologías de AM “de interés” cuyos resultados de investigaciones se han podido estudiar en comparación con las fabricadas mediante métodos convencionales. La calidad de las piezas de AM se considera sin aplicarle ningún post-procesado. 14 Algunas de estas tecnologías también permiten procesar polvos cerámicos y “cermets”. 211 4.4. Discusión. Relevancia del empleo de las tecnologías de AM en el sector aeroespacial. Como apartado final de este capítulo, se pretende realizar una discusión sobre todo lo que se lleva estudiado hasta este punto, en cuanto a la aplicación de las tecnologías de fabricación aditiva al sector aeroespacial, zanjando de manera definitiva con todos los datos reunidos si las tecnologías que se seleccionaron en el primer capítulo serían buenos candidatos para su uso y si se podrían emplear en condiciones que proporcionarían beneficios y rentabilidad a las empresas del sector, así como desde el punto de vista técnico. Obviamente, todos los apartados anteriores de este capítulo se han enfocado de tal manera que se pueda determinar la validez de la hipótesis del empleo exitoso de tecnologías de impresión 3D en el sector aeroespacial realizando análisis técnicos, económicos y estudiando antecedentes. En el apartado anterior se determinó de una manera más amplia que la mayoría de las tecnologías que ya desde el primer capítulo se estimaron como buenas candidatas a su empleo lo son, y el análisis económico muestra cómo ha crecido y seguirá creciendo la presencia de la fabricación aditiva en el sector. Aunque se han puesto de relieve los problemas actuales, tanto económicos y especialmente técnicos que estas tecnologías presentan, se ha hecho para mostrar que hay un gran campo de estudio y desarrollo dedicado a superar dichos retos y que esta tecnología seguirá avanzando a pasos vertiginosos en los años venideros, como ya lo lleva haciendo. Aunque a día de hoy no sea posible la implementación completa de estas tecnologías de impresión 3D para sustituir a los métodos tradicionales, el desarrollo del campo indica que a medio y largo plazo –dentro de una o dos décadas según las previsiones– el empleo de estas tecnologías se irá integrando en la estructura productiva del sector aeroespacial, haciendo a las empresas dedicadas al sector evolucionar de una manera u otra. Aquellas que ya han empezado a liderar dicho cambio forzarán a otras que han optado por no implementarlas aún a hacerlo si quieren mantener su competitividad, sobre todo al demostrar que el empleo de estas tecnologías ha conllevado éxitos y beneficios. Como todo cambio, existe una gran mayoría reacia a descartar sus métodos ya probados y experiencia acumulada cuando se trata de procesos que conocen y llevan empleando décadas, pero siempre existe un pequeño número cuya curiosidad y ambición los impulsa a experimentar con las nuevas tecnologías, asumiendo riesgos, y –que en la mayoría de los casos actuales– está reportando éxitos y beneficios. El sector aeroespacial por definición presenta unos requisitos muy exigentes para la entrada de cualquier tecnología o método nuevo en su entorno, pero se ha podido comprobar cómo, a pesar de esto, muchas empresas ya han implementado la impresión 3D para la fabricación de piezas finales, a veces componentes claves en el diseño de sus productos. Es por esta razón que, junto con toda la información que se ha reunido a lo largo de este Proyecto, se puede afirmar sin duda alguna a equivocarse que las tecnologías de fabricación o impresión 3D son relevantes para el sector aeroespacial en particular en cuanto a aplicaciones de fabricación final. En su 212 estado actual, son capaces de producir piezas complejas y posibles de certificar para su uso en aeronaves, aerorreactores, satélites y otros vehículos espaciales tras llevar a cabo fuertes tareas de post-procesado. Se espera que en el futuro próximo se desarrollen nuevas máquinas que permitan obtener piezas de una calidad y repetitividad que permitan un uso menor de tareas de post-procesado o que eliminen su necesidad. En esencia, la presencia de las tecnologías de fabricación aditiva no sólo en el sector aeroespacial, sino en los demás sectores industriales así como en la sociedad en general, es un hecho consumado. En sus tres décadas de existencia comercial, esta tecnología ha pasado de aplicaciones limitadas en tareas de diseño –suponiendo un bajísimo segmento de mercado total– a una situación en la que las mayores empresas líderes de cada sector industrial productivo están no sólo estudiando y seriamente considerando el empleo de estas tecnologías para fabricación final, sino que ya han comenzado a destinarlas a tal fin. Esto, a su vez, llevará a un desarrollo más rápido de las tecnologías de fabricación aditiva en los años venideros al dedicar estas empresas cada vez más recursos al I+D para desarrollar nuevas máquinas ajustadas a sus necesidades. Sin embargo, a largo plazo no se espera que las tecnologías de fabricación aditiva desplacen a un segundo plano o hagan desaparecer el uso de las tecnologías convencionales para la fabricación. Aunque habrá una mayor adopción de la impresión 3D para tareas de fabricación final, especialmente más relevante en algunas industrias como la aeroespacial por sus particularidades, coexistirán con los procesos convencionales, especialmente al seguir evolucionando éstos y ofreciendo soluciones menos costosas y eficaces. Esto es, la impresión 3D cubrirá la fabricación de piezas cuyas particularidades hagan de estos procesos más ventajosos que los tradicionales y, a su vez, los convencionales se seguirán empleando para la fabricación de piezas cuya fabricación mediante la impresión 3D resulte ineficiente en cualquier aspecto. Es por ello que en el sector aeroespacial futuro se espera que, en cuanto a los procesos de fabricación, las tecnologías de impresión 3D se abran hueco hasta alcanzar “su lugar” – es decir, ocupar el porcentaje adecuado de tareas de fabricación en las que su empleo es ineficaz mediante las tecnologías convencionales, reduciendo el empleo de éstas pero sólo hasta cierto punto. En otras palabras, cada tecnología de fabricación se ocupará de la producción de aquellas piezas en las que son más eficientes su empleo – hasta ahora las tecnologías convencionales se han tenido que ocupar de la fabricación de éstas simplemente porque no había otra alternativa. La impresión 3D ofrece esta alternativa, por lo que asumirá su papel para estos casos, librando de dichas responsabilidades a las tecnologías tradicionales. Puede que puesta la vista en un horizonte mucho más lejano que el considerado aquí (por ejemplo, para finales de siglo), puede haber habido un desarrollo de impresoras 3D o máquinas de fabricación híbridas que combinen y automaticen la fabricación de componentes de manera aditiva y sustractiva a la vez. Se estima que el proceso ilustrado aquí para la fabricación aditiva será la nueva norma para la nueva generación de diseñadores y fabricantes – es decir, pasar de piezas diseñadas en CAD a producto fabricado final sin necesidad de consideraciones de cómo se lleva a cabo el proceso de fabricación. 213 214 5. Impacto de las tecnologías de AM en la industria y en la sociedad actual y futura. Investigación y desarrollos futuros relevantes para el sector aeroespacial. 5.1. Introducción. Este último capítulo de este Proyecto pretende dar una visión más global de la actual penetración de las tecnologías de fabricación aditiva en general en la industria y en la sociedad, en vez de sólo centrar el enfoque en el sector aeroespacial como se hizo en el capítulo anterior. No se pretende realizar un análisis profundo sobre este aspecto, sino ofrecer generalidades que puedan servir como punto de partida de un análisis más profundo para aquellos interesados en ello. Así mismo, se pretende presentar casos curiosos e innovaciones recientes que sirven para justificar el impacto que esta tecnología de fabricación pueda tener en el sector de la fabricación industrial, con alguna mención para con el sector aeroespacial sin que éste acapare toda la atención. En esencia, en gran medida se pretende responder a las siguientes preguntas dentro de este capítulo: ¿realmente las tecnologías de fabricación aditiva revolucionarán y cambiarán por completo el panorama de fabricación actual en el futuro próximo? Si es así, ¿cómo afectará esto a la sociedad en general? ¿Qué cambios concretos verán los ciudadanos en su día a día? ¿Qué problemas hasta ahora no existentes podrían surgir? Con este capítulo se terminarán de perseguir los objetivos secundarios y principales de este Proyecto. 5.2. Impacto sobre las tecnologías de AM en la industria actual y futura. Ya se ha evidenciado a lo largo de este Proyecto el actual grado de penetración en el mercado industrial que han tenido las tecnologías de fabricación aditiva hasta la actualidad, no sólo en el 215 sector aeroespacial. Aunque no existen datos globales económicos sobre todas las tecnologías de fabricación convencionales y su reparto por sectores industriales, por los datos que se mostraron del valor del mercado de la impresión 3D actual se puede afirmar que su presencia industrial es, al menos, notable. Como se pudo comprobar en la Figura 4-35 del capítulo anterior, los sectores automovilístico, médico y aeroespacial juntos representaron el 43% del total a los que se destina el uso de la impresión 3D industrial, y esto se debe al emparejamiento complementario de las necesidades de estas industrias con las ventajas que presentan dichas tecnologías, es decir, justo como se estudió para el caso aeroespacial, las particularidades de estos sectores en cuanto a la fabricación de sus productos hacen que el empleo de la impresión 3D les resulte más ventajoso que las convencionales. Por lo tanto, la adopción de la impresión 3D en los diversos sectores industriales actuales responde a las mismas necesidades que han impulsado al sector aeroespacial, es decir, para la fabricación de aquellos componentes y piezas que resultan ineficientes fabricar mediante las tecnologías convencionales debido a sus limitaciones. Tras el análisis realizado en cuanto al sector industrial, se propone un escenario de futuro a medio y largo plazo (2030 y 2050 respectivamente) que, según se ha razonado, podría ser el más probable y que no es más que una extensión de las previsiones realizadas en el capítulo anterior pero aplicadas al resto de la industria. Es importante resaltar, sin embargo, que existen una gran variedad de escenarios y posibles estimaciones con respecto a este tema, desde las más radicales que predican el fin de la cadena de suministros mundial de bienes para dar paso a la producción local, a otros que desestiman la tecnología por completo y la nombran como algo transitorio que desaparecerá a largo plazo, llevando a las empresas que han surgido mediante la impresión 3D a enfrentarse a una situación parecida al estallido de la burbuja “punto com” de principios de siglo. A continuación se expone de una manera más general el posible escenario futuro que se considera más fehaciente según el análisis realizado. Posible previsión para el sector de la fabricación industrial a largo y medio plazo: las tecnologías de AM encuentran su hueco. El sector de la producción o fabricación industrial, entendiendo como tal al conjunto de todas aquellas empresas de cualquier sector cuyo cometido es la producción de un bien destinado a cualquier fin, necesitan hacer uso de las tecnologías de fabricación que tienen a su alcance para llevar a cabo su cometido. Siempre que ha surgido una nueva tecnología productiva asociada a un material, desde los distintos procesos de fundición hasta los centros de mecanizado de control numérico, el conjunto de dichas industrias se han aprovechado de ellas y, tras un periodo de tiempo de adaptación y consolidación de dichas tecnologías, las han adoptado, ya que su uso les reportaba algún beneficio en cuanto a la fabricación del que antes carecían. Esto puede ir desde ahorros en tiempos y costes de fabricación a la posibilidad de innovar en sus productos empleando nuevos materiales o empleando geometrías más eficientes que antes eran imposibles de producir con los métodos de los que disponían. 216 El conjunto de las tecnologías de fabricación aditiva se ha de considerar desde este punto de vista: una nueva tecnología de fabricación que ofrece una serie de ventajas para ciertas aplicaciones. Su consideración como tecnología consolidada a la misma altura que procesos como la fundición o el laminado aún está lejos, pero simplemente debido al factor tiempo. La fabricación aditiva no llega a las cuatro décadas de existencia comercial mientras que algunas de estas tecnologías superan el milenio – a través del cual la experiencia y técnica acumulada de generaciones ha permitido conocer dichos procesos profundamente, de tal manera que a día de hoy se conocen los comportamientos de los diferentes materiales durante el proceso de fabricación y cuáles serán las propiedades resultantes de las piezas finales según éstos. A pesar de ello, la impresión 3D ha pasado por su infancia tecnológica y es lo suficientemente útil actualmente y prometedora que su adopción industrial es irrevocable, por lo que un futuro sin esta tecnología dentro del sector de la fabricación se ve como muy poco probable. Es decir, dentro de este escenario no se trata de discutir si la fabricación aditiva estará presente en un futuro en la industria, esto se da por hecho vista su implementación actual y su trayectoria prevista. Sin embargo, el conjunto industrial productivo está dividido en una multitud de sectores dedicados a la fabricación de productos similares o destinados a un fin similar, compartiendo muchos de los requisitos técnicos. Esto da lugar a la actual sectorización del panorama industrial productivo, tal como el sector aeroespacial, naval, automovilístico, médico, electrónico, electrodoméstico, etc. Esto también da lugar a que cada sector, por sus particularidades y requisitos diferentes, tengan una necesidad mayor o menor de cada tecnología de fabricación existente – es decir, empresas dedicadas a la fabricación de lotes de cientos de miles de piezas simples metálicas no considerarán el uso de técnicas de mecanizado si pueden obtener su pieza final mediante embutición. Con estos conceptos en mente, esto es, que cada sector industrial escoge y hace uso de las diferentes tecnologías de fabricación disponibles según sus necesidades, empleando cada una en aplicaciones que sean las más adecuadas para su cometido, se debe considerar la adopción que podrían tener las tecnologías de fabricación aditiva a medio y largo plazo a la vez que éstas maduran y alcanzan una solidez técnica que las equipare con otros métodos de fabricación convencionales. En dicho escenario se presentarían los posibles cuatro casos siguientes; cabe recordar que en éstos se tiene en cuenta el uso de las tecnologías para la fabricación final, no para otras tareas como el diseño. o Implementación cuasi-completa – sustitución de la mayoría de las tecnologías tradicionales por la fabricación aditiva. Es posible que algunos sectores especializados, como el de los implantes médicos o dentales, acaben completamente dominados por la impresión 3D a largo plazo, ya que el empleo de las tecnologías convencionales para la fabricación de piezas únicas y de materiales especializados no resultaría nada ventajoso frente a la impresión 3D. Es decir, las ventajas de la aplicación de estas tecnologías en este sector se ajustan perfectamente a sus necesidades – hasta ahora han debido usar las tecnologías convencionales ya que no existía otra alternativa. Prueba de esto es el gran segmento de mercado que el sector médico supone actualmente en cuanto a las tecnologías de fabricación aditiva, superando al aeroespacial, y la gran cantidad de impresoras 217 comerciales existentes diseñadas específicamente para estos sectores. Sin embargo, no será posible desplazar la necesidad de emplear otras tecnologías de fabricación tradicionales, ya que se seguirán requiriendo pequeñas cantidades de piezas y elementos que son mucho más rentables producir de manera convencional, tales como elementos de unión. o Implementación parcial significativa – las tecnologías de fabricación aditiva ocupan un lugar equiparable y coexisten con las técnicas tradicionales. Es el caso para sectores como el aeroespacial. Al existir piezas y componentes con diferentes requisitos técnicos, se podrán emplear las tecnologías de fabricación aditiva para aquellas que supongan un panorama ventajoso frente a las tradicionales, como la fabricación de piezas altamente complejas geométricamente o que demanden una gran personalización y la producción de series cortas. Para el resto de las piezas y componentes se seguirán empleando los métodos tradicionales de fabricación, cuyo empleo es más ventajoso frente a la impresión 3D. El hecho de que este tipo de sector emplee en abundancia relativa ambos tipos de piezas hará que las tecnologías de fabricación aditiva entren a formar parte de las tecnologías productivas empleadas, coexistiendo y al mismo nivel que todas las demás convencionales. En este entorno la impresión 3D también podría resultar ventajosa para la fabricación de repuestos localizados, por lo que habrá un gran empleo de éstas para este cometido junto con las de fabricación principal. o Implementación parcial menor – las tecnologías de fabricación aditiva se adoptan para tareas proporcionalmente menores y cobran importancia en las tareas de fabricación indirectas, como la fabricación de repuestos. Existirán otro tipo de empresas cuyos productos en su mayoría no requerirán de una gran personalización o complejidades geométricas, aunque seguirá estando presente la necesidad de personalización en una proporción menor. Éstas adoptarán las tecnologías de fabricación aditiva en una proporción también menor y su uso será marginal frente a los métodos tradicionales, que resultarán más ventajosos y eficientes para la producción de la mayor parte de sus piezas debido a su simplicidad y producción en masa, como en el sector automovilístico convencional. Sin embargo, el empleo la impresión 3D para este tipo de empresas podría resultar de gran relevancia en cuanto a la fabricación de piezas de repuesto, que se podrían realizar de manera descentralizada y respondiendo a la demanda. o Implementación cuasi-nula – poco calado de las tecnologías de fabricación aditiva, predominan las convencionales frente a éstas. Para las empresas productivas de este grupo la adopción de las tecnologías de fabricación aditiva para tareas de fabricación final no resultará nada ventajosa frente al empleo de las técnicas convencionales. Serán empresas que produzcan piezas sencillas y baratas en masa con escasa o ninguna personalización y cuya necesidad de repuestos también será nula, como por ejemplo en la fabricación de bienes de consumo poliméricos como adornos simples, vasos, platos, etc. En estos casos las impresoras 3D no jugarían un papel importante en la fabricación y su presencia podría limitarse a unidades de apoyo a la fabricación como la fabricación de tiradas limitadas promocionales de modelos personalizados. 218 Esto es, se prevé un panorama en el que las tecnologías de fabricación aditiva calarán de una forma u otra en el tejido industrial productivo futuro. Habrá sectores que por sus características las adoptarán de una manera más importante que otras pero su presencia en todas, en cuanto a la fabricación, será indiscutible. Se considerará como una tecnología con unas características particulares que será empleada por aquellas cuyos productos se beneficien de éstas. 5.3. Análisis sobre el impacto de la AM sobre la sociedad del futuro próximo. Para este apartado se han estudiado análisis recientes elaborados para dar respuesta a la principal pregunta: ¿cómo cambiará la sociedad con la presencia cada vez más generalizada de las tecnologías de impresión 3D? Aquí se considerará el impacto que podría tener la aparición de la impresora 3D doméstica en la sociedad de forma generalizada, similar a la presencia de televisores u ordenadores actualmente, así como el impacto en el sector industrial en cuanto a su relación con el resto de la sociedad y otros posibles aspectos, como los ambientales y comunitarios. La presencia de la impresora 3D doméstica y su impacto. En primer lugar, se ha de enfatizar que el posible escenario de la aparición y posesión generalizada de impresoras 3D domésticas es una posibilidad probable aunque no segura. Aún se desconoce si las empresas de software CAD podrán reducir sus programas relacionados con la impresión 3D a un nivel en el que sean accesibles a la sociedad en su conjunto, así como el manejo técnico de las impresoras en sí, como la preparación del material, extracción y postprocesado de las piezas que han requerido soportes, etc. Se prevé que las impresoras domésticas estarán limitadas en cuanto al tamaño máximo de piezas que podrán fabricar y la disponibilidad de materiales también será reducida, lo más probable siendo que se limiten a materiales poliméricos. En este sentido, las tecnologías “FDM” o los procesos de impresión podrían ser los más extendidos para el sector doméstico. Si se llegase a simplificar su uso en todos los aspectos y sus precios las hacen suficientemente asequibles, dichas impresoras se emplearían para la fabricación de objetos cotidianos según las necesidades de cada hogar – por ejemplo, la fabricación de un conjunto de vasos personalizados para cada miembro de la familia, la fabricación de juguetes y modelos, la impresión de un collar para una mascota que muestre su nombre y ajustado a su tamaño, etc. Sin embargo, la mayoría de los productos complejos demandados por los hogares se prevén que seguirán siendo fabricados por las grandes empresas industriales y adquiridas como hasta ahora, como la electrónica, muebles, ropa, etc. Es decir, el hecho de que las empresas industriales empleen o no impresoras 3D especializadas para la producción no influirá en la presencia de estas impresoras domésticas – los dos mundos, 219 el productivo industrial y el doméstico, se han de considerar separados en este aspecto. Aunque es cierto que la presencia de impresoras domésticas podría causar la desaparición o evolución de algunas empresas productoras de objetos simples y genéricos que podrían imprimirse en los hogares de manera personalizada y con mayor calidad, aún existiría una cierta demanda por individuos que elijan no emplear dicha tecnología. Es decir, a largo plazo se prevé que el impacto entre ambos sectores, el industrial y el doméstico, esté lo suficientemente evolucionado como para que no influyan de manera significativo entre ellos. Sin embargo, surgirán problemas que hasta ahora sólo han sido anecdóticos, como la creación de armas de fuego mediante la impresión 3D hace unos años y su proliferación reciente, suponiendo un nuevo reto para gobiernos y fuerzas de seguridad [418]. Así mismo, problemas legales referentes a derechos de autor es posible que surjan al obtener individuos archivos CAD de diseños con derechos de autor ilegalmente para imprimirlos, aunque esto será de una importancia menor cuanto más complejos sean dichos productos, ya que excederán las capacidades de las impresoras domésticas. En esencia, en el supuesto de una presencia generalizada de la impresora 3D doméstica, ésta se relegaría a usos cotidianos creando objetos simples pero personalizados que no harán desaparecer la demanda de bienes fabricados industrialmente, aunque con algunos posibles retos que se habrán de solucionar. El impacto de una industria con presencia consolidada de la fabricación aditiva en la sociedad. Según el escenario previsible presentado en el apartado anterior para el sector productivo industrial, una industria que ha adoptado plenamente de la forma que se definió las tecnologías de fabricación aditiva hará cambiar muchos aspectos de la sociedad. Aunque la presencia de las impresoras 3D en los hogares no suponga más que una comodidad añadida y un impacto bajo en la sociedad en su conjunto, en el caso de la industria es más relevante. Como se señaló, la mayoría de los sectores industriales fabricantes de productos complejos, como coches, aparatos electrónicos e informáticos, electrodomésticos, etc. harán uso de las tecnologías de fabricación aditiva no solo para la fabricación de componentes de éstos sino también para el servicio posventa, es decir, para las piezas de repuesto. Dicha fabricación, a diferencia de la del producto completa, estará más distribuida y descentralizada, por lo que se reducirán las necesidades de transporte y almacenamiento de dichos componentes, adoptándose un modelo de producción local según la demanda. Esto es, existirán ramas o proveedores que se dedicarán a fabricar de forma aditiva para las grandes empresas los repuestos que se vayan solicitando en su entorno, haciendo uso de transportes menos dañinos para el medio ambiente como servicios de mensajería para entregar la pieza. Esto, a su vez, eliminaría la necesidad de grandes almacenes locales para el almacenamiento de estos repuestos. 220 Para las empresas que hagan un mayor uso de las tecnologías de fabricación aditiva para la fabricación final, al cambiar sus cadenas de suministros también harán cambiar la alta exigencia que se tiene actualmente en el sector del transporte de mercancías. Esto repercutirá en: o o o o o Creación de nuevas empresas y empleos relacionados con la fabricación aditiva Simplificación de la cadena de suministros global; los componentes fabricados aditivamente volverán a producirse en los puntos de uso – los países emergentes asiáticos y del hemisferio sur perderán una parte de su poder productivo mundial al retornar a los países post-industrializados la fabricación de componentes aditivos El surgimiento de productos altamente personalizados mejorarán la calidad de vida de grandes partes de la sociedad desde el punto de vista médico y dental Reducción del desequilibrio entre países exportadores e importadores al distribuirse la fabricación de ciertos productos Mejora de la calidad de vida en países emergentes al no verse tan sometidos a las demandas productivas del mundo industrializado El mejor aprovechamiento del material en los procesos aditivos así como el uso de éstos para una fabricación según la demanda en algunos productos también ayudará a reducir el impacto sobre el medio ambiente, haciendo un uso más eficiente de los recursos naturales y energéticos. El reciclaje de los materiales sobrantes también contribuirá a esto. 5.4. Casos ilustrativos recientes sobre la AM. Discusión sobre aplicaciones noveles dentro del sector aeroespacial futuro. Como última sección de este capítulo y de este Proyecto, se pretende hacer mención a algunos proyectos de investigación al menos curiosos y prometedores a largo plazo tanto de forma general como para sus aplicaciones para el sector aeroespacial. Se hará mención de algunas tecnologías surgidas recientemente pero que aún no han logrado verificar su viabilidad o implementación comercial debido a diferentes razones pero que podrían llegar a ser significativos dado un tiempo de desarrollo adecuados y la apertura de oportunidades de aplicación. A tal efecto, se presentan los siguientes ejemplos agrupados en dos categorías. Fusión de la fabricación aditiva con la robótica. En un futuro no es de extrañar que la automatización de los procesos de fabricación vaya pareja con la integración de los sistemas de fabricación aditiva en soportes robóticos, al igual que se plantea el empleo de la robótica para sustituir a mano de obra humana para las tecnologías 221 convencionales en ciertas aplicaciones. En el caso de la fabricación aditiva, podría adoptar la forma propuesta en [419], donde un conjunto de pequeños robots podrían trabajar de forma conjunta para fabricar aditivamente grandes estructuras o productos varios órdenes de magnitud mayores que ellos mismos. Aunque actualmente sólo sea un concepto, en un futuro se podrían emplear para la fabricación de grandes estructuras aeronáuticas, obviando la necesidad de fabricar una gran impresora 3D que la albergue. La Figura 5-1 muestra dichos robots y la estructura que pueden fabricar. Figura 5-1: aplicación de la robótica a la fabricación aditiva. Empleo de pequeños robots trabajando conjuntamente para la fabricación de una estructura mucho mayor. Esto podría tener, a su vez, aplicaciones para la fabricación de estructuras en entornos hostiles para los humanos, como por ejemplo en aplicaciones espaciales. La agencia “ESA” ha propuesto recientemente un proyecto de investigación para el envío de sondas y robots con capacidades de fabricación aditiva para la construcción de instalaciones y edificaciones en la Luna antes de la llegada de personal de la Tierra, como se puede comprobar en [420]. En este caso, los autores proponen el uso de material presente en la superficie lunar como material de trabajo para la fabricación de un caparazón protector de las instalaciones habitables interiores; este concepto se muestra en la Figura 5-2. 222 Figura 5-2: concepto y proyecto de la “ESA” para la fabricación de estructuras en la Luna empleando un robot con funciones de fabricación aditiva. “Impresión 4D”. El concepto de la “impresión 4D” ha surgido de un proyecto investigador en el “MIT” combinando sus conocimientos de materiales “morphing” o que cambian su forma de acuerdo a solicitaciones externas programables en el propio material, con la impresión 3D. El uso de este tipo de materiales en aeronaves del futuro podría suponer un gran aumento de sus eficiencias aerodinámicas y reducciones importantes de peso, como se constata en [421], ya que se eliminarían superficies de control como alerones, timones u otros elementos como los flaps. El ala u otros elementos aerodinámicos cambiarían su forma para conseguir los mismos efectos sin el empleo de motores ni mecánica, como se puede apreciar en la Figura 5-3. Figura 5-3: posible empleo de materiales adaptables o “morphing” para aplicaciones aeroespaciales futuras. 223 El uso de la fabricación aditiva podría ayudar a “programar” a dichos materiales adaptables para sus cometidos, depositando ciertos materiales clave en puntos estratégicos del material adaptable. Más información sobre este concepto se puede encontrar en [422]. Con estas menciones finaliza este capítulo de reflexiones generales sobre la fabricación aditiva y su impacto sobre la industria y sociedad actual y futura. 224 225 6. Conclusiones. 6.1. Análisis del cumplimiento de los objetivos. El objetivo principal de este Proyecto ha sido determinar si la aplicación de las tecnologías de fabricación aditiva o impresión 3D al sector aeroespacial es viable y práctico en la actualidad y en el futuro próximo. Los objetivos secundarios han consistido en presentar el conjunto de las tecnologías de fabricación aditiva desde un punto de vista descriptivo y general para entender el posible impacto que podrían tener sobre la industria y sociedad en el futuro. Para ello, este Proyecto se ha dividido en cuatro capítulos que han servido para cumplir dichos objetivos. A continuación, se estudia la contribución de cada capítulo a éstos y se detalla su cumplimiento mediante el estudio realizado. En el primer capítulo de introducción teórica se realizó un estudio general de las tecnologías de fabricación aditiva. Se definió el concepto y se describieron las generalidades del proceso, ofreciendo una visión del problema actual de terminología. Se pasó a ofrecer una clasificación de las tecnologías actuales, mediante la cual se estudiaron los aspectos técnicos de cada una para así poder diferenciar las que existen actualmente. Tras esto, se establecieron criterios técnicos que posteriormente sirvieron para agrupar las tecnologías estudiadas en las “de interés” para el sector aeroespacial y en las de menor interés. Tras establecer a priori que las tecnologías de fusión en lecho de polvo y de depositado mediante energía dirigida eran los candidatos más plausibles, se procedió a realizar un estudio técnico más profundo sobre los subgrupos tecnológicos de cada categoría. Gracias a ello, se pudieron identificar dos candidatos adicionales “de interés”, el modelado mediante depositado de fundidos y la consolidación ultrasónica. El segundo capítulo se dedicó al estudio del estado del arte actual de las tecnologías de fabricación aditiva. Para ello, se comenzó ofreciendo una breve historia de los avances de éstas, pasando posteriormente a ofrecer un panorama general de las empresas más representativas del sector fabricantes de impresoras 3D. Se estudiaron representativamente los modelos de las tecnologías consideradas “de interés”, realizando un estudio más generalista sobre las demás tecnologías, ofreciendo mediante Anexos un amplio catálogo de máquinas reales. Finalmente, se compararon las tecnologías “de interés” entre sí y se estableció que, según criterios económicos y de mercado, la lista inicial escogida al final del primer capítulo seguía siendo viable. 226 En el tercer capítulo se realizó un análisis técnico y económico de la implementación de las tecnologías de fabricación aditiva en el sector aeroespacial. Para ello, en primer lugar, se identificaron los cuatro caminos estratégicos para la adopción de estas tecnologías en el sector, posteriormente estudiando casos particulares de empresas que se encuentran en cada uno. Tras esto, procedió un análisis económico donde se pudo comprobar el actual alcance en el sector aeroespacial de estas tecnologías, así como previsiones para el futuro. Seguidamente, se realizó el análisis técnico, donde se establecieron los grandes retos que se han de superar para que esta tecnología alcance su madurez. Se estableció la inconsistencia en la calidad como principal reto, centrándose el estudio en la influencia de los diferentes parámetros propios de los procesos en las propiedades de la pieza final. Sin embargo, no se pudo realizar un análisis sobre las tecnologías de consolidación ultrasónica al no disponerse de datos suficientes. En último lugar, se reflexionó sobre si la implementación de las tecnologías de impresión 3D eran relevantes en el sector, llegando a una conclusión afirmativa. Finalmente, en el cuarto capítulo se estudió de manera general el alcance y el impacto de las tecnologías de fabricación aditiva en el sector industrial actual y en la sociedad. Tras la investigación llevada a cabo, se propuso un posible escenario de futuro a largo plazo (20302050) del panorama industrial donde la implementación de las tecnologías de impresión 3D encontrarían “su hueco”, coexistiendo con las tecnologías convencionales y empleándose en aquellos casos donde su uso resultaría más eficiente y beneficioso por la naturaleza de las piezas o productos. Se establecieron cuatro casos de diferentes grados de adopción de la impresión 3D en la industria, desde sectores que harían uso exclusivo de las impresoras 3D (como el sector médico o dental de implantes y prótesis) hasta empresas que no las adoptarían de manera significativa (bienes de consumo simples producidos en masa). El impacto en la sociedad de las impresoras 3D domésticas se estimó de poca importancia en comparación con la producción industrial. Se determinó que el empleo de la fabricación aditiva por parte del sector industrial sería el que causaría el mayor impacto en la sociedad y medio ambiente. Cambiaría en cierto grado el panorama productivo al volver a fabricar en países post-industrializados, distribuyendo la cadena de suministros y disminuyendo en cierto grado la demanda de transporte y almacenamiento de piezas y productos. Así mismo, se haría un uso más eficiente del material, causando un menor impacto en el medio ambiente. Por último, se estudiaron algunos ejemplos de nuevas aplicaciones en el sector de la fabricación aditiva que podrían cobrar relevancia en el futuro. La integración de la robótica con la impresión 3D, la fabricación remota con aplicaciones en el espacio o la “impresión 4D”, combinando los materiales adaptables o “morphing” con la impresión 3D para programarlos, son algunos de los casos analizados y propuestos. 227 6.2. Resumen y conclusión final. En este Proyecto se ha establecido que el uso de las tecnologías de fabricación aditiva para la producción final y tareas de diseño, prototipos y ensayos en el sector aeroespacial es una realidad presente y su afianzamiento en el futuro es indiscutible. Su relevancia en este sector se hará más importante conforme vayan madurando las tecnologías de impresión 3D. Se han establecido que las siguientes tecnologías son de un mayor interés para el sector aeroespacial actual y del futuro próximo: Modelado mediante depositado de fundidos (“FDM”) y sinterización selectiva por láser (“SLS”) para materiales poliméricos; Sinterización y fusión en lecho de polvo (“DMLS” y “SLM” respectivamente), depositado mediante energía dirigida (“DED”) y consolidación ultrasónica (“UC”) para metales y cerámicos. Las demás tecnologías se han estudiado y presentado para que sirvan como punto de partida para trabajos enfocados a otros sectores industriales que las empleen. Se han clasificado y estudiado de tal manera que se pueda entender su impacto actual y futuro. Se prevé que el sector industrial en su conjunto adopte las tecnologías de fabricación aditiva para la fabricación final pero el grado de adopción variará según las necesidades de cada empresa y sus productos, coexistiendo las aditivas con las convencionales en la mayoría de los casos. El sector aeroespacial se encuadrará en un sector industrial que hará un uso extensivo de estas tecnologías al madurar, pero sólo para las piezas que se beneficien de sus particularidades. Para las demás, seguirá empleando los métodos convencionales. Es decir, la fabricación aditiva encontrará su lugar entre las tecnologías de fabricación convencionales y pasará a ser una más del conjunto de tecnologías de fabricación al alcanzar su madurez, viéndose empleada en mayor o menor medida según las necesidades de cada sector y de los productos que desarrolle. Sin embargo, no se podrá alcanzar la integración de estas tecnologías completamente hasta que se identifiquen y se puedan controlar adecuadamente las diferentes variables que controlan el proceso y no se libere el mercado de la materia prima. 6.3. Líneas futuras de trabajo. Este trabajo ha intentado abarcar una perspectiva amplia y el tono generalista se ha hecho patente en el estudio llevado a cabo al no indagar exhaustivamente en ningún concepto o área en concreto excepto para el cumplimiento de los objetivos establecidos. Aunque se han estudiado gran cantidad de aspectos y conceptos con detalle a tal efecto, cada uno de ellos podría ser el objeto de estudio de otro trabajo más especializado. 228 Aunque sería demasiado extenso hacer un listado de todos los posibles aspectos que requerirían un estudio, se han escogido los siguientes puntos que podrían servir como puntos de partida para nuevos estudios enfocados al sector aeroespacial. Los demás quedan a discreción del lector. Estudiar las tecnologías de interés para el sector aeroespacial desde un punto de vista técnico más profundo para así incrementar el conocimiento sobre la influencia de los parámetros del proceso en la calidad de la pieza final. Estudiar en más profundidad los efectos económicos sobre una empresa aeroespacial en cuanto a una fuerte presencia en ella de las tecnologías de fabricación aditiva para la fabricación final. Estudiar y determinar los costes a corto y largo plazo y determinar con más precisión los efectos en su cadena de suministros. Llevar a cabo un estudio detallado sobre el impacto de la fabricación aditiva en cuanto a las labores de exploración y colonización espacial. Explorar y analizar la relevancia de las máquinas de fabricación híbridas que han surgido en el mercado recientemente, donde se combina la tecnología de centros de mecanizado con el depositado mediante energía dirigida, permitiendo una fabricación mixta con tan sólo el cambio del cabezal de la máquina herramienta. 229 230 7. Anexos. 7.1. Anexo 1. Modelos de “3D Systems”. Serie “ProX”. La serie “ProX” consiste actualmente de las impresoras “500” y “500 Plus”; actualmente sólo se encuentra disponible el modelo “ProX 500”, el “ProX 500 Plus” se comercializará, según la empresa, a partir de principios del 2015 [175]. Esta máquina, diseñada para la producción de piezas finales empleando un solo material termoplástico desarrollado para su uso exclusivo en esta máquina, ofrece una calidad similar –según la empresa– a piezas termoplásticas fabricadas mediante inyección en molde. La Figura 7-1 y la Tabla 7-1 proporcionan más información sobre estos modelos. Figura 7-1: Impresoras de la serie “ProX”; izq. “ProX 500”, der. “ProX 500 Plus”. 231 “ProX 500” [176] Especificaciones técnicas 381 x 330 x 457 mm3 0,08 – 0,15 mm 100 W / CO2 2 L/h Corriente alterna Sistema trifásico 208 V 50/60 Hz 7,5 kVA 1.744 x 1.226 x 2.295 mm3 1.360 kg Tamaño máximo de las piezas Rango de espesores de capa Potencia/tipo del láser Velocidad de construcción volumétrica Alimentación eléctrica Voltaje Frecuencia Potencia Dimensiones de la máquina Peso de la máquina Materiales Nombre comercial “DuraForm® ProX™” Descripción Material termoplástico con propiedades similares a piezas fabricadas mediante inyección en molde [177]. Aplicaciones Piezas funcionales y ensamblajes para aplicaciones aeroespaciales, de automoción, dispositivos médicos personalizados para cada paciente, accesorios de moda y aplicaciones para dispositivos móviles. Precios e información comercial El precio de compra de esta impresora se encuentra en torno a los $500.000 (USD) [178]. No hay información disponible en cuanto a costes de material lo suficientemente precisa como para incluirse aquí. La empresa ofrece una garantía de 1 año para esta impresora. Tabla 7-1: datos relevantes del modelo “500” de la serie “ProX” de “3D Systems”. Dado que el modelo “500 Plus” no se ha comercializado aún, no se presenta información específica sobre este modelo por no estar disponible. Sin embargo, según [179], la principal diferencia con el modelo actualmente disponible se encuentra en una selección más amplia de materiales, entre los que se encuentran el “DuraForm® ProX GF” y el “DuraForm® ProX AF+”. El primero se trata de un termoplástico con fibras de vidrio en su interior que aumentan su resistencia y rigidez a la vez que también aumenta su aislamiento térmico; el segundo se trata 232 de un termoplástico con fibras de aluminio, con mejores propiedades térmicas y una apariencia parecida a piezas metálicas de fundición. Serie “sPro”. La serie “sPro” de sinterización de materiales no-metálicos ofrece varios modelos, en concreto el “60 HD”, el “140” y el “230”. A su vez, cada modelo ofrece variaciones que están orientadas a adaptarse a las necesidades del cliente, generalmente en cuanto a tamaño máximo de las piezas y potencia del láser, que incide en la velocidad de construcción volumétrica. En el estudio de los modelos que se presenta a continuación, se ha tomado como referencia el modelo base, aunque se pueden consultar las distintas variaciones en [180]. Las diversas figuras y tablas siguientes muestran información sobre cada modelo de esta serie. Figura 7-2: Impresora de SLS “sPro 60 HD” de “3D Systems”. “sPro 60 HD” [181] Especificaciones técnicas 381 x 330 x 437 mm3 0.08 – 0.15 mm 30 W / CO2 1 L/h Corriente alterna Sistema trifásico 240 V 50/60 Hz 12,5 kVA Tamaño máximo de las piezas Rango de espesores de capa Potencia/tipo del láser Velocidad de construcción volumétrica Alimentación eléctrica Voltaje Frecuencia Potencia 233 Materiales Nombre comercial “CastForm™ PS” “DuraForm® EX Black” “DuraForm® EX Natural” “DuraForm® Flex” “DuraForm® FR 100” “DuraForm® GF” “DuraForm® HST Composite” “DuraForm® PA” Descripción Material basado en estireno para la fabricación de modelos para la fundición de molde desechable, modelo perdido (con modelo evaporativo) [182]. Termoplástico de color negro con alta resistencia a impactos y resistencia similar al polipropileno y ABS fabricados mediante inyección en molde [183]. Ídem al anterior con la excepción del color, éste ofrece su color natural (blanco) [184]. Material parecido a la goma, flexible y con buena resistencia y durabilidad [185]. Termoplástico de ingeniería con propiedades anti-incendios y de baja emisiones de humo que cumple las exigencias de la norma “UL 94 V-0” [186] para uso en aeronaves y otras aplicaciones exigentes. Libre de halógenos y antimonio [187]. Termoplástico de ingeniería relleno de elementos de vidrio que presentan una buena rigidez, resistencia a altas temperaturas y propiedades isótropas [188]. Termoplástico reforzado con fibras que ofrece una alta rigidez específica, resistencia a altas temperaturas y propiedades anisótropas [189]. Termoplástico duradero con propiedades mecánicas equilibradas y buena resolución y acabado superficial [190]. Aplicaciones Fabricación de ductos interiores de aeronaves. Fabricación de guías personalizadas para taladros médicos. Fabricación de prostéticos y de órtesis. Fabricación de carcasas de dispositivos móviles. Interiores de automóviles y prototipos. Fabricación de carcasas para dispositivos electrónicos. 234 Precios El precio de compra de esta impresora, según varias fuentes, es a partir de los $300.000 (USD) [191], [192]. No hay información disponible en cuanto a costes de material lo suficientemente precisa como para incluirse aquí. La empresa ofrece una garantía de 1 año para esta impresora. Tabla 7-2: datos relevantes del modelo “60 HD” de la serie “sPro” de “3D Systems”. Figura 7-3: Impresora de SLS “sPro 140” de “3D Systems”. “sPro 140” [193] Especificaciones técnicas 550 x 550 x 460 mm3 0.08 – 0.15 mm 70 W / CO2 3 L/h Corriente alterna Sistema trifásico 208 V 50/60 Hz 17 kVA Tamaño máximo de las piezas Rango de espesores de capa Potencia/tipo del láser Velocidad de construcción volumétrica Alimentación eléctrica Voltaje Frecuencia Potencia Materiales Nombre comercial “CastForm™ PS” Descripción Material basado en estireno para la fabricación de modelos para la fundición de 235 “DuraForm® EX Black” “DuraForm® EX Natural” “DuraForm® Flex” “DuraForm® FR 100” “DuraForm® GF” “DuraForm® HST Composite” “DuraForm® PA” molde desechable, modelo perdido (con modelo evaporativo) [182]. Termoplástico de color negro con alta resistencia a impactos y resistencia similar al polipropileno y ABS fabricados mediante inyección en molde [183]. Ídem al anterior con la excepción del color, éste ofrece su color natural (blanco) [184]. Material parecido a la goma, flexible y con buena resistencia y durabilidad [185]. Termoplástico de ingeniería con propiedades anti-incendios y de baja emisiones de humo que cumple las exigencias de la norma “UL 94 V-0” [186] para uso en aeronaves y otras aplicaciones exigentes. Libre de halógenos y antimonio [187]. Termoplástico de ingeniería relleno de elementos de vidrio que presentan una buena rigidez, resistencia a altas temperaturas y propiedades isótropas [188]. Termoplástico reforzado con fibras que ofrece una alta rigidez específica, resistencia a altas temperaturas y propiedades anisótropas [189]. Termoplástico duradero con propiedades mecánicas equilibradas y buena resolución y acabado superficial [190]. Aplicaciones Fabricación de ductos interiores de aeronaves. Fabricación de guías personalizadas para taladros médicos. Fabricación de prostéticos y de órtesis. Fabricación de carcasas de dispositivos móviles. Interiores de automóviles y prototipos. Fabricación de carcasas para dispositivos electrónicos. Precios El precio de compra de esta impresora es a partir de los $725.000 (USD) [192], [194]. No hay información disponible en cuanto a costes de material lo suficientemente precisa como para incluirse aquí. La empresa ofrece una garantía de 1 año para esta impresora. Tabla 7-3: datos relevantes del modelo “140” de la serie “sPro” de “3D Systems”. 236 Figura 7-4: Impresora de SLS “sPro 230” de “3D Systems”. “sPro 230” [195] Especificaciones técnicas 550 x 550 x 750 mm3 0.08 – 0.15 mm 70 W / CO2 3 L/h Corriente alterna Sistema trifásico 208 V 50/60 Hz 7,5 kVA Tamaño máximo de las piezas Rango de espesores de capa Potencia/tipo del láser Velocidad de construcción volumétrica Alimentación eléctrica Voltaje Frecuencia Potencia Materiales Nombre comercial “CastForm™ PS” “DuraForm® EX Black” “DuraForm® EX Natural” “DuraForm® Flex” “DuraForm® FR 100” Descripción Material basado en estireno para la fabricación de modelos para la fundición de molde desechable, modelo perdido (con modelo evaporativo) [182]. Termoplástico de color negro con alta resistencia a impactos y resistencia similar al polipropileno y ABS fabricados mediante inyección en molde [183]. Ídem al anterior con la excepción del color, éste ofrece su color natural (blanco) [184]. Material parecido a la goma, flexible y con buena resistencia y durabilidad [185]. Termoplástico de ingeniería con propiedades anti-incendios y de baja emisiones de humo que cumple las exigencias de la norma “UL 237 “DuraForm® GF” “DuraForm® HST Composite” “DuraForm® PA” 94 V-0” [186] para uso en aeronaves y otras aplicaciones exigentes. Libre de halógenos y antimonio [187]. Termoplástico de ingeniería relleno de elementos de vidrio que presentan una buena rigidez, resistencia a altas temperaturas y propiedades isótropas [188]. Termoplástico reforzado con fibras que ofrece una alta rigidez específica, resistencia a altas temperaturas y propiedades anisótropas [189]. Termoplástico duradero con propiedades mecánicas equilibradas y buena resolución y acabado superficial [190]. Aplicaciones Fabricación de ductos interiores de aeronaves. Fabricación de guías personalizadas para taladros médicos. Fabricación de prostéticos y de órtesis. Fabricación de carcasas de dispositivos móviles. Interiores de automóviles y prototipos. Fabricación de carcasas para dispositivos electrónicos. Precios El precio de compra de esta impresora es a partir de los $850.000 (USD) [192], [196]. No hay información disponible en cuanto a costes de material lo suficientemente precisa como para incluirse aquí. La empresa ofrece una garantía de 1 año para esta impresora. Tabla 7-4: datos relevantes del modelo “230” de la serie “sPro” de “3D Systems”. Como se ha podido comprobar, todos los modelos de la serie “sPro” comparten los materiales que pueden emplear en la fabricación; la principal diferencia entre las impresoras es en cuanto a sus capacidades técnicas. En cuanto a los precios, se ha podido comprobar que a más capacidad de fabricar piezas de mayores dimensiones, el precio aumenta. La velocidad constructiva volumétrica también aumenta con el precio, aunque en menor medida. El no disponer de información para los materiales dificulta la realización de un estudio económico más profundo para determinar los costes a largo plazo. En cuanto a la sinterización de metales y cerámicos, “3D Systems” ofrece los siguientes modelos: 238 Serie “ProX”. Actualmente se ofrecen tres modelos base para la sinterización de polvos metálicos y cerámicos por parte de “3D Systems”, el “ProX 100”, “ProX 200” y el “ProX 300”. A su vez, existen variantes de cada modelo a los que la compañía les añade el sufijo “Dental”, en concreto para los modelos “100” y “200”. Éstos varían principalmente en el paquete de software incluido con la impresora (para facilitar la creación de complejas prótesis dentales) y en el uso de una aleación de cobaltocromo como material adicional. Por razones obvias, las máquinas destinadas a aplicaciones dentales no se estudiarán en este apartado; si se desease consultar más información sobre ellas, se ruega consultar [197] y [198]. Adicionalmente, existe el modelo “ProX 400” que, aunque sus datos técnicos y especificaciones se encuentran disponibles, es un modelo que se comercializará en un futuro próximo, por lo que aún no se encuentran disponibles datos sobre precios. A continuación se detallarán, mediante diversas figuras y tablas, los modelos mencionados, de manera similar a como se lleva realizando en este apartado. Figura 7-5: Impresora de DMLS “ProX 100” de “3D Systems”. 239 “ProX 100” [199] Especificaciones técnicas 100 x 100 x 80 mm3 10 – 50 µm 50 W / de fibra x=100 µm, y=100 µm, z=20 µm Corriente alterna Sistema monofásico 230 V 50/60 Hz 2,7 kVA 1.200 x 770 x 1.950 mm3 1.000 kg Manual Tamaño máximo de las piezas Rango de espesores de capa Potencia/tipo del láser Resolución mínima de detalles Alimentación eléctrica Voltaje Frecuencia Potencia Dimensiones de la máquina Peso de la máquina Tipo de sistema de suministro de material Materiales Tipo Metales Cerámicos Desglose Aceros inoxidables Aceros de máquinas-herramienta Aleaciones de titanio (Ti6Al4V) Aleaciones de aluminio (AlSi12) Otros [200] Cermet Al2O3 Cermet TiO2 Otros [200] Aplicaciones Fabricación de componentes y piezas para aplicaciones aeroespaciales y de defensa. Fabricación de motores y sus componentes. Fabricación de tecnología médica. Fabricación implantes personalizados. Aplicaciones dentales. Aplicaciones en la fabricación de joyas y arte. Precios El precio de compra de esta impresora se encuentra en el rango $250.000–$350.000 (USD) [201]. No hay información disponible en cuanto a costes de material lo suficientemente precisa como para incluirse aquí. La empresa ofrece una garantía de 1 año para esta impresora, prorrogable. Tabla 7-5: datos relevantes del modelo “100” de la serie “ProX” de “3D Systems”. 240 Figura 7-6: Impresora de DMLS “ProX 200” de “3D Systems”. “ProX 200” [202] Especificaciones técnicas 140 x 140 x 100 mm3 10 – 50 µm 300 W / de fibra x=100 µm, y=100 µm, z=20 µm Corriente alterna Sistema trifásico 400 V 50/60 Hz 8 kVA 1.200 x 1.500 x 1.950 mm3 1.500 kg Tamaño máximo de las piezas Rango de espesores de capa Potencia/tipo del láser Resolución mínima de detalles Alimentación eléctrica Voltaje Frecuencia Potencia Dimensiones de la máquina Peso de la máquina Tipo de sistema de suministro de material Semiautomático 241 Materiales Tipo Metales Cerámicos Desglose Aceros inoxidables Aceros de máquinas-herramienta Aleaciones de titanio (Ti6Al4V) Aleaciones de aluminio (AlSi12) Metales preciosos Otros [200] Cermet Al2O3 Cermet TiO2 Otros [200] Aplicaciones Fabricación de componentes y piezas para aplicaciones aeroespaciales y de defensa. Fabricación de motores y sus componentes. Fabricación de tecnología médica. Fabricación implantes personalizados. Aplicaciones dentales. Aplicaciones en la fabricación de joyas y arte. Precios El precio de compra de esta impresora se encuentra en el rango $400.000–$600.000 (USD) [201]. No hay información disponible en cuanto a costes de material lo suficientemente precisa como para incluirse aquí. La empresa ofrece una garantía de 1 año para esta impresora, prorrogable. Tabla 7-6: datos relevantes del modelo “200” de la serie “ProX” de “3D Systems”. 242 Figura 7-7: Impresora de DMLS “ProX 300” de “3D Systems”. “ProX 300” [203] Especificaciones técnicas 250 x 250 x 300 mm3 10 – 50 µm 500 W / de fibra x=100 µm, y=100 µm, z=20 µm Corriente alterna Sistema trifásico 400 V 50/60 Hz 15 kVA 2.400 x 2.200 x 2.400 mm3 5.000 kg Automático Tamaño máximo de las piezas Rango de espesores de capa Potencia/tipo del láser Resolución mínima de detalles Alimentación eléctrica Voltaje Frecuencia Potencia Dimensiones de la máquina Peso de la máquina Tipo de sistema de suministro de material Materiales Tipo Metales Desglose Aceros inoxidables Aceros de máquinas-herramienta Aleaciones de titanio (Ti6Al4V) 243 Cerámicos Aleaciones de aluminio (AlSi12) Metales preciosos Otros [200] Cermet Al2O3 Cermet TiO2 Otros [200] Aplicaciones Fabricación de componentes y piezas para aplicaciones aeroespaciales y de defensa. Fabricación de motores y sus componentes. Fabricación de tecnología médica. Fabricación implantes personalizados. Aplicaciones dentales. Aplicaciones en la fabricación de joyas y arte. Precios El precio de compra de esta impresora se encuentra en el rango $750.000–$1.000.000 (USD) [201]. No hay información disponible en cuanto a costes de material lo suficientemente precisa como para incluirse aquí. La empresa ofrece una garantía de 1 año para esta impresora, prorrogable. Tabla 7-7: datos relevantes del modelo “300” de la serie “ProX” de “3D Systems”. Figura 7-8: Impresora de DMLS “ProX 400” de “3D Systems”. 244 “ProX 400” [204] Especificaciones técnicas 500 x 500 x 500 mm3 10 – 100 µm 2 x 500 W / de fibra u opción de 1 x 1 kW Corriente alterna Sistema trifásico más tierra 400 V – 480 V 50/60 Hz 15 kVA Unidad de fabricación: 300 x 300 x 300 cm3 Unidad de polvo: 250 x 250 x 250 cm3 Unidad de fabricación: 13.607 kg Unidad de polvo: 4.535 kg Automático Tamaño máximo de las piezas Rango de espesores de capa Potencia/tipo del láser Alimentación eléctrica Voltaje Frecuencia Potencia Dimensiones de la máquina Peso de la máquina Tipo de sistema de suministro de material Materiales Tipo Metales Desglose Aceros inoxidables Aceros de máquinas-herramienta Aleaciones de titanio (Ti6Al4V) Aleaciones de aluminio (AlSi12) Metales preciosos Otros [200] Aplicaciones Fabricación de componentes y piezas para aplicaciones aeroespaciales y de defensa. Fabricación de motores y sus componentes. Fabricación de tecnología médica. Fabricación implantes personalizados. Aplicaciones dentales. Aplicaciones en la fabricación de joyas y arte. Precios Aún no se ha comercializado, por lo que es imposible la obtención de precios. Tabla 7-8: datos relevantes del modelo “400” de la serie “ProX” de “3D Systems”. Los modelos presentados anteriormente dentro de esta sección corresponden a los sistemas e impresoras que la empresa “3D Systems”. Modelos obsoletos que se han dejado de comercializar no se han incluido aquí, aunque sí se ha optado por incluir aquellos modelos cuya comercialización es inminente. 245 7.2. Anexo 2. Modelos de “EOS”. En cuanto a la sinterización de materiales poliméricos, “EOS” ofrece los siguientes modelos: “FORMIGA P 110”. Modelo básico de entrada que la empresa ofrece para las industrias interesadas en comenzar a introducirse en el mercado de la fabricación aditiva. Debido a sus dimensiones reducidas, es más rentable su uso para realizar tiradas cortas de producción, pocas piezas con un grado de complejidad geométrico alto o piezas que requieren de una alta personalización (únicas). Toda la información relevante disponible para este modelo de manera oficial se encuentra recogida en la Tabla 7-9; la impresora en sí se puede visualizar en la Figura 7-9. Figura 7-9: Impresora de SLS “FORMIGA P 110” de “EOS”. 246 “FORMIGA P 110” [205] Especificaciones técnicas Tamaño máximo de las piezas Rango de espesores de capa Potencia/tipo del láser Velocidad de construcción vertical máxima (dependiente del material) 200 mm x 250 mm x 330 mm 0,06 – 0,12 mm 30 W / CO2 20 mm/h Presión mínima: 6.000 hPa Caudal mínimo: 10 m3/h Corriente alterna 16 A 5 kW / 1,4 kW 1.320 mm x 1.067 mm x 2.204 mm 3.200 mm x 3.500 mm x 3.000 mm 600 kg Suministro de aire comprimido y nitrógeno Alimentación eléctrica Suministro de corriente Potencia activa consumida nominal / típica Dimensiones de la máquina Espacio de instalación recomendado Peso de la máquina Materiales y sus aplicaciones [206] Nombre comercial “PA 2200” “PA 2201” “PA 3200 GF” “PrimeCast 101” “PA 2105” Descripción Poliamida 12, de color blanco. Material multiusos y con propiedades equilibradas; destinado para la fabricación de piezas funcionales. Poliamida 12 para aplicaciones especiales. Color natural, material multiusos para la fabricación de piezas funcionales. Destinado para su uso principalmente en EE. UU. Poliamida 12 relleno con elementos de vidrio. De color blanquecino, presenta una alta rigidez, alta resistencia al desgaste y buenas propiedades a altas temperaturas. Destinado para piezas cuyas condiciones operativas requieran de estas propiedades. Poliestireno de color gris, que presenta una alta precisión dimensional y poco contenido de ceniza cuando se quema. Destinado para la fabricación de modelos para uso en procesos de fundición con modelo perdido (evaporativo) y para modelado de prototipos. Poliamida 12 de color beige claro. Ofrece una alta precisión dimensional y buen acabado superficial y grado de detalle. Principalmente destinado a aplicaciones dentales. 247 Precios El precio de compra de esta impresora se encuentra a partir de los $190.000 (USD) [207]. No hay información disponible en cuanto a costes de material lo suficientemente precisa como para incluirse aquí. La empresa ofrece un contrato de servicios de 1 año para esta impresora. Tabla 7-9: datos relevantes del modelo “FORMIGA P 110” de “EOS”. “EOS P 396”. Este modelo de impresora pertenece a la gama media que la empresa actualmente comercializa. Se trata de una máquina que ofrece una mejora en cuanto a tamaño máximo de las piezas, materiales disponibles y velocidad constructiva en comparación con el modelo anterior, por lo que se orienta hacia la industria de producción para volúmenes y tiradas mayores. De hecho, está más optimizada para este cometido, consiguiéndose un importante ahorro y aumento de la eficiencia para series de producción medias, reduciendo el coste por pieza fabricada comparada con el modelo anterior. La información relevante sobre este modelo se encuentra detallada a continuación en la Tabla 7-10; la Figura 7-10 muestra la impresora en cuestión. Figura 7-10: Impresora de SLS “EOS P 396” de “EOS”. 248 “EOS P 396” [208] Especificaciones técnicas Tamaño máximo de las piezas Rango de espesores de capa Potencia/tipo del láser Velocidad de construcción vertical máxima (dependiente del material) 340 mm x 340 mm x 600 mm 0,06 – 0,18 mm 70 W / CO2 48 mm/h Presión mínima: 5.000 hPa Caudal mínimo: 10 m3/h Corriente alterna 32 A 10 kW / 2,4 kW 1.840 mm x 1.175 mm x 2.100 mm 950 mm x 700 mm x 1.550 mm Suministro de aire comprimido y nitrógeno Alimentación eléctrica Suministro de corriente Potencia activa consumida nominal / típica Dimensiones de la máquina Dimensiones del terminal de control Dimensiones del sistema de alimentación de material en polvo Dimensiones del terminal de desempaquetado Espacio de instalación recomendado Peso de la máquina 1.480 mm x 1.170 mm x 1.470 mm 1.190 mm x 620 mm x 1.500 mm 4.300 mm x 3.900 mm x 3.000 mm 1.060 kg Materiales y sus aplicaciones [206] Nombre comercial “PA 2200” “PA 2201” “PA 3200 GF” “PrimeCast 101” “PA 2105” Descripción Poliamida 12, de color blanco. Material multiusos y con propiedades equilibradas; destinado para la fabricación de piezas funcionales. Poliamida 12 para aplicaciones especiales. Color natural, material multiusos para la fabricación de piezas funcionales. Destinado para su uso principalmente en EE. UU. Poliamida 12 relleno con elementos de vidrio. De color blanquecino, presenta una alta rigidez, alta resistencia al desgaste y buenas propiedades a altas temperaturas. Destinado para piezas cuyas condiciones operativas requieran de estas propiedades. Poliestireno de color gris, que presenta una alta precisión dimensional y poco contenido de ceniza cuando se quema. Destinado para la fabricación de modelos para uso en procesos de fundición con modelo perdido (evaporativo) y para modelado de prototipos. Poliamida 12 de color beige claro. Ofrece una alta precisión dimensional y buen acabado superficial y grado de detalle. 249 Principalmente destinado a aplicaciones dentales. Precios El precio de compra de esta impresora se encuentra a partir de los $420.000 (USD) [209]. No hay información disponible en cuanto a costes de material lo suficientemente precisa como para incluirse aquí. La empresa ofrece un contrato de servicios de 1 año para esta impresora. Tabla 7-10: datos relevantes del modelo “EOS P 396” de “EOS”. “EOSINT P 760”. El modelo de gama media-alta que ofrece la empresa para la sinterización de piezas poliméricas, el “P 760” se diferencia de los modelos anteriores por emplear láseres duales a la vez que incrementa de nuevo las dimensiones máximas de las piezas que puede fabricar. Los láseres duales se pueden emplear de forma paralela para la fabricación de dos o más piezas simultáneamente, por lo que el volumen de producción puede aumentar en una serie de producción, reduciendo nuevamente los costes asociados por pieza. Este modelo tiene a su alcance un abanico más amplio de materiales a su disposición, por lo que flexibiliza las aplicaciones a la que puede ir destinada. En esencia, se trata de una impresora industrial para la producción a una escala razonable para una tecnología de fabricación aditiva. Figura 7-11: Impresora de SLS “EOSINT P 760” de “EOS”. 250 “EOSINT P 760” [210] Especificaciones técnicas Tamaño máximo de las piezas Rango de espesores de capa Potencia/tipo del láser Velocidad de construcción vertical máxima (dependiente del material) 700 mm x 380 mm x 580 mm 0,06 – 0,18 mm 2 x 50 W / CO2 32 mm/h Presión mínima: 6.000 hPa Caudal mínimo: 20 m3/h Corriente alterna 32 A 12 kW / 3,1 kW 2.250 mm x 1.550 mm x 2.100 mm 1.045 mm x 850 mm x 1.620 mm Suministro de aire comprimido y nitrógeno Alimentación eléctrica Suministro de corriente Potencia activa consumida nominal / típica Dimensiones de la máquina Dimensiones del terminal de control Dimensiones del sistema de alimentación de material en polvo Dimensiones del terminal de desempaquetado Espacio de instalación recomendado Peso de la máquina 1.890 mm x 1.350 mm x 1.550 mm 1.600 mm x 800 mm x 1.370 mm 4.800 mm x 4.800 mm x 3.000 mm 2.300 kg Materiales y sus aplicaciones [206] Nombre comercial “PA 2200” “PA 2201” “PA 3200 GF” “PrimeCast 101” “PA 2105” Descripción Poliamida 12, de color blanco. Material multiusos y con propiedades equilibradas; destinado para la fabricación de piezas funcionales. Poliamida 12 para aplicaciones especiales. Color natural, material multiusos para la fabricación de piezas funcionales. Destinado para su uso principalmente en EE. UU. Poliamida 12 relleno con elementos de vidrio. De color blanquecino, presenta una alta rigidez, alta resistencia al desgaste y buenas propiedades a altas temperaturas. Destinado para piezas cuyas condiciones operativas requieran de estas propiedades. Poliestireno de color gris, que presenta una alta precisión dimensional y poco contenido de ceniza cuando se quema. Destinado para la fabricación de modelos para uso en procesos de fundición con modelo perdido (evaporativo) y para modelado de prototipos. Poliamida 12 de color beige claro. Ofrece una alta precisión dimensional y buen acabado superficial y grado de detalle. 251 “Alumide®” “CarbonMide®” “PA 1101” “PA 2210 FR” “PrimePart® FR (PA 2241 FR)” “PrimePart® ST (PEBA 2301)” Principalmente destinado a aplicaciones dentales. Poliamida 12 con elementos de aluminio de color gris metálico. Presenta una alta rigidez, una conductividad térmica limitada, buenas propiedades a altas temperaturas y permite un fácil mecanizado y post-procesado. Su uso se recomienda para piezas sometidas a cargas térmicas o a aplicaciones que requieran mecanizado o acabados metálicos. Poliamida 12 con refuerzos de fibra de carbono de color negro. Posee una rigidez y resistencia extremadamente alta, conducción térmica y eléctrica limitada y una buena relación resistencia-peso. Se recomienda para aplicaciones que requieran piezas ligeras y rígidas así como un posible sustituto de materiales metálicos. Poliamida 11 de color natural con alta ductilidad y resistencia a impactos. Similar en propiedades al PA 2200. Se recomienda para piezas sometidas a impactos. Poliamida 12 con propiedades anti-incendios (inhibidor de fuego) de color blanco. Material libre de halógenos; se recomienda para aplicaciones aeroespaciales y en el sector eléctrico y electrónico. Poliamida 12 con propiedades anti-incendios (inhibidor de fuego) de color blanco. Más económico que la opción anterior, destinado para uso en el sector aeroespacial. Copolímero TPE-A de bloque polieterimida (“TPE-A Polyetheramide-Block-Copolymer”). Polímero flexible con propiedades tipo goma que no requiere infiltración. Se recomienda su uso para la fabricación de dispositivos amortiguadores, parachoques, suelas de calzado, etc. Precios El precio de compra de esta impresora se encuentra a partir de los $832.000 (USD) [211]. No hay información disponible en cuanto a costes de material lo suficientemente precisa como para incluirse aquí. La empresa ofrece un contrato de servicios de 1 año para esta impresora. Tabla 7-11: datos relevantes del modelo “EOSINT P 760” de “EOS”. 252 “EOSINT P 800”. Actualmente, este es el modelo de más alta gama que la empresa comercializa en cuanto a impresoras de sinterización de materiales poliméricos. No sólo ofrece la posibilidad de fabricar las piezas de mayor tamaño, sino que el abanico de materiales disponibles se amplía aún más en comparación con los modelos anteriores. Otro aspecto a destacar se trata de su elevada temperatura durante el proceso de fabricación, alcanzándose los 385 ˚C en el lecho de polvo, lo que permite obtener piezas termoplásticas con unas propiedades excelentes. En concreto, “EOS” resalta el material que han nombrado “EOS PEEK HP3”, que sólo se puede emplear en esta máquina actualmente. Se trata de un poliarileno-éter-cetona con unas excelentes propiedades mecánicas, térmicas y anti-incendios que se puede emplear en un amplio abanico de aplicaciones, incluidas las aeroespaciales. Por lo tanto, esta máquina es la que se orienta a las aplicaciones industriales de fabricación más exigentes – pero a un coste también elevado. La siguiente Figura 7-12 y Tabla 7-12 muestran toda la información de interés sobre este modelo. Figura 7-12: Impresora de SLS “EOSINT P 800” de “EOS”. “EOSINT P 800” [212] Especificaciones técnicas Tamaño máximo de las piezas Rango de espesores de capa Potencia/tipo del láser 700 mm x 380 mm x 560 mm 0,12 mm 2 x 50 W / CO2 253 Velocidad de construcción vertical máxima (dependiente del material) 7 mm/h Presión mínima: 6.000 hPa Caudal mínimo: 20 m3/h Corriente alterna 32 A 12 kW / 3,7 kW 2.250 mm x 1.550 mm x 2.100 mm 1.045 mm x 850 mm x 1.620 mm Suministro de aire comprimido y nitrógeno Alimentación eléctrica Suministro de corriente Potencia activa consumida nominal / típica Dimensiones de la máquina Dimensiones del terminal de control Dimensiones del sistema de alimentación de material en polvo Dimensiones del terminal de desempaquetado Espacio de instalación recomendado Peso de la máquina 1.890 mm x 1.350 mm x 1.550 mm 1.600 mm x 800 mm x 1.370 mm 4.800 mm x 4.800 mm x 3.000 mm 2.300 kg Materiales y sus aplicaciones [206] Nombre comercial “PA 2200” “PA 2201” “PA 3200 GF” “PrimeCast 101” “PA 2105” “Alumide®” Descripción Poliamida 12, de color blanco. Material multiusos y con propiedades equilibradas; destinado para la fabricación de piezas funcionales. Poliamida 12 para aplicaciones especiales. Color natural, material multiusos para la fabricación de piezas funcionales. Destinado para su uso principalmente en EE. UU. Poliamida 12 relleno con elementos de vidrio. De color blanquecino, presenta una alta rigidez, alta resistencia al desgaste y buenas propiedades a altas temperaturas. Destinado para piezas cuyas condiciones operativas requieran de estas propiedades. Poliestireno de color gris, que presenta una alta precisión dimensional y poco contenido de ceniza cuando se quema. Destinado para la fabricación de modelos para uso en procesos de fundición con modelo perdido (evaporativo) y para modelado de prototipos. Poliamida 12 de color beige claro. Ofrece una alta precisión dimensional y buen acabado superficial y grado de detalle. Principalmente destinado a aplicaciones dentales. Poliamida 12 con elementos de aluminio de color gris metálico. Presenta una alta rigidez, una conductividad térmica limitada, buenas propiedades a altas temperaturas y permite un fácil mecanizado y post-procesado. Su uso se recomienda para piezas sometidas a 254 “CarbonMide®” “PA 1101” “PA 2210 FR” “PrimePart® FR (PA 2241 FR)” “PrimePart® ST (PEBA 2301)” “EOS PEEK HP3” cargas térmicas o a aplicaciones que requieran mecanizado o acabados metálicos. Poliamida 12 con refuerzos de fibra de carbono de color negro. Posee una rigidez y resistencia extremadamente alta, conducción térmica y eléctrica limitada y una buena relación resistencia-peso. Se recomienda para aplicaciones que requieran piezas ligeras y rígidas así como un posible sustituto de materiales metálicos. Poliamida 11 de color natural con alta ductilidad y resistencia a impactos. Similar en propiedades al PA 2200. Se recomienda para piezas sometidas a impactos. Poliamida 12 con propiedades anti-incendios (inhibidor de fuego) de color blanco. Material libre de halógenos; se recomienda para aplicaciones aeroespaciales y en el sector eléctrico y electrónico. Poliamida 12 con propiedades anti-incendios (inhibidor de fuego) de color blanco. Más económico que la opción anterior, destinado para uso en el sector aeroespacial. Copolímero TPE-A de bloque polieterimida (“TPE-A Polyetheramide-Block-Copolymer”). Polímero flexible con propiedades tipo goma que no requiere infiltración. Se recomienda su uso para la fabricación de dispositivos amortiguadores, parachoques, suelas de calzado, etc. Poliarileno-éter-cetona de color marrónbeige. Se trata de un material de altas exigencias con un excelente rendimiento a altas temperaturas, resistencia y rigidez así como resistencia química. Posee una excelente resistencia al desgaste y es inhibidor de fuego inherentemente. Sus aplicaciones posibles consisten en sustituto de materiales metálicos, para fabricación de piezas del sector aeroespacial, del sector de la automoción, electricidad y electrónica, médico e industrial. Precios El precio de compra de esta impresora se encuentra a partir de los $1.000.000– $1.300.000 (USD) [213], [164]. 255 No hay información disponible en cuanto a costes de material lo suficientemente precisa como para incluirse aquí. La empresa ofrece un contrato de servicios de 1 año para esta impresora. Tabla 7-12: datos relevantes del modelo “EOSINT P 800” de “EOS”. En cuanto a impresoras de materiales metálicos, “EOS” ofrece los siguientes modelos: “EOSINT M 280”. A diferencia de los modelos de impresoras de materiales poliméricos, el modelo de entrada de sinterización de metales se trata de una máquina competente que se puede emplear para la fabricación industrial directamente, aunque su selección de metales se encuentra un poco truncada si se compara con los demás modelos superiores. Sin embargo, si se compara con la línea de impresoras de polímeros de “EOS”, este modelo se puede considerar como correspondiente a la gama media de impresoras por sus prestaciones y capacidad productiva. Toda la información relevante para este modelo se encuentra recogida a continuación en la Tabla 7-13 y Figura 7-13. Figura 7-13: Impresora de DMLS “EOSINT M 280” de “EOS”. 256 “EOSINT M 280” [214] Especificaciones técnicas Tamaño máximo de las piezas Rango de espesores de capa Potencia/tipo del láser Suministro de aire comprimido y nitrógeno 250 mm x 250 mm x 325 mm 20 – 60 µm 200 W / Fibra-Yb (400 W opcional) Presión mínima: 7.000 hPa Caudal mínimo: 20 m3/h Corriente alterna 32 A 8,5 kW / 3,2 kW 2.200 mm x 1.070 mm x 2.290 mm 4.800 mm x 3.600 mm x 2.900 mm 1.250 kg Alimentación eléctrica Suministro de corriente Potencia activa consumida nominal / típica Dimensiones de la máquina Espacio de instalación recomendado Peso de la máquina Materiales y sus aplicaciones [206], [215], [216] Tipo Nombre comercial Aceros martensíticos envejecidos “EOS MaragingSteel MS1” “EOS StainlessSteel GP1” Aceros inoxidables “EOS StainlessSteel PH1” “EOS StainlessSteel 316L” “EOS NickelAlloy IN718” Aleaciones de níquel “EOS NickelAlloy IN625” 257 Descripción y aplicaciones Acero que responde al estándar 18 Mar 300/1.2709 para aplicaciones en piezas mecánicas y moldes para la fabricación de series por inyección. Acero inoxidable que responde al estándar 17-4/1.4542. Aplicaciones para la fabricación de prototipos funcionales y piezas para series de producción; orientado hacia necesidades de ingeniería mecánica y tecnología médica. Acero inoxidable endurecible que responde al estándar 15-5/1.4540. Aplicaciones idénticas al anterior. Acero inoxidable que responde al estándar 1.4404/UNS S31673. Para uso en aplicaciones aeroespaciales (soportes, escuadras y elementos estructurales), aplicaciones médicas (endoscopia y ortopedia) y otros usos (piezas de veleros, joyería, marcos de gafas, etc.). Aleación también conocida comercialmente como “Inconel™ 718” que responde a las normas UNS N07718, AMS 5662, mat. #2.4668. Aplicaciones para componentes de altas temperaturas en turbinas de gas y piezas de producción así como prototipos funcionales. Aleación también conocida comercialmente como “Inconel™ 625” “EOS NickelAlloy HX” Aleaciones de cobalto-cromo “EOS CobaltChrome MP1” Aleaciones de titanio “EOS Titanium Ti64” que responde a las normas UNS N 06625, AMS 5666F, mat. #2.4856. Mismas aplicaciones que el anterior. Aleación de níquel que responde a la norma UNS N06002. Se emplea para la fabricación de componentes sometidos a condiciones térmicas severas donde existe gran riesgo de corrosión, como en el interior de cámaras de combustión, quemadores, etc. Superaleación que responde a las normas UNS R31538, ASTM F75. Para la fabricación de piezas finales y prototipos funcionales, así como para aplicaciones en ingeniería mecánica, tecnología médica y en el sector dental. Aleación de metal ligero para empleo para la fabricación de prototipos funcionales y piezas de series de producción para el sector aeroespacial y de la automoción de altas exigencias. Precios El precio de compra de esta impresora se encuentra en el rango de los $525.000– $630.000 (USD) [217], [218]. No hay información disponible en cuanto a costes de material lo suficientemente precisa como para incluirse aquí. La empresa ofrece un contrato de servicios de 1 año para esta impresora. Tabla 7-13: datos relevantes del modelo “EOSINT M 280” de “EOS”. “EOS M 290”. El modelo “M 290” pretende ser la mejora del “M 280” en cuanto a algunos aspectos funcionales. Ambos modelos mantienen el tamaño máximo de fabricación pero aumenta la potencia del láser, sistema de filtrado del material en polvo y aumenta en rango de metales que se pueden procesar al emplear esta máquina atmosfera protectora de argón además de sólo nitrógeno. Se mejora la interfaz de usuario (se introducen pantallas táctiles) y el paquete informático para facilitar las operaciones mientras que se optimizan algunos parámetros y se introducen mejoras para disminuir costes operativos y hacer la fabricación de series más largas menos costoso, como sistemas de autolimpiado de los filtros de gas. 258 Toda la información relevante se puede hallar a continuación en la Tabla 7-14 mientras que la impresora en sí se puede visualizar en la Figura 7-14. Figura 7-14: Impresora de DMLS “EOS M 290” de “EOS”. “EOS M 290” [219] Especificaciones técnicas Tamaño máximo de las piezas Rango de espesores de capa Potencia/tipo del láser Suministro de aire comprimido y nitrógeno 250 mm x 250 mm x 325 mm 20 – 60 µm 400 W / Fibra-Yb Presión mínima: 7.000 hPa Caudal mínimo: 20 m3/h Corriente alterna 32 A 8,5 kW / 3,2 kW 2.500 mm x 1.300 mm x 2.190 mm 4.800 mm x 3.600 mm x 2.900 mm 1.250 kg Alimentación eléctrica Suministro de corriente Potencia activa consumida nominal / típica Dimensiones de la máquina Espacio de instalación recomendado Peso de la máquina Materiales y sus aplicaciones [206], [215], [220] Tipo Nombre comercial Aceros martensíticos envejecidos “EOS MaragingSteel MS1” Aceros inoxidables “EOS StainlessSteel 316L” 259 Descripción y aplicaciones Acero que responde al estándar 18 Mar 300/1.2709 para aplicaciones en piezas mecánicas y moldes para la fabricación de series por inyección. Acero inoxidable que responde al estándar 1.4404/UNS S31673. Para uso en aplicaciones aeroespaciales (soportes, escuadras y elementos “EOS NickelAlloy IN718” Aleaciones de níquel “EOS NickelAlloy IN625” “EOS NickelAlloy HX” Aleaciones de cobalto-cromo “EOS CobaltChrome MP1” “EOS Titanium Ti64” Aleaciones de titanio “EOS Titanium Ti64ELI” Aleaciones de aluminio “EOS Aluminium AlSi10Mg” estructurales), aplicaciones médicas (endoscopia y ortopedia) y otros usos (piezas de veleros, joyería, marcos de gafas, etc.). Aleación también conocida comercialmente como “Inconel™ 718” que responde a las normas UNS N07718, AMS 5662, mat. #2.4668. Aplicaciones para componentes de altas temperaturas en turbinas de gas y piezas de producción así como prototipos funcionales. Aleación también conocida comercialmente como “Inconel™ 625” que responde a las normas UNS N 06625, AMS 5666F, mat. #2.4856. Mismas aplicaciones que el anterior. Aleación de níquel que responde a la norma UNS N06002. Se emplea para la fabricación de componentes sometidos a condiciones térmicas severas donde existe gran riesgo de corrosión, como en el interior de cámaras de combustión, quemadores, etc. Superaleación que responde a las normas UNS R31538, ASTM F75. Para la fabricación de piezas finales y prototipos funcionales, así como para aplicaciones en ingeniería mecánica, tecnología médica y en el sector dental. Aleación de metal ligero para empleo para la fabricación de prototipos funcionales y piezas de series de producción para el sector aeroespacial y de la automoción de altas exigencias. Ídem al anterior pero con aplicaciones para la fabricación de implantes médicos. Aleación ligera para la producción de prototipos funcionales y piezas de fabricación final para aplicaciones en ingeniería mecánica, aeroespacial, etc. Precios El precio de compra de esta impresora se encuentra a partir de los $700.000 (USD) [221]. 260 No hay información disponible en cuanto a costes de material lo suficientemente precisa como para incluirse aquí. La empresa ofrece un contrato de servicios de 1 año para esta impresora. Tabla 7-14: datos relevantes del modelo “EOS M 290” de “EOS”. “EOS M 400”. El modelo de gama alta para la fabricación de piezas metálicas mediante la sinterización en lecho de polvo, el “M 400” ofrece la plataforma productora para la fabricación de piezas de altas prestaciones y de la más alta calidad que ofrece la empresa “EOS” actualmente. Se trata de una impresora que ofrece la posibilidad de fabricar piezas metálicas de gran tamaño a la vez que se encuentra optimizada para la realización de grandes tiradas de series de producción. Posee todas las mejoras relevantes de los modelos anteriores en cuanto a optimizaciones para reducir los costes de mantenimiento y por pieza para tiradas largas, como los sistemas de autolimpieza de los filtros del sistema de alimentación de material y gas. Así mismo, dispone del rango completo de materiales metálicos. Obviamente, con todas las prestaciones que ofrece, también presenta el precio más elevado de compra. Toda la información disponible se encuentra a continuación en la Tabla 7-15. Figura 7-15: Impresora de DMLS “EOS M 400” de “EOS”. “EOS M 400” [222] Especificaciones técnicas Tamaño máximo de las piezas Rango de espesores de capa Potencia/tipo del láser Suministro de aire comprimido y nitrógeno 400 mm x 400 mm x 400 mm 20 – 40 µm 1 kW / Fibra-Yb Presión mínima: 7.000 hPa Caudal mínimo: 20 m3/h 261 Alimentación eléctrica Suministro de corriente Potencia activa consumida nominal / típica Dimensiones de la máquina Espacio de instalación recomendado Peso de la máquina Corriente alterna 50 A 20,2 kW / 16,2 kW 4.181 mm x 1.613 mm x 2.355 mm 6.500 mm x 6.000 mm x 3.300 mm 4.635 kg Materiales y sus aplicaciones [206], [215] Tipo Nombre comercial Aceros martensíticos envejecidos “EOS MaragingSteel MS1” “EOS StainlessSteel GP1” Aceros inoxidables “EOS StainlessSteel PH1” “EOS StainlessSteel 316L” “EOS NickelAlloy IN718” Aleaciones de níquel “EOS NickelAlloy IN625” “EOS NickelAlloy HX” 262 Descripción y aplicaciones Acero que responde al estándar 18 Mar 300/1.2709 para aplicaciones en piezas mecánicas y moldes para la fabricación de series por inyección. Acero inoxidable que responde al estándar 17-4/1.4542. Aplicaciones para la fabricación de prototipos funcionales y piezas para series de producción; orientado hacia necesidades de ingeniería mecánica y tecnología médica. Acero inoxidable endurecible que responde al estándar 15-5/1.4540. Aplicaciones idénticas al anterior. Acero inoxidable que responde al estándar 1.4404/UNS S31673. Para uso en aplicaciones aeroespaciales (soportes, escuadras y elementos estructurales), aplicaciones médicas (endoscopia y ortopedia) y otros usos (piezas de veleros, joyería, marcos de gafas, etc.). Aleación también conocida comercialmente como “Inconel™ 718” que responde a las normas UNS N07718, AMS 5662, mat. #2.4668. Aplicaciones para componentes de altas temperaturas en turbinas de gas y piezas de producción así como prototipos funcionales. Aleación también conocida comercialmente como “Inconel™ 625” que responde a las normas UNS N 06625, AMS 5666F, mat. #2.4856. Mismas aplicaciones que el anterior. Aleación de níquel que responde a la norma UNS N06002. Se emplea para la fabricación de componentes sometidos a condiciones térmicas severas donde existe gran riesgo de corrosión, como en el interior de “EOS CobaltChrome MP1” Aleaciones de cobalto-cromo “EOS CobaltChrome SP2” “EOS Titanium Ti64” Aleaciones de titanio “EOS Titanium Ti64ELI” Aleaciones de aluminio “EOS Aluminium AlSi10Mg” cámaras de combustión, quemadores, etc. Superaleación que responde a las normas UNS R31538, ASTM F75. Para la fabricación de piezas finales y prototipos funcionales, así como para aplicaciones en ingeniería mecánica, tecnología médica y en el sector dental. Superaleación de cobalto-cromo para uso principalmente en restauraciones dentales (producción de series). Aleación de metal ligero para empleo para la fabricación de prototipos funcionales y piezas de series de producción para el sector aeroespacial y de la automoción de altas exigencias. Ídem al anterior pero con aplicaciones para la fabricación de implantes médicos. Aleación ligera para la producción de prototipos funcionales y piezas de fabricación final para aplicaciones en ingeniería mecánica, aeroespacial, etc. Precios El precio de compra de esta impresora se encuentra a partir de los $1.500.000 (USD) [223]. No hay información disponible en cuanto a costes de material lo suficientemente precisa como para incluirse aquí. La empresa ofrece un contrato de servicios de 1 año para esta impresora. Tabla 7-15: datos relevantes del modelo “EOS M 400” de “EOS”. Como se ha podido comprobar tras el estudio de los modelos que ofrece “EOS”, la compañía no ofrece ninguna máquina o solución para fabricar piezas empleando materiales cerámicos, a diferencia de las de “3D Systems”, que lo permiten en algunos modelos. Además de los modelos aquí presentados, existe la impresora “PRECIOUS M 080” [224] diseñada específicamente para fabricar piezas a partir de metales preciosos, tales como oro, plata y cobre. El tamaño y prestaciones de esta impresora son mucho menores que la de los demás modelos que imprimen metales, ya que se encuentra enfocada principalmente a la producción de joyería, relojería y arte, por lo que se ha estimado que su estudio en profundidad no está justificado. El precio de esta impresora se encuentra en torno a los $260.000 (USD) [218]; más información sobre sus materiales se puede encontrar en [225] y [226] mientras que una información más detallada sobre el rendimiento de esta impresora así como los productos que puede llegar a fabricar se encuentran en [227]. 263 7.3. Anexo 3. Modelos de “ConceptLaser”. “M1 Cusing”. El modelo de entrada de “ConceptLaser”, es una máquina de fusión en lecho de polvo que se encuentra en desventaja frente a otros modelos por el tamaño reducido de fabricación de piezas frente a las dimensiones de la máquina en sí. Según la empresa, es una impresora ideada para la fabricación de piezas y componentes pequeños o medianos de alta calidad, de precisión y con buenos acabados superficiales. Dispone de una gran selección de materiales a pesar de ser un modelo de entrada, aunque no dispone de opciones para aleaciones de titanio o aluminio. Figura 7-16: Impresora de SLM “M1 Cusing” de “ConceptLaser”. “M1 Cusing” [229], [230] Especificaciones técnicas 250 x 250 x 250 mm3 20 – 80 µm 2 – 10 cm3/h (dep. de material) 200 W / Fibra (400 W opcional) Presión mínima: 5 bar Caudal mínimo: 1 L/min Corriente alterna Sistema trifásico 32 A 400 V 7,4 kW 2.362 mm x 1.535 mm x 2.308 mm 680 mm x 1.400 mm x 650 mm Tamaño máximo de las piezas Rango de espesores de capa Velocidad de construcción volumétrica Potencia/tipo del láser Suministro de aire comprimido y nitrógeno Alimentación eléctrica Suministro de corriente Voltaje Potencia activa consumida Dimensiones de la máquina Dimensiones de carro de guantera 264 Peso de la máquina Rango de temperaturas ambiente operativas 1.500 kg 15 – 35 ˚C Materiales y aplicaciones [230] Tipo Nombre comercial “CL 20ES” Aceros y aceros inoxidables “CL 91RW” “CL 50Ws” Aleaciones de cobalto-cromo “Remanium® star CL” “CL 110CoCr F75” Aleaciones de níquel Descripción y Aplicaciones Acero inoxidable austenítico conforme al estándar 1.4404, también conocido bajo el nombre de grado 316L, para la fabricación de piezas funcionales y componentes para moldes de preproducción. Acero inoxidable de alta dureza con alto contenido de cromo. Para la fabricación de componentes de herramientas o moldes. Acero martensítico envejecido conforme al estándar 1.2709. Usado principalmente para la fabricación de moldes y para piezas que requieren alta dureza y resistencia. Aleación de 61% Co y 28% Cr para aplicaciones en la fabricación de prostéticos para las industrias médicas y dentales. Aleación de cobalto cromo para la fabricación de implantes y prostéticos. Aleación de níquel también conocida bajo el nombre de “Inconel 718”. Para aplicaciones de muy alta temperatura. “CL 100NB” Precios El precio de compra de esta impresora se encuentra a partir de los $360.000 (USD) [231]. No hay información disponible en cuanto a costes de material lo suficientemente precisa como para incluirse aquí; el fabricante es el encargado de su suministro. La empresa ofrece un contrato de servicios de 1 año para esta impresora. Tabla 7-16: datos relevantes del modelo “M1 Cusing” de “ConceptLaser”. 265 “M2 Cusing” y “M2 Cusing Multilaser”. Modelo fabricado según las guías “ATEX” por lo que se hace posible que este modelo de impresora pueda ser capaz de procesar aleaciones de aluminio y titanio de forma segura. Dispone de atmósfera protectora libre de oxígeno y se ha diseñado para un uso continuo e intensivo. Sin embargo, el tamaño máximo de las piezas no aumenta de manera considerable en comparación con el modelo anterior. El variante del “M2”, el “Multilaser” simplemente corresponde al mismo modelo pero con dos láseres de 200 W (o de 400 W, opcionalmente) que permiten la fabricación de más de una pieza de forma paralela. Sin embargo, debido al limitado espacio de fabricación esta opción sólo sería viable para la fabricación paralela de varias piezas pequeñas o muy pequeñas. Debido a esto, sólo se estudiará en profundidad el modelo base, el “M2 Cusing” a continuación. Figura 7-17: Impresora de SLM “M2 Cusing” de “ConceptLaser”. “M2 Cusing” [229], [232] Especificaciones técnicas 250 x 250 x 280 mm3 20 – 80 µm 3 2 – 3 cm /h (dep. de material) 200 W / Fibra (400 W opcional) Presión mínima: 5 bar Caudal mínimo: 1 L/min Corriente alterna Sistema trifásico 32 A 400 V Tamaño máximo de las piezas Rango de espesores de capa Velocidad de construcción volumétrica Potencia/tipo del láser Suministro de aire comprimido y nitrógeno Alimentación eléctrica Suministro de corriente Voltaje 266 Potencia activa consumida Dimensiones de la máquina Peso de la máquina Rango de temperaturas ambiente operativas 7,4 kW 2.440 mm x 1.630 mm x 2.354 mm 2.000 kg 15 – 35 ˚C Materiales y aplicaciones [232] Tipo Nombre comercial “CL 20ES” Aceros y aceros inoxidables “CL 91RW” “CL 50Ws” Aleaciones de cobalto-cromo “Remanium® star CL” “CL 110CoCr F75” Aleaciones de níquel Aleaciones de aluminio Descripción y Aplicaciones Acero inoxidable austenítico conforme al estándar 1.4404, también conocido bajo el nombre de grado 316L, para la fabricación de piezas funcionales y componentes para moldes de preproducción. Acero inoxidable de alta dureza con alto contenido de cromo. Para la fabricación de componentes de herramientas o moldes. Acero martensítico envejecido conforme al estándar 1.2709. Usado principalmente para la fabricación de moldes y para piezas que requieren alta dureza y resistencia. Aleación de 61% Co y 28% Cr para aplicaciones en la fabricación de prostéticos para las industrias médicas y dentales. Aleación de cobalto cromo para la fabricación de implantes y prostéticos. Aleación de níquel también conocida bajo el nombre de “Inconel 718”. Para aplicaciones de muy alta temperatura. “CL 100NB” Aleación de aluminio según el estándar DIN EN 1706 AlSi12(a) comúnmente empleado para la fabricación de piezas de peso reducido en las industrias aeroespaciales y de la automoción. Aleación de titanio correspondiente al TiAl6V4. Para uso en la industria aeroespacial, de la automoción y médica. Aleación de titanio correspondiente al variante TiAl6V4 ELI. Principalmente usado en la industria médica para la fabricación de prótesis. “CL 30AL” “40TI CL” Aleaciones de titanio “40TI CL ELI” 267 “Remanium® CL Titanium” Aleación de titanio usado principalmente para la fabricación de prótesis dentales. Precios El precio de compra de esta impresora se encuentra a partir de los $455.000 (USD) [233]. No hay información disponible en cuanto a costes de material lo suficientemente precisa como para incluirse aquí; el fabricante es el encargado de su suministro. La empresa ofrece un contrato de servicios de 1 año para esta impresora. Tabla 7-17: datos relevantes del modelo “M2 Cusing” de “ConceptLaser”. “X Line 1000R”. Se trata de la impresora de la tecnología de fusión de metales en lecho de polvo (“SLM”) más grande del mundo actualmente en cuanto a dimensiones de la máquina en sí y en las dimensiones máximas de las piezas que puede fabricar; actualmente es el modelo de más alta gama que ofrece la empresa. Construida para la fabricación de piezas de hasta una tonelada en titanio, está orientada hacia las industrias aeroespacial y de automoción, principalmente. Contiene dos módulos de construcción que se pueden emplear para una fabricación continua, pues finalizada la fabricación en una de ellas, se desplaza dicho módulo y el otro entra en la cámara constructiva para que se inicie la nueva fabricación inmediatamente. Dispone de un sistema completamente automático para la reposición del material en polvo a la cámara constructiva, de nuevo reduciendo los tiempos de espera para la fabricación y disminuyendo la necesidad de mano de obra durante el proceso por parte de los operarios. Actualmente sólo se han vendido dos, una para la compañía de automóviles “Daimler-Benz” y otra para la Universidad de Monash, en Australia. 268 Figura 7-18: Impresora de SLM “X Line 1000R” de “ConceptLaser”. “X Line 1000R” [229], [234] Especificaciones técnicas Tamaño máximo de las piezas Rango de espesores de capa Velocidad de construcción volumétrica Sistema térmico Potencia/tipo del láser Suministro de aire comprimido y nitrógeno/argón Alimentación eléctrica Suministro de corriente Voltaje Potencia activa consumida Dimensiones de la máquina Peso de la máquina Rango de temperaturas ambiente operativas 630 x 400 x 500 mm3 30 – 200 µm 10 – 100 cm3/h (dep. de material) Temperatura máxima: 200 ˚C Potencia máxima: 9 kW 1 kW / Fibra Presión mínima: 5 bar Caudal mínimo: 17 – 34 L/min Corriente alterna Sistema trifásico 63 A 400 V 13 kW 4.415 mm x 3.070 mm x 4.500 mm 8.000 kg 15 – 30 ˚C Materiales y aplicaciones [232] Tipo Aceros y aceros inoxidables Nombre comercial Descripción y Aplicaciones “CL 20ES” Acero inoxidable austenítico conforme al estándar 1.4404, también conocido bajo el nombre de grado 316L, para la fabricación de piezas funcionales y 269 “CL 91RW” “CL 50Ws” Aleaciones de cobalto-cromo “Remanium® star CL” “CL 110CoCr F75” Aleaciones de níquel Aleaciones de aluminio Aleación de níquel también conocida bajo el nombre de “Inconel 718”. Para aplicaciones de muy alta temperatura. “CL 100NB” “CL 30AL” “40TI CL” Aleaciones de titanio componentes para moldes de preproducción. Acero inoxidable de alta dureza con alto contenido de cromo. Para la fabricación de componentes de herramientas o moldes. Acero martensítico envejecido conforme al estándar 1.2709. Usado principalmente para la fabricación de moldes y para piezas que requieren alta dureza y resistencia. Aleación de 61% Co y 28% Cr para aplicaciones en la fabricación de prostéticos para las industrias médicas y dentales. Aleación de cobalto cromo para la fabricación de implantes y prostéticos. “40TI CL ELI” “Remanium® CL Titanium” Aleación de aluminio según el estándar DIN EN 1706 AlSi12(a) comúnmente empleado para la fabricación de piezas de peso reducido en las industrias aeroespaciales y de la automoción. Aleación de titanio correspondiente al TiAl6V4. Para uso en la industria aeroespacial, de la automoción y médica. Aleación de titanio correspondiente al variante TiAl6V4 ELI. Principalmente usado en la industria médica para la fabricación de prótesis. Aleación de titanio usado principalmente para la fabricación de prótesis dentales. Precios El precio de compra de esta impresora se encuentra en el rango de los $1.000.000 $1.775.000 (USD) [235], [236]. No hay información disponible en cuanto a costes de material lo suficientemente precisa como para incluirse aquí; el fabricante es el encargado de su suministro. La empresa ofrece un contrato de servicios de 1 año para esta impresora. Tabla 7-18: datos relevantes del modelo “X Line 1000R” de “ConceptLaser”. 270 7.4. Anexo 4. Modelos de “SLM”. “SLM 125 HL”. El modelo de entrada de “SLM Solutions”, el “SLM 125 HL” ofrece una solución para la fabricación de piezas y componentes de tamaño reducido. El menor tamaño de la máquina en sí también es una baza a su favor, sobre todo al considerar que necesita menos cantidad de polvo metálico y gas inerte para realizar cada operación. Este modelo ofrece una plataforma software de código abierto, por lo que se puede instalar a discreción del cliente cualquier sistema operativo o programa de control. Así mismo, ofrece unas velocidades constructivas de hasta 15 cm3/h empleando el láser opcional de 200 W, una de las mayores comparada con los demás modelos similares de otros fabricantes. Adicionalmente, puede procesar una gran cantidad de aleaciones metálicas, a excepción de las de aluminio; es curioso resaltar que esta empresa no emplea nombres comerciales para designar a los materiales que se emplean en sus máquinas, con algunas excepciones. A continuación se presenta la información relevante sobre este modelo. Figura 7-19: Impresora de SLM “SLM 125 HL” de “SLM Solutions”. 271 “SLM 125 HL” [237] Especificaciones técnicas Tamaño máximo de las piezas Rango de espesores de capa Velocidad de construcción volumétrica Potencia/tipo del láser Suministro de aire comprimido y nitrógeno/argón Alimentación eléctrica Suministro de corriente Voltaje Potencia activa consumida Dimensiones de la máquina Peso de la máquina 125 x 125 x 75 mm3 20 – 40 µm 15 cm3/h 100 W / Fibra (200 W opcional) Presión mínima: 1,5 bar Caudal mínimo: 0,5 L/min Corriente alterna Sistema trifásico 32 A 400 V 4 kW 1.350 mm x 1.900 mm x 800 mm 700 kg Materiales y aplicaciones [238] Tipo Nombre Descripción y Aplicaciones 1.4540 (15-5PH) 1.4404 (316L) Aceros y aceros inoxidables 1.2344 (H13) 1.2709 Aleaciones de cobalto-cromo CoCr (F75) 272 Acero inoxidable con elevada resistencia a la corrosión y buenas propiedades mecánicas, especialmente empleado para la fabricación de componentes en la industria médica, aeroespacial y otros campos donde se requieran estas propiedades. Acero inoxidable austenítico conforme al estándar 1.4404, también conocido bajo el nombre de grado 316L, para la fabricación de piezas funcionales y componentes para moldes de preproducción. Acero con buenas propiedades a temperaturas elevadas y alta resistencia al desgaste. Empleado para la fabricación de moldes para procesos de fundición e inyección de termoplásticos. Acero martensítico envejecido conforme al estándar 1.2709. Usado principalmente para la fabricación de moldes y para piezas que requieren alta dureza y resistencia. Aleación de cobalto cromo para la fabricación de implantes y prótesis dentales. Superaleación de níquel que permite excelentes propiedades mecánicas y de resistencia a la fatiga y corrosión petroquímica a temperaturas de hasta los 1.200 ˚C. Empleado principalmente en elementos de las cámaras de combustión de los aerorreactores. Típica aleación de níquel con buenas propiedades mecánicas y de resistencia a la corrosión a altas temperaturas, con aplicaciones en la industria aeroespacial, marina, química y nuclear. De nuevo otra típica aleación de níquel que, con propiedades y aplicaciones similares al “625”, permite y facilita la soldadura. Aleación de níquel con aplicaciones a altas temperaturas y resistencia a la corrosión especialmente diseñada para ofrecer las mejores propiedades frente a la soldadura. Típica aleación de titanio de aplicaciones para el sector aeroespacial y médico, entre otros. Presenta buenas propiedades de fatiga en ambientes húmedos. Aleación de titanio empleada especialmente en la fabricación de implantes médicos. Empleado en la fabricación de elementos intercambiadores de calor, tuberías resistentes a la corrosión y para aplicaciones médicas. “Hastelloy X” “Inconel 625” Aleaciones de níquel “Inconel 718” “Inconel 939” TiAl6V4 Aleaciones de titanio TiAl6Nb7 Titanio puro Precios El precio de compra de esta impresora se encuentra a partir de los $200.000 (USD) [239]. No hay información disponible en cuanto a costes de material lo suficientemente precisa como para incluirse aquí; el fabricante es el encargado de su suministro. La empresa ofrece un contrato de servicios de 1 año para esta impresora. Tabla 7-19: datos relevantes del modelo “SLM 125 HL” de “SLM Solutions”. 273 “SLM 280 HL”. El modelo de gama media-alta que ofrece la empresa se trata del “SLM 280 HL”. Presenta una mejora en cuanto a dimensiones de fabricación máximas y un sistema de doble láser para permitir una fabricación paralela de varias piezas o la fabricación más rápida de una sola. A su vez, permite la instalación de hasta dos láseres adicionales opcionales, aumentando aún más el rendimiento y reduciendo el tiempo de fabricación. Puede procesar todos los materiales que el modelo anterior con la adición de aleaciones de aluminio. Toda la información relevante a este modelo se puede encontrar a continuación. Figura 7-20: Impresora de SLM “SLM 280 HL” de “SLM Solutions”. “SLM 280 HL” [240] Especificaciones técnicas Tamaño máximo de las piezas Rango de espesores de capa Velocidad de construcción volumétrica Potencia/tipo del láser Suministro de aire comprimido y nitrógeno/argón Alimentación eléctrica Suministro de corriente Voltaje 274 280 x 280 x 350 mm3 20 – 100 µm 20 – 35 cm3/h 400 W + 1 kW / Fibra (2 x 400 W adicionales opcional) Presión mínima: 1,5 bar Caudal mínimo: 2,5 L/min Corriente alterna Sistema trifásico 32 A 400 V Potencia activa consumida Dimensiones de la máquina Peso de la máquina 8 kW 1.800 mm x 1.900 mm x 1.000 mm 1.000 kg Materiales y aplicaciones [238] Tipo Nombre Descripción y Aplicaciones 1.4540 (15-5PH) 1.4404 (316L) Aceros y aceros inoxidables 1.2344 (H13) 1.2709 Aleaciones de cobalto-cromo CoCr (F75) “Hastelloy X” Aleaciones de níquel “Inconel 625” 275 Acero inoxidable con elevada resistencia a la corrosión y buenas propiedades mecánicas, especialmente empleado para la fabricación de componentes en la industria médica, aeroespacial y otros campos donde se requieran estas propiedades. Acero inoxidable austenítico conforme al estándar 1.4404, también conocido bajo el nombre de grado 316L, para la fabricación de piezas funcionales y componentes para moldes de preproducción. Acero con buenas propiedades a temperaturas elevadas y alta resistencia al desgaste. Empleado para la fabricación de moldes para procesos de fundición e inyección de termoplásticos. Acero martensítico envejecido conforme al estándar 1.2709. Usado principalmente para la fabricación de moldes y para piezas que requieren alta dureza y resistencia. Aleación de cobalto cromo para la fabricación de implantes y prótesis dentales. Superaleación de níquel que permite excelentes propiedades mecánicas y de resistencia a la fatiga y corrosión petroquímica a temperaturas de hasta los 1.200 ˚C. Empleado principalmente en elementos de las cámaras de combustión de los aerorreactores. Típica aleación de níquel con buenas propiedades mecánicas y de resistencia a la corrosión a altas temperaturas, con aplicaciones en la industria aeroespacial, marina, química y nuclear. De nuevo otra típica aleación de níquel que, con propiedades y aplicaciones similares al “625”, permite y facilita la soldadura. Aleación de níquel con aplicaciones a altas temperaturas y resistencia a la corrosión especialmente diseñada para ofrecer las mejores propiedades frente a la soldadura. Típica aleación de titanio de aplicaciones para el sector aeroespacial y médico, entre otros. Presenta buenas propiedades de fatiga en ambientes húmedos. Aleación de titanio empleada especialmente en la fabricación de implantes médicos. Empleado en la fabricación de elementos intercambiadores de calor, tuberías resistentes a la corrosión y para aplicaciones médicas. Aleación de aluminio con alto contenido de sílice, empleado principalmente para aplicaciones a alta temperatura (hasta los 500 ˚C) y aplicaciones a altas presiones. Presentan resistencias medias pero buen comportamiento frente a la corrosión. Aleación ligera para la producción de prototipos funcionales y piezas de fabricación final para aplicaciones en ingeniería mecánica, aeroespacial, etc. Aleación de aluminio empleada principalmente en la fabricación de moldes. “Inconel 718” “Inconel 939” TiAl6V4 Aleaciones de titanio TiAl6Nb7 Titanio puro AlSi12 Aleaciones de aluminio AlSi10Mg AlSi7Mg Precios El precio de compra de esta impresora se encuentra a partir de los $400.000 (USD) [241]. No hay información disponible en cuanto a costes de material lo suficientemente precisa como para incluirse aquí; el fabricante es el encargado de su suministro. La empresa ofrece un contrato de servicios de 1 año para esta impresora. Tabla 7-20: datos relevantes del modelo “SLM 280 HL” de “SLM Solutions”. 276 “SLM 500 HL”. Modelo de alta gama de la empresa “SLM Solutions”. En esencia, es una mejora sobre el modelo anterior en cuanto a tamaño máximo constructivo y amplía en la tecnología de multi-láseres que ya presentaba el modelo anterior. La selección de metales sigue siendo la misma, así como los requerimientos eléctricos. Toda la información relevante se halla a continuación. Figura 7-21: Impresora de SLM “SLM 500 HL” de “SLM Solutions”. “SLM 500 HL” [242] Especificaciones técnicas Tamaño máximo de las piezas Rango de espesores de capa Velocidad de construcción volumétrica Potencia/tipo del láser Suministro de aire comprimido y nitrógeno/argón Alimentación eléctrica Suministro de corriente Voltaje Potencia activa consumida Dimensiones de la máquina Peso de la máquina 277 500 x 280 x 325 mm3 20 – 200 µm 70 cm3/h 2 x 400 W / Fibra (2 x 1 kW adicionales opcional) Presión mínima: 1,5 bar Caudal mínimo: 5 L/min Corriente alterna Sistema trifásico 32 A 400 V 8 kW 3.000 mm x 2.000 mm x 1.100 mm 2.000 kg Materiales y aplicaciones [238] Tipo Nombre Descripción y Aplicaciones 1.4540 (15-5PH) 1.4404 (316L) Aceros y aceros inoxidables 1.2344 (H13) 1.2709 Aleaciones de cobalto-cromo CoCr (F75) “Hastelloy X” Aleaciones de níquel “Inconel 625” “Inconel 718” 278 Acero inoxidable con elevada resistencia a la corrosión y buenas propiedades mecánicas, especialmente empleado para la fabricación de componentes en la industria médica, aeroespacial y otros campos donde se requieran estas propiedades. Acero inoxidable austenítico conforme al estándar 1.4404, también conocido bajo el nombre de grado 316L, para la fabricación de piezas funcionales y componentes para moldes de preproducción. Acero con buenas propiedades a temperaturas elevadas y alta resistencia al desgaste. Empleado para la fabricación de moldes para procesos de fundición e inyección de termoplásticos. Acero martensítico envejecido conforme al estándar 1.2709. Usado principalmente para la fabricación de moldes y para piezas que requieren alta dureza y resistencia. Aleación de cobalto cromo para la fabricación de implantes y prótesis dentales. Superaleación de níquel que permite excelentes propiedades mecánicas y de resistencia a la fatiga y corrosión petroquímica a temperaturas de hasta los 1.200 ˚C. Empleado principalmente en elementos de las cámaras de combustión de los aerorreactores. Típica aleación de níquel con buenas propiedades mecánicas y de resistencia a la corrosión a altas temperaturas, con aplicaciones en la industria aeroespacial, marina, química y nuclear. De nuevo otra típica aleación de níquel que, con propiedades y aplicaciones similares al “625”, permite y facilita la soldadura. Aleación de níquel con aplicaciones a altas temperaturas y resistencia a la corrosión especialmente diseñado para ofrecer las mejores propiedades frente a la soldadura. Típica aleación de titanio de aplicaciones para el sector aeroespacial y médico, entre otros. Presenta buenas propiedades de fatiga en ambientes húmedos. Aleación de titanio empleada especialmente en la fabricación de implantes médicos. Empleado en la fabricación de elementos intercambiadores de calor, tuberías resistentes a la corrosión y para aplicaciones médicas. Aleación de aluminio con alto contenido de sílice, empleado principalmente para aplicaciones a alta temperatura (hasta los 500 ˚C) y aplicaciones a altas presiones. Presentan resistencias medias pero buen comportamiento frente a la corrosión. Aleación ligera para la producción de prototipos funcionales y piezas de fabricación final para aplicaciones en ingeniería mecánica, aeroespacial, etc. Aleación de aluminio empleada principalmente en la fabricación de moldes. “Inconel 939” TiAl6V4 Aleaciones de titanio TiAl6Nb7 Titanio puro AlSi12 Aleaciones de aluminio AlSi10Mg AlSi7Mg Precios El precio de compra de esta impresora se encuentra a partir de los $500.000 (USD) [243]. No hay información disponible en cuanto a costes de material lo suficientemente precisa como para incluirse aquí; el fabricante es el encargado de su suministro. La empresa ofrece un contrato de servicios de 1 año para esta impresora. Tabla 7-21: datos relevantes del modelo “SLM 500 HL” de “SLM Solutions”. 279 7.5. Anexo 5. Modelos de “ReaLizer”. “SLM 50”. El modelo de entrada, el “SLM 50” se hace notable por ser la impresora 3D de fusión de metales en lecho de polvo más pequeña del mundo. Sin embargo, su tamaño reducido no implica una disminución en la calidad de la máquina en sí ni en la calidad de las piezas que puede llegar a fabricar. Sus aplicaciones fundamentales se limitan a la fabricación de prótesis dentales de cobalto-cromo así como joyería, aunque puede fabricar piezas de tamaño reducido de acero. Aunque su relevancia para el sector aeroespacial quizá pueda ser escaso, su notoriedad como impresora justifica su estudio aquí, pues da una idea sobre el lado opuesto de la escala de tamaños disponibles actualmente. Toda la información relevante se encuentra a continuación. Figura 7-22: Impresora de SLM “SLM 50” de “ReaLizer”. 280 “SLM 50” [244] Especificaciones técnicas Tamaño máximo de las piezas Rango de espesores de capa Potencia/tipo del láser Ø 70 mm x 40 mm (altura) 20 – 50 µm 120 W / Fibra Corriente alterna Sistema monofásico 16 A 230 V 50/60 Hz 1 kW 30 L/h 800 x 700 x 500 mm3 80 kg Alimentación eléctrica Corriente Voltaje Frecuencia Potencia activa Consumo de argón Dimensiones de la máquina Peso de la máquina Materiales Tipo Metales Desglose Acero inoxidable 316L Aleaciones de cobalto-cromo Aleaciones de oro Aplicaciones Aplicaciones en la fabricación de piezas de tamaño reducido de acero. Tareas de investigación y desarrollo con los metales mencionados. Aplicaciones dentales. Aplicaciones en la fabricación de joyas y arte. Precios El precio de compra de esta impresora se encuentra a partir de los $162.340 (USD) [245]. No hay información disponible en cuanto a costes de material lo suficientemente precisa como para incluirse aquí; el fabricante es el encargado de su suministro. La empresa ofrece un contrato de servicios de 1 año para esta impresora. Tabla 7-22: datos relevantes del modelo “SLM 50” de “ReaLizer”. 281 “SLM 100”. Máquina especialmente diseñada para su empleo en laboratorios o entornos similares en la industria, presenta una gran variedad de metales que puede procesar. Según la empresa, está desarrollando materiales cerámicos para uso en este modelo, aunque aún no se encuentran disponibles. El tamaño reducido pero alto de la máquina permite un mayor enfoque del láser por lo que se pueden fabricar piezas con acabados superficiales y detalles finos. Se puede emplear para la fabricación de pequeñas piezas de gran precisión a escala industrial o para tareas de I+D. Figura 7-23: Impresora de SLM “SLM 100” de “ReaLizer”. “SLM 100” [246] Especificaciones técnicas Tamaño máximo de las piezas Rango de espesores de capa Potencia/tipo del láser 125 mm x 125 mm x 200 mm 20 – 100 µm 200 W / Fibra Corriente alterna Sistema trifásico 16 A 400 V 50/60 Hz 1,5 kW Alimentación eléctrica Corriente Voltaje Frecuencia Potencia activa 282 Consumo de argón Dimensiones de la máquina Peso de la máquina 35 L/h 900 x 800 x 2.400 mm3 500 kg Materiales Tipo Metales Desglose Acero inoxidable 316L Acero de herramienta H 13 Aleaciones de cobalto-cromo Aleaciones de níquel “Inconel” Aleaciones de titanio Aleaciones de aluminio Aleaciones de oro Aplicaciones Aplicaciones en la fabricación de piezas de tamaño reducido y gran precisión para los sectores aeroespaciales, de la automoción, etc. Tareas de investigación y desarrollo con los metales mencionados. Aplicaciones dentales y médicas. Aplicaciones en la fabricación de joyas y arte. Precios El precio de compra de esta impresora se encuentra a partir de los $255.000 (USD) [247]. No hay información disponible en cuanto a costes de material lo suficientemente precisa como para incluirse aquí; el fabricante es el encargado de su suministro. La empresa ofrece un contrato de servicios de 1 año para esta impresora. Tabla 7-23: datos relevantes del modelo “SLM 100” de “ReaLizer”. “SLM 125”. Este modelo no se puede estudiar con el mismo detalle que los anteriores pues no se encontrará disponible hasta mayo de 2015. Sin embargo, la empresa ha facilitado alguna información sobre esta impresora, que se puede encontrar en [248] y [249]; cabe destacar que es un modelo que mejora sobre el “SLM 100” en cuanto a potencia de láser (400 W) y en la inclusión de un sistema integrado de reciclado de polvo metálico. Mantiene las dimensiones máximas constructivas de 125 mm x 125 mm x 200 mm, por lo que se considera un modelo de actualización del “SLM 100” con la posible intención de desfasarlo. A continuación se encuentra una fotografía de dicha impresora en la Figura 7-24. 283 Figura 7-24: Impresora de SLM “SLM 125” de “ReaLizer”. “SLM 250”. El modelo de más alta gama que ofrece la empresa “ReaLizer”, el “SLM 250” fue diseñado para ser un sistema multiusos. Se adapta bien a entornos industriales de producción como a laboratorios. Mejora en cuanto a tamaño máximo constructivo respecto a los modelos anteriores y dispone de una gran selección de metales disponibles. A continuación se halla toda la información relevante sobre este modelo. Figura 7-25: Impresora de SLM “SLM 250” de “ReaLizer”. 284 “SLM 250” [250] Especificaciones técnicas Tamaño máximo de las piezas Rango de espesores de capa Potencia/tipo del láser 250 mm x 250 mm x 300 mm 20 – 100 µm 400 W / Fibra (600 W opcional) Corriente alterna Sistema trifásico 16 A 400 V 50/60 Hz 2,5 kW 70 L/h 1.800 x 1.000 x 2.200 mm3 800 kg Alimentación eléctrica Corriente Voltaje Frecuencia Potencia activa Consumo de argón Dimensiones de la máquina Peso de la máquina Materiales Tipo Metales Desglose Acero inoxidable 316L Acero de herramienta H 13 Aleaciones de cobalto-cromo Aleaciones de níquel “Inconel” Aleaciones de titanio Aleaciones de aluminio Aleaciones de oro Aplicaciones Aplicaciones en la fabricación de piezas de tamaño reducido y gran precisión para los sectores aeroespacial, de la automoción, etc. Tareas de investigación y desarrollo con los metales mencionados. Aplicaciones dentales y médicas. Aplicaciones en la fabricación de joyas y arte. Precios El precio de compra de esta impresora se encuentra a partir de los $390.000 (USD) [251]. No hay información disponible en cuanto a costes de material lo suficientemente precisa como para incluirse aquí; el fabricante es el encargado de su suministro. La empresa ofrece un contrato de servicios de 1 año para esta impresora. Tabla 7-24: datos relevantes del modelo “SLM 250” de “ReaLizer”. 285 7.6. Anexo 6. Modelos de “Renishaw”. “AM250”. Figura 7-26: Impresora de SLM “AM250” de “Renishaw”. “AM250” [252] Especificaciones técnicas Tamaño máximo de las piezas Rango de espesores de capa Velocidad de construcción volumétrica Potencia/tipo del láser 250 mm x 250 mm x 360 mm 20 – 100 µm 5 – 20 cm3/h 200 W / Fibra (400 W opcional) Corriente alterna Sistema monofásico 16 A 230 V Alimentación eléctrica Corriente Voltaje 286 Frecuencia Potencia activa Consumo de argón Dimensiones de la máquina Peso de la máquina 50/60 Hz 2,5 kW 70 L/h 1.700 x 800 x 2.025 mm3 1.225 kg Materiales Tipo Metales Desglose Acero inoxidable 316L Acero inoxidable 17-4PH Aleación de cobalto-cromo ASTM 75 Aleación de níquel “Inconel 625” Aleación de níquel “Inconel 718” Aleación de aluminio AlSi10Mg Aleación de titanio Ti6Al4V Aplicaciones Aplicaciones en la fabricación de piezas de tamaño reducido y gran precisión para los sectores aeroespacial y médico entre otros. Tareas de investigación y desarrollo con los metales mencionados. Precios El precio de compra de esta impresora se encuentra a partir de los $512.500 (USD) [253]. No hay información disponible en cuanto a costes de material lo suficientemente precisa como para incluirse aquí; el fabricante es el encargado de su suministro. La empresa ofrece un contrato de servicios de 1 año para esta impresora. Tabla 7-25: datos relevantes del modelo “AM250” de “Renishaw”. 287 7.7. Anexo 7. Modelos de “Arcam AB”. “Arcam Q10”. Figura 7-27: Impresora de EBM “Arcam Q10” de “Arcam AB”. “Arcam Q10” [254] Especificaciones técnicas Tamaño máximo de las piezas Potencia máxima del haz de electrones Tipo de cátodo Diámetro mínimo del haz Presión base del vacío Atmósfera durante la construcción 200 mm x 200 mm x 180 mm 3 kW Mono-cristalino 100 µm 1x10-5 mbar 1x10-3 mbar de presión parcial de He Corriente alterna Sistema trifásico 32 A 400 V 50/60 Hz 7 kW 1 L/h 50 – 75 L 1.850 x 900 x 2.200 mm3 1.420 kg Alimentación eléctrica Corriente Voltaje Frecuencia Potencia activa Consumo de helio durante la construcción Consumo de helio durante el enfriamiento Dimensiones de la máquina Peso de la máquina 288 Materiales [255] Tipo Metales Desglose Aleación de titanio Ti6Al4V Aleación de titanio Ti6Al4V ELI Titanio Grado 2 (titanio puro) Aleación de cobalto-cromo ASTM F75 Aplicaciones Aplicaciones en la fabricación de piezas de tamaño reducido y gran precisión para los sectores aeroespacial y médico. Tareas de investigación y desarrollo con los metales mencionados. Precios El precio de compra de esta impresora se encuentra a partir de los $500.000 (USD) [256]. No hay información disponible en cuanto a costes de material lo suficientemente precisa como para incluirse aquí; el fabricante es el encargado de su suministro. La empresa ofrece un contrato de servicios de 1 año para esta impresora. Tabla 7-26: datos relevantes del modelo “Arcam Q10” de “Arcam AB”. 289 “Arcam Q20” Figura 7-28: Impresora de EBM “Arcam Q20” de “Arcam AB”. “Arcam Q20” [257] Especificaciones técnicas Tamaño máximo de las piezas Potencia máxima del haz de electrones Tipo de cátodo Diámetro mínimo del haz Presión base del vacío Atmósfera durante la construcción Ø 350 mm x 380 mm (altura) 3 kW Mono-cristalino 180 µm 1x10-4 mbar -3 4x10 mbar de presión parcial de He Corriente alterna Sistema trifásico 32 A 400 V 50/60 Hz 7 kW 4 L/h 100 – 150 L 2.300 x 1.300 x 2.600 mm3 2.900 kg Alimentación eléctrica Corriente Voltaje Frecuencia Potencia activa Consumo de helio durante la construcción Consumo de helio durante el enfriamiento Dimensiones de la máquina Peso de la máquina Materiales [255] Tipo Metales Desglose Aleación de titanio Ti6Al4V 290 Aleación de titanio Ti6Al4V ELI Titanio Grado 2 (titanio puro) Aleación de cobalto-cromo ASTM F75 Aplicaciones Aplicaciones en la fabricación de piezas de tamaño reducido y gran precisión para los sectores aeroespacial y médico. Tareas de investigación y desarrollo con los metales mencionados. Precios El precio de compra de esta impresora se encuentra a partir de los $950.000 (USD) [235]. No hay información disponible en cuanto a costes de material lo suficientemente precisa como para incluirse aquí; el fabricante es el encargado de su suministro. La empresa ofrece un contrato de servicios de 1 año para esta impresora. Tabla 7-27: datos relevantes del modelo “Arcam Q20” de “Arcam AB”. “Arcam A2X”. Figura 7-29: Impresora de EBM “Arcam A2X” de “Arcam AB”. 291 “Arcam A2X” [258] Especificaciones técnicas Tamaño máximo de las piezas Potencia máxima del haz de electrones Tipo de cátodo Diámetro mínimo del haz Presión base del vacío Atmósfera durante la construcción Velocidad constructiva volumétrica 200 mm x 200 mm x 380 mm 3 kW Mono-cristalino 180 µm 1x10-4 mbar 4x10-3 mbar de presión parcial de He 55 – 80 cm3/h Corriente alterna Sistema trifásico 32 A 400 V 50/60 Hz 7 kW 4 L/h 100 – 150 L 1.850 x 900 x 2.200 mm3 Alimentación eléctrica Corriente Voltaje Frecuencia Potencia activa Consumo de helio durante la construcción Consumo de helio durante el enfriamiento Dimensiones de la máquina Materiales [255] Tipo Metales Desglose Aleación de titanio Ti6Al4V Aleación de titanio Ti6Al4V ELI Titanio Grado 2 (titanio puro) Aleación de cobalto-cromo ASTM F75 Aplicaciones Aplicaciones en la fabricación de piezas de tamaño reducido y gran precisión para los sectores aeroespacial y médico. Tareas de investigación y desarrollo con los metales mencionados. Precios El precio de compra de esta impresora se encuentra a partir de los $975.000 (USD) [259]. No hay información disponible en cuanto a costes de material lo suficientemente precisa como para incluirse aquí; el fabricante es el encargado de su suministro. La empresa ofrece un contrato de servicios de 1 año para esta impresora. Tabla 7-28: datos relevantes del modelo “Arcam A2X” de “Arcam AB”. 292 7.8. Anexo 8. Modelos de “Optomec”. “LENS 450”. Figura 7-30: Impresora de DED “LENS 450” de “Optomec”. “LENS 450” [260] Especificaciones técnicas 100 x 100 x 100 mm3 400 W / Fibra 80 g/h Corriente alterna Sistema monofásico 200 – 240 V 50/60 Hz 1.000 x 1.000 x 1.500 mm3 Tamaño máximo de las piezas Potencia/tipo del láser Velocidad de depositado máximo Alimentación eléctrica Voltaje Frecuencia Dimensiones de la máquina Materiales [261] Nombre comercial “LENS 316 Stainless Steel” Descripción Acero inoxidable austenítico conforme al estándar 1.4404, también conocido bajo el nombre de grado 316L, para la fabricación de piezas funcionales y componentes para moldes de pre-producción. 293 “LENS Inconel® 625” “LENS Ti-6Al-4V” N/A Típica aleación de níquel con buenas propiedades mecánicas y de resistencia a la corrosión a altas temperaturas, con aplicaciones en la industria aeroespacial, marina, química y nuclear. Típica aleación de titanio de aplicaciones para el sector aeroespacial y médico, entre otros. Presenta buenas propiedades de fatiga en ambientes húmedos. Otros materiales que se encuentran en fase de prueba y desarrollo, entre los que se encuentran diversos aceros, aluminios, titanios, níqueles, tántalos, cobres, cermets, etc. Aplicaciones Reparación y fabricación de piezas pequeñas metálicas. Tareas de investigación y desarrollo. Precios e información comercial El precio de compra de esta impresora se encuentra en torno a los $300.000 (USD) [262]. No hay información disponible en cuanto a costes de material lo suficientemente precisa como para incluirse aquí. La empresa ofrece una garantía de 1 año para esta impresora. Tabla 7-29: datos relevantes del modelo “LENS 450” de “Optomec”. 294 “LENS MR-7”. Figura 7-31: Impresora de DED “LENS MR-7” de “Optomec”. “LENS MR-7” [263] Especificaciones técnicas 300 x 300 x 300 mm3 500 W / Fibra (opciones de 1 kW y 2 kW) 100 g/h Corriente alterna Sistema trifásico 3.000 x 1.500 x 2.500 mm3 Tamaño máximo de las piezas Potencia/tipo del láser Velocidad de depositado máximo Alimentación eléctrica Dimensiones de la máquina Materiales [261] Nombre comercial “LENS 316 Stainless Steel” Descripción Acero inoxidable austenítico conforme al estándar 1.4404, también conocido bajo el nombre de grado 316L, para la fabricación de piezas funcionales y componentes para moldes de pre-producción. 295 “LENS Inconel® 625” “LENS Ti-6Al-4V” N/A Típica aleación de níquel con buenas propiedades mecánicas y de resistencia a la corrosión a altas temperaturas, con aplicaciones en la industria aeroespacial, marina, química y nuclear. Típica aleación de titanio de aplicaciones para el sector aeroespacial y médico, entre otros. Presenta buenas propiedades de fatiga en ambientes húmedos. Otros materiales que se encuentran en fase de prueba y desarrollo, entre los que se encuentran diversos aceros, aluminios, titanios, níqueles, tántalos, cobres, cermets, etc. Aplicaciones Reparación y fabricación de piezas de tamaño medio metálicas. Tareas de investigación y desarrollo. Tareas de fabricación de prototipos funcionales. Precios e información comercial El precio de compra de esta impresora se encuentra en torno a los $400.000 (USD) [264]. No hay información disponible en cuanto a costes de material lo suficientemente precisa como para incluirse aquí. La empresa ofrece una garantía de 1 año para esta impresora. Tabla 7-30: datos relevantes del modelo “LENS MR-7” de “Optomec”. 296 “LENS 850-R”. Figura 7-32: Impresora de DED “LENS 850-R” de “Optomec”. “LENS 850-R” [265] Especificaciones técnicas 900 x 1.500 x 900 mm3 1 kW / Fibra (opciones de 2, 3 y 5 kW) 500 g/h Corriente alterna Sistema trifásico 200 – 240 V 50/60 Hz 3.000 x 3.000 x 3.000 mm3 Tamaño máximo de las piezas Potencia/tipo del láser Velocidad de depositado máximo Alimentación eléctrica Voltaje Frecuencia Dimensiones de la máquina Materiales [261] Nombre comercial “LENS 316 Stainless Steel” “LENS Inconel® 625” Descripción Acero inoxidable austenítico conforme al estándar 1.4404, también conocido bajo el nombre de grado 316L, para la fabricación de piezas funcionales y componentes para moldes de pre-producción. Típica aleación de níquel con buenas propiedades mecánicas y de resistencia a la corrosión a altas temperaturas, con aplicaciones en la industria aeroespacial, marina, química y nuclear. 297 “LENS Ti-6Al-4V” N/A Típica aleación de titanio de aplicaciones para el sector aeroespacial y médico, entre otros. Presenta buenas propiedades de fatiga en ambientes húmedos. Otros materiales que se encuentran en fase de prueba y desarrollo, entre los que se encuentran diversos aceros, aluminios, titanios, níqueles, tántalos, cobres, cermets, etc. Aplicaciones Reparación y fabricación de piezas metálicas de mayor tamaño e importancia para las industrias aeroespacial y de defensa. Tareas de investigación y desarrollo. Precios e información comercial El precio de compra de esta impresora se encuentra en torno a los $1.300.000 (USD) [266]. No hay información disponible en cuanto a costes de material lo suficientemente precisa como para incluirse aquí. La empresa ofrece una garantía de 1 año para esta impresora. Tabla 7-31: datos relevantes del modelo “LENS 850-R” de “Optomec”. 298 7.9. Anexo 9. Modelos de “BeAM”. “VC LF200 y 500”. Figura 7-33: Impresora de DED “VC LF200” de “BeAM”. “VC LF200 y 500” [267] Especificaciones técnicas 400 x 350 x 200 mm3 Corriente alterna Sistema trifásico 25 A 400 V 50 Hz 1.500 x 700 x 1.000 mm3 Tamaño máximo de las piezas Alimentación eléctrica Corriente Voltaje Frecuencia Dimensiones de la máquina Aplicaciones Reparación y fabricación de piezas metálicas de tamaño mediano. Tareas de investigación y desarrollo. 299 Precios e información comercial El precio de compra de esta impresora se encuentra en torno a los $350.000 (USD) [267]. No hay información disponible en cuanto a costes de material lo suficientemente precisa como para incluirse aquí. La compañía ofrece un servicio de alquiler de sus impresoras a coste reducido para realizar un periodo de prueba con sus clientes. Tabla 7-32: datos relevantes del modelo “VC LF200” de “BeAM”. “VI LF4000”. Figura 7-34: Impresora de DED “VI LF4000” de “BeAM”. “VI LF4000” [268], [269] Especificaciones técnicas 950 x 900 x 600 mm3 Corriente alterna Sistema trifásico 25 A 400 V 50 Hz 2.090 x 1.860 x 2.720 mm3 Tamaño máximo de las piezas Alimentación eléctrica Corriente Voltaje Frecuencia Dimensiones de la máquina Aplicaciones Reparación y fabricación de piezas metálicas de tamaño mediano. Tareas de investigación y desarrollo. 300 Precios e información comercial El precio de compra de esta impresora se encuentra en torno a los $550.000 (USD) [268]. No hay información disponible en cuanto a costes de material lo suficientemente precisa como para incluirse aquí. Tabla 7-33: datos relevantes del modelo “VI LF4000” de “BeAM”. “VH LF4000”. “VH LF4000” [270] Especificaciones técnicas 650 x 700 x 500 mm3 Corriente alterna Sistema trifásico 32 A 400 V 50 Hz 4.480 x 1.020 x 3.500 mm3 Tamaño máximo de las piezas Alimentación eléctrica Corriente Voltaje Frecuencia Dimensiones de la máquina Aplicaciones Reparación y fabricación de piezas metálicas de gran tamaño. Tareas de investigación y desarrollo. Precios e información comercial El precio de compra de esta impresora se encuentra en torno a los $850.000 (USD) [270]. No hay información disponible en cuanto a costes de material lo suficientemente precisa como para incluirse aquí. La compañía ofrece un servicio de alquiler de sus impresoras a coste reducido para realizar un periodo de prueba con sus clientes. Tabla 7-34: datos relevantes del modelo “VH LF4000” de “BeAM”. 301 7.10. Anexo 10. Modelos de “Sciaky Inc.”. “VX-110”. Figura 7-35: Impresora de DED “VX-110” de “Sciaky Inc.”. 302 “VX-110” [272] Especificaciones técnicas 2.692 mm x 1.194 mm x 1.600 mm Tamaño máximo de las piezas Presión base del vacío Velocidad de depositado 6,67x10-6 mbar 3 – 9 kg/h (dep. del material) Corriente alterna Sistema trifásico 60 kV 42 kW 2.794 x 2.794 x 2.794 mm3 Alimentación eléctrica Voltaje Potencia activa Dimensiones de la máquina (cámara constr.) Materiales Tipo Metales Desglose Aleaciones de titanio Aleaciones de tántalo Cualquier metal/aleación en forma de alambre Aplicaciones Aplicaciones en la fabricación y reparación de piezas de gran tamaño para el sector aeroespacial y similares. Precios El precio de compra de esta impresora se encuentra a partir de los $2.500.000 (USD) [273]. Dado que la empresa no es la encargada de suministrar el material ya que éste ya se encuentra comercialmente disponible, los precios de éste dependen del material del que se trate. A continuación se muestran algunos ejemplos, cuyos precios se tomaron de [274] en USD: o o o o o o Alambre de Ti6Al4V: $5/m; Alambre de “Inconel 625”: $3,20/m; Alambre de acero 316L: $0,55/m; Alambre de cobalto-cromo: $1,35/m; Alambre de tungsteno: $8,80/m; Alambre de aluminio: $14,50/m. Tabla 7-35: datos relevantes del modelo “VX-110” de “Sciaky Inc.”. 303 7.11. Anexo 11. Modelos de “Fabrisonic”. “SonicLayer 4000 y 4000R”. Según [279] y [280] la “SonicLayer 4000” presenta unas dimensiones máximas de la pieza imprimida de 1.016 × 610 × 610 mm3 y un peso de la máquina en el entorno de los 1.130 kg; la unidad de soldadura ultrasónica presenta una potencia activa de 9 kW. En cuanto a la “SonicLayer 4000R”, ésta es simplemente una actualización del modelo “4000” añadiendo un nuevo eje rotatorio para facilitar la fabricación de piezas cilíndricas. Como se puede comprobar en [281], las demás especificaciones relevantes permanecen iguales a las del modelo base. A continuación se presenta la impresora “SonicLayer 4000” en la Figura 7-36. Figura 7-36: Impresora de UC “SonicLayer 4000” de “Fabrisonic”. “SonicLayer 7200”. La “SonicLayer 7200” aún no se ha vendido, aunque está destinada hacia la fabricación industrial de grandes componentes mediante el uso de la tecnología “UC”. Según [282], cuenta con un sistema de 3 ejes con una capacidad de carga de unas 2,2 toneladas métricas y dimensiones máximas de la pieza de 1.830 x 1.830 x 910 mm3. De nuevo, emplea un sistema de soldadura ultrasónica de 9 kW de potencia activa. Dicho modelo se puede visualizar en la Figura 7-37. 304 Figura 7-37: Impresora de UC “SonicLayer 7200” de “Fabrisonic”. 305 7.12. Anexo 12. Modelos de “Stratasys”. “Fortus 360mc y 400mc”. Ambos modelos se estudian conjuntamente ya que su diferencia principal está en los materiales que pueden procesar. Ambos modelos disponen de opciones de mejora en cuanto a tamaño máximo de piezas que se pueden imprimir debido a su construcción modular, pero en cuanto a las demás especificaciones, son idénticos. A continuación se recogen los datos relevantes. Figura 7-38: Impresoras de FDM “Fortus 360mc” (izq.) y “Fortus 400mc” (der.) de “Stratasys”. “Fortus 360mc y 400mc” [283] Especificaciones técnicas 355 x 254 x 254 mm3 406 x 355 x 406 mm3 0,127 – 0,330 mm Corriente alterna Sistema trifásico 16 A 230 V 50/60 Hz 1.281 x 896 x 1.962 mm3 786 kg Tamaño máximo de las piezas (opciones) Rango de espesores de capa Alimentación eléctrica Corriente Voltaje Frecuencia Dimensiones de los sistemas Peso de los sistemas 306 Materiales para “360mc” y “400mc” [284] Nombre comercial “ABS-M30” “ASA” “FDM Nylon 12” “PC” “PC-ABS” Descripción Termoplástico opaco ABS de bajo coste y adecuado para piezas de producción. Termoplástico resistente a rayos ultravioletas con buenas propiedades mecánicas, apto para uso en prototipos funcionales y series de producción. Nailon 12 con excelentes propiedades mecánicas y alta resistencia a fatiga. Termoplástico de policarbonato de color blanco, con buenas propiedades mecánicas, resistencia térmica y duradero. Termoplástico que combina las propiedades del ABS y PC. Materiales para “400mc” [284] Nombre comercial “ABS-ESD7” “ABSi” “ABS-M30i” “PC-ISO” “PPSF” “ULTEM 9085” Descripción Termoplástico ABS capaz de disipar la electricidad estática para aplicaciones electrónicas y de minimización de riesgos de explosión. Material termoplástico con propiedades superiores al ABS estándar y naturaleza translúcida. Termoplástico ABS biocompatible para fabricar piezas que se pueden esterilizar. Termoplástico de policarbonato de mejores propiedades térmicas, mecánicas y biocompatibles que se ofrece para la tecnología “FDM”. Termoplástico con buena resistencia mecánica y resistencia térmica y química. Termoplástico de altas prestaciones y propiedades anti-incendios certificado para uso en el interior de aeronaves. Precios El precio de compra de los diferentes modelos se detalla a continuación: o o “Fortus 360mc”: a partir de los $90.000 (USD) [285]. “Fortus 400mc”: a partir de los $185.000 (USD) [286]. 307 No hay información disponible en cuanto a costes de material lo suficientemente precisa como para incluirse aquí ofertados por “Stratasys”, aunque filamentos de ABS y otros termoplásticos para uso en impresoras de “FDM” producida por terceros están en torno a los siguiente valores (USD) [287], [288]: o o o ABS: $52/kg Nailon: $107/kg PC: $100/kg La empresa ofrece una garantía de 1 año para esta impresora. Tabla 7-36: datos relevantes de los modelos “Fortus 360mc” y “Fortus 400mc” de “Stratasys”. “Fortus 450mc y 380mc”. Impresoras de gama media que ofrece “Stratasys”. De manera similar a los modelos anteriores, se presentan en pareja ya que comparten muchas de sus especificaciones. Figura 7-39: Impresoras de FDM “Fortus 450mc” (izq.) y “Fortus 380mc” (der.) de “Stratasys”. “Fortus 450mc y 380mc” [289] Especificaciones técnicas “Fortus 380mc”: 355 x 305 x 305 mm3 “Fortus 450mc”: 406 x 355 x 406 mm3 0,127 – 0,330 mm Corriente alterna Sistema trifásico 16 A 208 V 50/60 Hz Tamaño máximo de las piezas Rango de espesores de capa Alimentación eléctrica Corriente Voltaje Frecuencia 308 1.270 x 902 x 1.943 mm3 680 kg Dimensiones de los sistemas Peso de los sistemas Materiales para “380mc” y “450mc” [284] Nombre comercial “ABS-M30” “ABS-M30i” “ABS-ESD7” “ASA” “PC-ISO” “FDM Nylon 12” “PC” Descripción Termoplástico opaco ABS de bajo coste y adecuado para piezas de producción. Termoplástico ABS biocompatible para fabricar piezas que se pueden esterilizar. Termoplástico ABS capaz de disipar la electricidad estática para aplicaciones electrónicas y de minimización de riesgos de explosión. Termoplástico resistente a rayos ultravioletas con buenas propiedades mecánicas, apto para uso en prototipos funcionales y series de producción. Termoplástico de policarbonato de mejores propiedades térmicas, mecánicas y biocompatibles que se ofrece para la tecnología “FDM”. Nailon 12 con excelentes propiedades mecánicas y alta resistencia a fatiga. Termoplástico de policarbonato de color blanco, con buenas propiedades mecánicas, resistencia térmica y duradero. Materiales para “450mc” [284] Nombre comercial “ULTEM 1010” “ULTEM 9085” Descripción Resina termoplástica que mejora las propiedades del “ULTEM 9085”. Añade biocompatibilidad certificada con ISO y certificación de contacto con comestibles. Termoplástico de altas prestaciones y propiedades anti-incendios certificado para uso en el interior de aeronaves. Precios El precio de compra de los diferentes modelos se detalla a continuación: o o “Fortus 380mc”: a partir de los $185.000 (USD) [290]. “Fortus 450mc”: a partir de los $200.000 (USD) [291]. No hay información disponible en cuanto a costes de material lo suficientemente precisa como para incluirse aquí ofertados por “Stratasys”, aunque filamentos de ABS y otros termoplásticos para uso en impresoras de “FDM” producida por terceros están en torno a los siguiente valores (USD) [287], [288]: 309 o o o ABS: $52/kg Nailon: $107/kg PC: $100/kg La empresa ofrece una garantía de 1 año para esta impresora. Tabla 7-37: datos relevantes de los modelos “Fortus 380mc” y “Fortus 450mc” de “Stratasys”. “Fortus 900mc”. Modelo de más alta gama que ofrece la empresa en cuanto a “FDM”. Ofrece el mayor tamaño de piezas imprimidas así como una buena selección de termoplásticos de ingeniería y producción. Toda la información relevante se halla a continuación. Figura 7-40: Impresora de FDM “Fortus 900mc” de “Stratasys”. “Fortus 900mc” [292] Especificaciones técnicas 914 x 610 x 914 mm3 0,178 – 0,330 mm Corriente alterna, sistema trifásico 40 A 230 V 50/60 Hz 2.772 x 1.683 x 2.027 mm3 3.287 kg Tamaño máximo de las piezas Rango de espesores de capa Alimentación eléctrica Corriente Voltaje Frecuencia Dimensiones de los sistemas Peso de los sistemas Materiales [284] Nombre comercial Descripción 310 Termoplástico opaco ABS de bajo coste y adecuado para piezas de producción. Termoplástico resistente a rayos ultravioletas con buenas propiedades mecánicas, apto para uso en prototipos funcionales y series de producción. Nailon 12 con excelentes propiedades mecánicas y alta resistencia a fatiga. Termoplástico de policarbonato de color blanco, con buenas propiedades mecánicas, resistencia térmica y duradero. Termoplástico que combina las propiedades del ABS y PC. Termoplástico ABS capaz de disipar la electricidad estática para aplicaciones electrónicas y de minimización de riesgos de explosión. Material termoplástico con propiedades superiores al ABS estándar y naturaleza translúcida. Termoplástico ABS biocompatible para fabricar piezas que se pueden esterilizar. Termoplástico de policarbonato de mejores propiedades térmicas, mecánicas y biocompatibles que se ofrece para la tecnología “FDM”. Termoplástico con buena resistencia mecánica y resistencia térmica y química. Termoplástico de altas prestaciones y propiedades anti-incendios certificado para uso en el interior de aeronaves. “ABS-M30” “ASA” “FDM Nylon 12” “PC” “PC-ABS” “ABS-ESD7” “ABSi” “ABS-M30i” “PC-ISO” “PPSF” “ULTEM 9085” Precios El precio de compra de este modelo se encuentra a partir de los $400.000 (USD) [293]. No hay información disponible en cuanto a costes de material lo suficientemente precisa como para incluirse aquí ofertados por “Stratasys”, aunque filamentos de ABS y otros termoplásticos para uso en impresoras de “FDM” producida por terceros están en torno a los siguiente valores (USD) [287], [288]: o o o ABS: $52/kg Nailon: $107/kg PC: $100/kg La empresa ofrece una garantía de 1 año para esta impresora. Tabla 7-38: datos relevantes del modelo “Fortus 900mc” de “Stratasys”. 311 312 8. [1] [2] [3] [4] [5] Bibliografía y referencias. http://www.brookings.edu/research/articles/201 1/10/10-digital-manufacturing-singer. [Último acceso: 28 Mayo 2014]. Committee F42 on Additive Manufacturing Technologies, «ASTM International,» [En línea]. Available: http://www.astm.org/COMMITTEE/F42.htm. [Último acceso: 12 Mayo 2014]. [11] Paramount, «Paramount, Product Development Specialists,» [En línea]. Available: http://www.paramountind.com/direct-digitalmanufacturing.html. 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