Análisis de las diversas tecnologías de la fabricación aditiva

Introducción

La manufactura aditiva representa un avance crucial en la industria manufacturera al redefinir sus procesos por medio de la eliminación de moldes y herramientas tradicionales. Este método permite transformar modelos digitales en objetos tridimensionales con rapidez y precisión, optimizando las cadenas de producción en términos de eficiencia y costos.

En los últimos años, su adopción ha crecido significativamente, consolidándose como un pilar de la cuarta revolución industrial. La capacidad de producir artículos bajo demanda y con gran exactitud la convierte en una tecnología clave para la evolución hacia una logística más ágil y adaptable, con un impacto profundo en la optimización de los procesos industriales y la competitividad del sector manufacturero.

¿Qué es la manufactura aditiva?

La manufactura aditiva es un proceso de manufactura avanzada que consiste en la creación de objetos tridimensionales mediante la adición controlada de material, capa por capa, a partir de un modelo digital¹. También conocido como impresión 3D, es un método que se distingue por su capacidad para producir formas geométricas complejas y personalizadas, utilizando materiales como termoplásticos, metales y resinas, sin la necesidad de moldes o utillajes.

A diferencia de la manufactura sustractiva, la manufactura aditiva minimiza el desperdicio de material y reduce significativamente los tiempos de producción, lo que la convierte en una tecnología eficiente y sostenible para la industria moderna.

Tipos fundamentales de tecnologías de manufactura aditiva

Tecnología de Sinterización Selectiva por Láser (SLS)

La Sinterización Selectiva por Láser (SLS) es una técnica avanzada de manufactura aditiva que utiliza un láser para sinterizar, es decir, aglutinar y fusionar partículas de un material en polvo fino, creando un objeto sólido y tridimensional.

Este proceso funciona mediante la focalización precisa del láser en puntos específicos del lecho de polvo, lo que provoca una reacción a nivel atómico que une las partículas, resultando en una pieza con alta precisión y resistencia isotrópica, es decir, con igual resistencia en todas las direcciones. A pesar de sus ventajas técnicas, el SLS requiere equipos costosos, mantenimiento especializado, y operarios cualificados, lo que implica un mayor costo operativo en comparación con otras tecnologías de fabricación aditiva.

Modelado por Deposición Fundida (FDM)

El modelado por deposición fundida (FDM) es una técnica que consiste en la extrusión controlada de un filamento termoplástico, depositado capa a capa sobre una plataforma para construir un objeto tridimensional². Este proceso, también conocido como fabricación con filamento fundido (FFF), se caracteriza por su capacidad de producir piezas con alta resistencia, bajo peso, y estabilidad dimensional, además de ofrecer tolerancia al calor, lo que lo hace económico y eficiente para diversas aplicaciones industriales. Uno de sus desafíos técnicos es la anisotropía de las piezas, donde la resistencia varía en función de la dirección de las capas depositadas.

Estereolitografía (SLA)

La Estereolitografía (SLA) utiliza un láser ultravioleta (UV) para curar capas sucesivas de un fotopolímero líquido, formando un objeto tridimensional con alta precisión y nivel de detalle. Cada capa del material, sensible a la luz, se solidifica instantáneamente al ser expuesta al láser, adhiriéndose a la capa anterior hasta completar la pieza.

Aunque se trata de una técnica reconocida por su capacidad para producir formas complejas y detalladas, presenta limitaciones en cuanto a la resistencia de los objetos y el riesgo de deformación en piezas de mayor tamaño. Esta técnica es apreciada por su exactitud, pero el equipo y los materiales necesarios implican consideraciones de costo y durabilidad.

Sinterizado Directo de Metal por Láser (DMLS)

El Sinterizado Directo de Metal por Láser (DMLS) es una avanzada técnica de fabricación aditiva en la que un láser de alta precisión funde completamente partículas de polvo metálico para crear objetos tridimensionales capa por capa. A diferencia de otros métodos como el Sinterizado Selectivo por Láser (SLS), donde las partículas se sinterizan parcialmente, el DMLS logra una fusión completa, lo que resulta en piezas con propiedades mecánicas estables y reproducibles.

Esta tecnología es capaz de utilizar una amplia variedad de materiales metálicos, proporcionando alta precisión y consistencia en las piezas producidas. Sin embargo, el proceso requiere equipos especializados, operarios cualificados y un manejo cuidadoso del polvo metálico, lo que lo convierte en una opción técnica compleja y costosa.

Fabricación con Filamento Fundido de Metal

En la Fabricación con Filamento Fundido de Metal se emplea un filamento compuesto de polvo metálico aglomerado con plástico, que se deposita capa a capa para formar una pieza. Posteriormente, la pieza es sometida a un proceso de desaglomeración y sinterización en un horno, donde el plástico se quema y las partículas metálicas se fusionan, creando un objeto metálico.

Este método destaca por su disponibilidad de materiales, precisión y menor coste, además de ofrecer mayor seguridad y facilidad en comparación con otros procesos de fabricación aditiva en metal que utilizan polvo suelto. Sin embargo, las piezas resultantes no son completamente macizas, lo que reduce su peso, pero puede limitar su aplicación en ciertos contextos.

Procesamiento Digital de Luz (DLP)

El Procesamiento Digital de Luz (DLP), similar a la estereolitografía (SLA), utiliza la luz para curar capas de material fotopolímero. Sin embargo, a diferencia de dicha técnica, que emplea un láser para curar punto por punto, el DLP proyecta una imagen de luz que solidifica toda la capa de material simultáneamente.

Esta diferencia clave permite que el DLP ofrezca una mayor velocidad en la producción de piezas, además de una alta precisión en la creación de diseños complejos. A pesar de ello, el proceso puede generar un fuerte olor durante la impresión, y las piezas de mayor tamaño pueden experimentar deformaciones.

Deposición de Energía Directa (DED)

La Deposición de Energía Directa (DED) es un avanzado proceso de fabricación aditiva que emplea materias primas metálicas, como hilo o polvo de metal, combinadas con un láser o haz de electrones para crear o reparar piezas. Este método utiliza una boquilla montada en un brazo robótico multieje, permitiendo la deposición de material en casi cualquier ángulo y la creación de componentes de gran tamaño.

Aunque la DED ofrece ciertas ventajas como la capacidad de fabricar piezas grandes y realizar reparaciones, también presenta desafíos, incluyendo el elevado coste del equipo, la necesidad de técnicos especializados, y el posprocesado necesario para alcanzar la precisión deseada.

Fusión por Haz de Electrones (EBM)

La Fusión por Haz de Electrones (EBM) utiliza un haz de electrones de alta energía dirigido por un campo magnético, para fundir y solidificar capas sucesivas de polvo metálico en un entorno de vacío. Esta técnica permite la fabricación precisa y rápida de piezas metálicas con alta resistencia.

Dicho proceso se distingue por su capacidad para lograr una excelente calidad de superficie y propiedades mecánicas robustas en las piezas producidas. Un importante aspecto a destacar es que su óptimo empleo requiere de técnicos especializados debido a la complejidad del equipo y las condiciones de operación en la cámara de vacío.

Impresión MultiJet (MJP)

La Impresión MultiJet (MJP), también conocida como inyección de material (MJ), es una técnica de fabricación aditiva que utiliza cabezales de impresión para depositar finas gotas de material fotorreactivo capa por capa. Cada capa de material se solidifica mediante la aplicación de luz ultravioleta (UV), lo que permite la creación precisa de objetos tridimensionales.

Esta tecnología destaca por su capacidad para fabricar piezas con múltiples materiales y colores en una sola impresión, gracias a los diferentes cabezales de impresión que emplean diversos materiales simultáneamente. Sin embargo, a pesar de su versatilidad en la composición, las piezas producidas con MJP pueden presentar limitaciones en términos de resistencia y durabilidad.

Beneficios de las tecnologías de manufactura aditiva

• Control interno de la producción: La manufactura aditiva permite a las empresas producir más piezas internamente, reduciendo su dependencia de proveedores externos². Esto, además de disminuir los costos y tiempos de entrega asociados con la subcontratación, otorga a las empresas un mayor control sobre la calidad del producto final.
• Reducción significativa de costos y retorno de inversión acelerado: En comparación con los métodos tradicionales de fabricación sustractiva, la impresión 3D industrial es mucho más económica, especialmente en casos como la producción de herramientas y prototipos. Gracias a esto las empresas pueden ahorrar considerablemente en costos de materiales y mano de obra, lo que se traduce en un retorno de inversión que puede ser obtenido en semanas o meses.
• Eliminación de limitaciones tradicionales: La fabricación aditiva rompe con las limitaciones impuestas por los métodos tradicionales de producción, como la necesidad de moldes y herramientas específicas para cada diseño. Con la impresión 3D industrial, se pueden crear geometrías complejas y personalizadas sin las restricciones que imponen las técnicas sustractivas. Esta libertad de diseño no solo mejora la funcionalidad y la estética de las piezas, sino que también permite la innovación continua en el desarrollo de productos.
• Aceleración de los plazos de entrega y rapidez en el lanzamiento al mercado: Uno de los mayores beneficios de la fabricación aditiva es la drástica reducción del tiempo necesario del proceso de transición entre la fase de diseño y la de producción. Mientras que los métodos tradicionales pueden tardar meses en producir una pieza, la impresión 3D puede completarla en horas o días. Esto no solo acelera los ciclos de diseño y prototipado, sino que también permite a las empresas lanzar productos al mercado más rápidamente, otorgándoles una ventaja competitiva significativa.

El futuro de la manufactura aditiva

Referentes a los últimos avances en las tecnologías de impresión 3D, la bioimpresión es una innovación de manufactura aditiva que permite crear estructuras tridimensionales similares a los tejidos naturales mediante la impresión de bioinks, los cuales combinan materiales biocompatibles y células vivas. Este proceso ha emergido como una herramienta crucial en campos como la ingeniería de tejidos, la bioingeniería y el desarrollo de fármacos.

A diferencia de la impresión 3D tradicional, la bioimpresión utiliza bioinks para construir estructuras capa por capa. Estos bioinks, compuestos por biomateriales naturales o sintéticos mezclados con células vivas, se organizan en patrones precisos que imitan la estructura y función de los tejidos naturales. De esta manera, se logran crear estructuras tridimensionales que replican de manera más exacta las funciones biológicas en comparación con los estudios in vitro convencionales³.

Entre las principales ventajas de la bioimpresión se encuentran la capacidad de generar tratamientos médicos personalizados, la reducción de la necesidad de pruebas en animales y la mayor compatibilidad biológica con los tejidos humanos. Sin embargo, la bioimpresión también enfrenta importantes limitaciones, como su elevado costo, la complejidad del proceso, los desafíos éticos y su alta demanda energética. Estas barreras deben ser superadas para que la tecnología alcance su máximo potencial en la medicina y la industria farmacéutica.

Conclusiones

La manufactura aditiva se presenta como una tecnología clave para el futuro industrial debido a la optimización de los procesos de producción mediante su capacidad para crear objetos complejos y personalizados sin necesidad de moldes o herramientas tradicionales. Tal modalidad de manufactura cuenta con un gran potencial para transformar la industria de la fabricación, especialmente al considerar la rapidez y precisión con que convierte modelos digitales en productos físicos.

Esta tecnología además de generar mejoras en la eficiencia y la reducción de costos, impulsa el desarrollo logístico, hacia un marco de trabajo más ágil y adaptable. A medida que la manufactura aditiva sigue avanzando, se espera que juegue un papel crucial en diferentes sectores, abriendo nuevas oportunidades y conceptos en diversas industrias.

Referencias

1. https://www.mecalux.com.co/blog/fabricacion-aditiva
2. https://markforged.com/es/resources/blog/additive-manufacturing-101-guide-the-basics
3. https://www.upmbiomedicals.com/solutions/life-science/what-is-3d-bioprinting