¿Qué es la fabricación aditiva y cómo transforma la industria del futuro?

Este artículo incluye una explicación del concepto de fabricación aditiva y como funciona, sus tecnologías clave y aplicaciones industriales, resaltando el importante papel de los gases industriales.

¿Qué es la fabricación aditiva?

La fabricación aditiva se presenta como una de las grandes revoluciones de finales del siglo XX. También denominada por “impresión 3D” o “manufactura aditiva” puede definirse como un proceso de fabricación que utiliza un conjunto de tecnologías para construir objetos tridimensionales a partir de un modelo digital. Esto se logra con la deposición de forma controlada de capas sucesivas de materiales como plástico, metal o materiales compuestos.

Esta técnica utiliza un sistema que añade material de forma secuencial hasta obtener la pieza final de la forma deseada. Se pueden adaptar proyectos de fabricación con objetos de formas geométricas personalizadas, según las necesidades de los clientes. Esta tecnología modifica el concepto de fabricación al combinar materias primas de forma más precisa y versátil.

¿Cómo funciona la fabricación aditiva?

La fabricación aditiva construye objetos tridimensionales tangibles a partir de datos digitales (archivos de diseño asistido por ordenador de piezas industriales) mediante la deposición o solidificación de material capa por capa.

Software y diseño CAD

La primera etapa es la elección del software utilizado para diseñar una pieza impresa en 3D. Esta decisión depende en gran medida del tipo de pieza que se desea fabricar (material, geometría, …) y de las características del proceso de impresión 3D utilizado.

Software CAD como Autodesk Fusion 360 o SolidWorks se utilizan para crear los modelos 3D de las piezas a fabricar. Estos programas de diseño asistido por ordenador, tienen la capacidad de generar, modificar y optimizar el diseño de una pieza o serie. Una vez que exista el archivo CAD digital se exporta en un formato estándar para la impresora 3D, generalmente STL (Standard Tessellation Language). Este tipo de archivo es la representación del cuerpo sólido de una pieza que el software de impresión analiza y convierte en instrucciones de impresión definiendo la orientación, los soportes necesarios y otros parámetros.

Equipos y tecnologías

Los equipos utilizados en la fabricación aditiva son las impresoras 3D. Este equipo tiene un cabezal de impresión que se mueve a través de los dos ejes horizontales y el eje vertical para depositar material siguiendo las instrucciones del software CAD. Construye objetos en solo un sentido, de abajo arriba capa a capa.

La norma ASTM-I F2792 agrupa los procesos de fabricación aditiva acorde a las siguientes categorías:

• Fusión por lecho de polvo (PBF). Tecnologías: fuentes de energía láser (SLS, SLM) y haz de electrones (EMB).
• Deposición de energía directa (DED). Tecnologías: fuentes de energía láser (LMD, LWD), de haz de electrones (EBAM) y de arco eléctrico (WAAM).
• Inyección aglutinante (BJ).
• Extrusión de material (FDM).
• Inyección de material (MJ). Emisión de pequeñas gotas de resina del fotopolímero.
• Fotopolimerización (VP). Curación de un polímero inducida por luz.

Air Liquide ofrece los gases (argón, nitrógeno, helio) que requieren algunas de estas tecnologías. Estos desempeñan un papel crucial para la seguridad, la estabilidad de los procesos y la calidad final de las piezas.

Materiales utilizados

En la fabricación aditiva, los materiales se agrupan principalmente en tres categorías: termoplásticos, metálicos y cerámicos. La elección del material específico dentro de cada categoría depende de la aplicación y las propiedades requeridas en el objeto final.

1. Termoplásticos: Son los materiales más comunes en la fabricación aditiva, especialmente en impresión 3D. Ejemplos: EPLA, PETG, ABS y PC.
2. Metálicos: Se utilizan en aplicaciones donde se requiere alta resistencia, durabilidad y resistencia a altas temperaturas, como en la industria aeroespacial, médica y automotriz. Ejemplos: titanio, aceros inoxidables, níquel, aleaciones bajo níquel, aluminio, cobre.
3. Materiales Cerámicos: Se utilizan en aplicaciones que requieren resistencia a altas temperaturas, abrasión y corrosión. Ejemplos: alúmina, circonio y tungsteno.
4. Materiales Compuestos: Combinan dos o más materiales para mejorar las propiedades del producto final, como resistencia y flexibilidad. Ejemplos: compuestos de polímero reforzados con fibra de carbono o con fibra de vidrio.

Air Liquide suministra gases inertes como el nitrógeno (N₂) y argón (Ar) que se utilizan para prevenir la oxidación del metal durante el proceso de fabricación, el almacenamiento y el reciclaje del polvo. Esta atmósfera controlada asegura que las piezas metálicas conserven las propiedades mecánicas y la integridad estructural deseadas.

Ventajas y limitaciones de la fabricación aditiva

La fabricación aditiva ofrece claras ventajas en comparación con otros procesos de fabricación tradicionales al adaptarse a los retos económicos y de producción del mundo actual:

• Prototipos detallados: permite un prototipado rápido, facilitando la iteración y mejora del diseño, lo que resulta en versiones finales más eficientes y que atienden mejor al consumidor.
• Agilidad de producción: reduce los plazos de comercialización con una producción más rápida y precisa. Permite crear una gran cantidad de productos que satisfacen con mayor facilidad la demanda del mercado.
• Reducción de inventario: la producción según demanda minimiza la necesidad de grandes stocks.
• Versatilidad, personalización e innovación: libertad de diseño para fabricar artículos con geometrías complejas y optimizadas utilizando diferentes materiales en un solo proceso. Permite la personalización del producto que se adaptada a necesidades específicas.
• Reducción de costes y sostenibilidad: la reducción del desperdicio de material y el consumo de energía la hacen más amigable con el medio ambiente.

A pesar de sus innegables ventajas, la fabricación aditiva no es una solución universal y presenta limitaciones significativas en ciertas situaciones.

• Inversión inicial: el coste de las máquinas industriales de impresión 3D puede ser elevado, lo que afecta al precio de la pieza final.
• Limitaciones en la selección de materiales: la gama de materiales disponibles para la fabricación aditiva puede ser menor que en la fabricación tradicional, y el coste de algunos materiales puede ser más elevado.
• Tiempos de fabricación: en algunos casos, los tiempos de fabricación pueden ser más largos que en la fabricación tradicional, especialmente para piezas grandes y complejas.
• No adecuada para grandes series: la fabricación aditiva es más adecuada para la producción de pequeñas series y piezas personalizadas, en comparación con la producción masiva de la fabricación tradicional.
• Necesidad de operadores calificados: la fabricación aditiva exige un entendimiento profundo de cómo el diseño digital se traduce en un objeto físico, aquí es donde el dominio del software juega un papel crucial.

Fusión selectiva por láser (SLM) y Fusión por haz de electrones (EBM)

Dentro de la familia de la fabricación aditiva de fusión de lecho de polvo (Powder Bed Fusion - PBF), el SLM y el EBM son dos de las tecnologías más conocidas para hacer piezas complejas y con acabados de alta calidad.

En estos procesos, una capa delgada de polvo metálico se extiende sobre una plataforma de construcción. Luego, una fuente de energía (un láser en SLM, un haz de electrones en EBM) escanea selectivamente el lecho de polvo, fundiendo y fusionando las partículas de polvo en las áreas designadas por el modelo digital. La plataforma de construcción desciende una capa, se extiende una nueva capa de polvo y el proceso se repite hasta que la pieza se completa.

Air Liquide pone a su disposición los gases, argón y nitrógeno, con la pureza requerida, para asegurar: la calidad (protegiendo el metal fundido contra la oxidación y la humedad), la seguridad (evitando riesgos de explosión debido a polvos altamente inflamables como el titanio y el aluminio), y la reproducibilidad.

Deposición de energía directa (DED)

En un proceso DED, una fuente de energía concentrada (láser, haz de electrones o arco de plasma) se dirige a una superficie, y un material de aportación (en forma de polvo o alambre) se introduce y funde en el punto focal de la energía. El material fundido se solidifica rápidamente, creando una capa. Un brazo robótico multieje o un sistema de pórtico mueve el cabezal de deposición, permitiendo la construcción de capas sucesivas para formar la pieza deseada.

Las tecnologías DED se diferencian principalmente por la fuente de energía y la forma del material de aportación:

• Laser Metal Deposition (LMD), utiliza láser para fundir polvo metálico.
• Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM): emplea un arco eléctrico (similar a la soldadura MIG/MAG/TIG/PAW) para fundir alambre metálico que se deposita capa a capa.
• Electron Beam Additive Manufacturing (EBAM): usa un haz de electrones en un entorno de vacío para fundir alambre metálico.
• Laser Wire Deposition (LWD): utiliza un láser para fundir alambre metálico.

Air Liquide ofrece una selección de gases (Ar, N₂, He, mezclas de Ar/CO₂ y Ar/H₂) de alta pureza para estas tecnologías ya sea por cuestiones de seguridad, de inertización o de calidad.

Binder Jetting (BJ)

El Binder Jetting es un proceso de fabricación aditiva que construye piezas capa por capa mediante la deposición selectiva de un agente aglutinante líquido sobre un lecho de polvo metálico. A diferencia de SLM o EBM, no hay fusión de polvo durante la etapa de impresión.

El componente fabricado se denomina pieza "en verde" que se somete a un tratamiento térmico para eliminar el agente aglutinante. Esto deja una pieza "en marrón" (brown part) porosa que se coloca en un horno de alta temperatura (por debajo del punto de fusión del metal) donde las partículas de polvo metálico se fusionan entre sí a nivel atómico. Este proceso densifica la pieza otorgándole sus propiedades mecánicas finales. Durante la sinterización, la pieza se contraerá significativamente, lo que debe tenerse en cuenta en el diseño inicial.

Indicada para producción en serie: ideal para lotes medianos a grandes de piezas metálicas con geometrías complejas, donde el costo por pieza es una consideración clave.

En los hornos de sinterización, las atmósferas protectoras son cruciales para evitar la oxidación de los materiales y asegurar propiedades mecánicas deseadas. La elección de la atmósfera depende del material y de las propiedades que se buscan. Se utilizan gases como nitrógeno, hidrógeno, argón y mezcla N₂/H₂, recogidos dentro del catálogo de Air Liquide.

Extrusión de material (FDM)

La extrusión de material metálico mediante fabricación aditiva con la tecnología FDM (Modelado por Deposición Fundida), es un proceso que implica la deposición capa por capa de un material fundido para construir un objeto tridimensional. Aunque FDM se asocia principalmente con plásticos, existen tecnologías emergentes que utilizan materiales compuestos de metal y polímero, o incluso polvos metálicos, para imprimir piezas metálicas mediante este proceso.

Al igual que en la tecnología BJ el componente fabricado se denomina pieza "en verde" que se somete a un tratamiento térmico para eliminar el agente aglutinante. Esto deja una pieza "en marrón" (brown part) porosa que se coloca en un horno de alta temperatura para densificar. Indicada para tiradas cortas: ideal para prototipado a nivel de ingeniería y repuestos.

Air Liquide dispone de una mezcla específica de Ar/H₂ recomendada por los fabricantes de estas impresoras denominado 3D Heat Mix 2.9 % H₂.

Estereolitografía (SLA)

La SLA cura las capas, con un láser ultravioleta (UV), utilizando un plástico líquido sensible a la luz para crear un objeto. Este proceso endurece las capas instantáneamente donde cada capa se cura y adhiere a la anterior hasta que el objeto esté completo.

Se utiliza en la creación de prototipos, la fabricación de moldes, la producción de herramientas y la fabricación de piezas finales para diversas industrias, como la automoción, la aeronáutica y la medicina.

Impresión MultiJet

La impresión MultiJet (MJP), o inyección de material (MJ), es un proceso de impresión por inyección de tinta que deposita gotas de material fotorreactivo (resina plástica fotocurable o materiales de cera de fundición) capa por capa. Después es aplicado una luz UV para solidificar el material.
Se usa para construir piezas, patrones y moldes con gran detalle y abarca una amplia gama de aplicaciones.

Aplicaciones industriales de la fabricación aditiva

Las tecnologías de fabricación aditiva se han desarrollado para dar respuesta a las necesidades de fabricación específicas de diferentes sectores de la industria como la aeronáutica, la automoción, la medicina, el sector energético, o el químico.

• Aeronáutica: permite optimizar la cadena de suministro al fabricar piezas resistentes, personalizadas y ligeras para aeronaves e imprimir utillajes y herramientas de forma rápida y económica. Por ejemplo, el Boeing 777X vuela con más de 300 piezas impresas en 3D.
• Automoción: revoluciona el mundo del automóvil al permitir la creación de piezas metálicas operativas, en un corto espacio de tiempo y de alta calidad. Se reducen los tiempos de producción de las piezas y de fabricación de los prototipos.
• Medicina: revoluciona la manera en que se diseñan y producen dispositivos médicos, prótesis e incluso tejidos humanos. Es una alternativa más eficiente y respetuosa con el medio ambiente ya que ofrece soluciones personalizadas, reduce los tiempos de espera y minimiza los residuos.
• Energía: torna posible para los proveedores de energía crear piezas 3D, como componentes para turbinas, herramientas especializadas, entre otras, que hacen que la fabricación y el mantenimiento de componentes relacionados con el sector sean más ágiles, sencillos y eficientes.
• Química: permite a los fabricantes químicos producir y crear piezas complejas y personalizadas, como reactores, componentes de laboratorio, entre otras, con una gran eficiencia y menos residuos.

Fabricación aditiva y la Industria 4.0

La fabricación aditiva es un proceso que se asocia de manera natural a la Industria 4.0 y al paradigma que está revolucionando la producción industrial a través de la digitalización, la automatización y la construcción de cadenas logísticas inteligentes. La capacidad de esta tecnología de crear piezas complejas bajo demanda, optimizar diseños y facilitar la producción “just in time”, reduciendo así la necesidad de grandes inventarios, la convierte en un elemento esencial dentro de la cadena, posibilitando una integración de “End-to-End” más eficiente y adaptable.

En un contexto de transformación digital, la integración de la fabricación aditiva con otras tecnologías de la Industria 4.0 crea sinergias importantes. La digitalización del diseño utilizando software CAD, la automatización de la producción a través del uso de impresoras 3D interconectadas y la gestión inteligente del inventario y de la demanda permiten crear flujos de trabajo más flexibles y eficientes, elementos cruciales para la construcción de una cadena logística inteligente y optimizada.

Air Liquide se posiciona como un socio tecnológico clave al aportar su experiencia en el suministro de gases para diversas tecnologías de fabricación aditiva (garantizando seguridad, calidad y eficiencia). Al asegurar un suministro fiable y adaptado de gases para procesos como la fusión láser o la deposición directa de energía, Air Liquide facilita la adopción de la fabricación aditiva en el contexto de la Industria 4.0, contribuyendo a la eficiencia y la sostenibilidad de la cadena logística inteligente.

Rol de los gases industriales en la fabricación aditiva

Aunque los gases son una pequeña parte de los costes asociados a este sector, son, sin embargo, esenciales para algunas tecnologías de fabricación aditiva y fundamentales para la seguridad, la estabilidad, la calidad y la reproducibilidad. Si bien el argón se utiliza preferentemente en la fabricación aditiva de metales, el nitrógeno y el helio también son relevantes según el material empleado.

Air Liquide proporciona un suministro fiable de nitrógeno, argón y helio con la pureza requerida para cada etapa del proceso: desde la fabricación, el reciclaje y el almacenamiento del polvo, hasta la fabricación de las piezas, y también CO₂ para postratamientos (tratamientos térmicos, limpieza criogénica).

Para grandes volúmenes de gas, Air Liquide también ofrece N₂, Ar y CO₂ bajo en carbono, ECO ORIGIN™, una solución respetuosa con el medio ambiente, producida a partir de energía 100 % renovable, que está en total consonancia con los objetivos de descarbonización de los sectores industriales.

Nuestro compromiso se traduce en un suministro continuo y adaptable a la evolución de sus necesidades, con la seguridad y fiabilidad como pilares fundamentales.

Tendencias y futuro de la fabricación aditiva

La fabricación aditiva ha experimentado un crecimiento exponencial en la última década, transformando industrias.

Para el futuro, las tendencias indican que la impresión 3D va a continuar expandiendo sus fronteras, impulsadas por avances tecnológicos, desarrollo de materiales innovadores y sostenibles, nuevas aplicaciones y un enfoque cada vez mayor en la fabricación a gran escala personalizada con la creación de productos hechos a medida en poco tiempo.

Air Liquide acompaña esta continua evolución al suministrar soluciones de gas, seguridad, equipos y servicios. Impulsa el desarrollo de nuevos materiales a través de atmósferas controladas, la reducción de costos a través de la optimización de procesos con gases, o la viabilidad de la producción local y distribuida asegurando un suministro flexible.
Como socio estratégico, Air Liquide ofrece la experiencia y los servicios asociados para optimizar estos procesos avanzados, garantizando un suministro fiable y eficiente que acompañará el crecimiento y las futuras necesidades de la industria.