Capítulo 4: Problemas
de la Fabricación Aditiva
Hasta ahora no hemos hablado
más que maravillas de la fabricación aditiva; ¿reemplazará entonces
completa-mente -como dicen algunos- a las demás tecnologías de fabricación?
Puede que a largo plazo así ocurra,
pero por el momento las cosas no son tan ideales como aparentan...
“Nada es perfecto: por eso los lápices tienen borrador”.
Anónimo.
De vuelta con las curvas de coste
En el capítulo anterior nos fijábamos en cómo las tecnologías de fabricación aditiva resultaban más económicas para tamaño de lote corto y mucha complejidad. Ahora bien, estas curvas pueden también verse justo al contrario: imaginemos que únicamente se conocieran las tecnologías de fabricación aditiva y acabásemos de descubrir la fabricación por inyección en moldes; pondríamos la gráfica de economía de escala anterior:
e inmediatamente nos fijaríamos en la parte derecha de la curva y diríamos: acabamos de descubrir una tecnología que es mucho mejor para grandes tamaños de lote. Y así es: hoy por hoy no tiene mucho sentido hacer por ejemplo botellas de plástico con fabricación aditiva; es infinitamente más competitivo hacerlo por inyección, aunque haya que añadir el coste de transporte.
De igual modo ocurre con la gráfica de la complejidad del capítulo anterior:
Puede verse que para objetos sencillos es más barato hacerlo por otros mecanismos que por la fabricación aditiva.
En conclusión, es razonable esperar que a corto y medio plazo, objetos simples y de uso común (con largas tiradas) sigan siendo producidos con los procedimientos que ya conocemos. ¿Será así para siempre? Según se siguen optimizando las tecnologías de impresión 3D la curva de producción aditiva se desplazará hacia abajo, limitando cada vez más en qué situaciones la inyección en moldes es más competitiva. No es completamente seguro pero tampoco parece razonable que baje hasta tal punto que elimine completamente otras opciones.
Ya hemos visto como posiblemente la fase más crítica de la fabricación aditiva es la de rebanado, cuando definimos cómo cada capa de material va a ir siendo superpuesta sobre la anterior hasta completar el objeto final.
Esta fase no está exenta de problemas. Veamos un ejemplo: si queremos imprimir en 3D una letra V, no hay problema, simplemente vamos poniendo las capas hasta el final:
Pensamos que esto va a ser así siempre. Sin embargo, veamos qué ocurre si intentamos imprimir un 7 como el de la figura:
Iremos poniendo capas, pero en un determinado punto, ¡tenemos un problema! ¡No podemos poner una capa sobre el aire!:
¿Qué hacemos entonces? Tenemos que imprimir algo definiendo una estructura hasta llegar a ese punto. Ese algo son lo que se conocen como soportes: un “extra” de material que se imprime con el único propósito de poder servir de apoyo a las capas que vengan por encima. Pero, lógicamente, lo que se imprime no será entonces la figura que queremos sino la figura con soportes. Será necesario un procesado posterior (manual, por disolución, limado o como sea, dependiendo de la tecnología empleada) para la eliminación de estos soportes en la fase de post-procesado.
El problema de la necesidad de soportes no sólo aparece en casos como el anterior en que tendríamos que imprimir sobre la nada, sino que también aparecerá cuando el ángulo en el que cada capa se apoya sobre la siguiente sea demasiado agresivo y esté en una situación de voladizo (overhang).
Figura 41: Las letras Y, H, T nos muestran la situación de overhang.
Hay muchas variables que definirán en qué momento ese voladizo imprimirá una correcta impresión del objeto (tecnología empleada, temperatura, material, velocidad de impresión, altura de la capa, etc.) pero en general se considera que para ángulos superiores a los 45º será necesario imprimir soportes.
Así, la necesidad de soportes puede aumentar significativamente el coste de fabricación de un producto por impresión 3D. Y, por supuesto, la dificultad de su diseño: un diseño optimizado será aquel que permita la impresión de un objeto con la cantidad mínima de soporte que permita su eliminación de la mejor manera posible.
Figura 42:
Intentar imprimir sin soportes cuando el ángulo es mayor de 45º suele tener
malos resultados. (Foto: © Germán
Martín)
Por supuesto, también puede ser una solución reorientar el diseño de forma que a la hora de imprimir no sean necesarios soportes. Así, en nuestro ejemplo anterior del número siete bastaría girar 90º alrededor del eje x para poder imprimir la figura sin problemas. Claro que esto no es tan sencillo para modelos más complicados. De ahí la importancia de que los diseños del objeto en 3D se hagan con la vista puesta en su facilidad de fabricación posterior.
No todas las tecnologías de fabricación aditiva necesitan soportes, aunque sí la mayoría de ellas. En algunas tecnologías la eliminación de esos soportes puede hacerse de forma que no quede ni rastro de los mismos; en otras, la eliminación de soportes afea de forma significativa la terminación del producto.
Figura 43: Imprimir el David de Miguel Angel implica una compleja estructura de soportes.
Un fenómeno inherente a la fabricación 3D se deriva del hecho de
que el objeto fabricado no tiene exactamente las mismas propiedades en todas
sus dimensiones en función de cómo haya sido fabricado. Veamos un ejemplo.
Supongamos que queremos fabricar una pieza como la de la figura, un simple rectángulo con dos agujeros, que queremos posteriormente usar para unir otras piezas.
Pues bien, resulta que el ángulo en el que imprimamos la pieza afecta a la resistencia final de la misma. ¿Y eso por qué? pues porque en general las capas que se han ido superponiendo una a la otra no lo hacen con la misma fortaleza físico-química que lo hacen elementos consecutivos (vóxels a un mismo nivel). Así, podemos ver en la imagen como nuestra pieza resulta tener un máximo de resistencia cuando las capas están impresas en un ángulo de 45º con respecto a la fuerza que van a tener que soportar.
Figura 44: Ejemplo de anisotropía
Este fenómeno de no poseer las mismas propiedades dependiendo de la dirección se denomina anisotropía, y es más relevante de lo que parece. Para empezar, el diseño tendrá que tener esto en cuenta, y, aún más importante, certificar que una pieza cumple determinadas especificaciones se vuelve mucho más complicado.
Debido a ello, en muchas tecnologías de impresión 3D, los objetos por defecto se fabrican girados en un ángulo de 45º y con soportes.
De hecho, investigadores han demostrado recientemente que pequeñas variaciones en el ángulo en el que se añaden las capas, del orden de 3-5º, pueden tener grandes implicaciones de variabilidad en las propiedades finales de la pieza fabricada. Esto hace a muchas tecnologías de fabricación aditiva muy vulnerables a sabotajes o a imperfecciones difíciles de detectar en el momento de la fabricación.
Fenómenos como el de la anisotropía, y el hecho de que en muchas tecnologías la cantidad de parámetros que se pueden variar a la hora de fabricar un objeto sean muy amplias, hacen que sea muy complicado asegurar que cada objeto producido sea exactamente igual al anterior. Así, es muy difícil confirmar una consistencia absoluta entre productos iguales del mismo fabricante, con el consiguiente problema de comercialización.
Propiedades de algunos materiales
Mes a mes se añaden nuevos materiales a las diversas tecnologías de fabricación 3D. Pero es importante señalar aquí que algunas de las tecnologías más populares (como la extrusión de materiales) emplean plásticos o polímeros que tienen una resistencia limitada al calor o la luz. Otro problema suele ser la duración del color en algunas tecnologías multi-color.
Aunque cada día se construyen impresoras más y más grandes, el tamaño de la cámara de impresión limita el tamaño máximo de objetos que se pueden producir con fabricación aditiva. Para impresoras de sobremesa, tamaños máximos de 20x20x20 cm suelen ser habituales, mientras que para las industriales es más común 1mx1mx1m como máximo. Existen impresoras mucho más grandes, capaces de fabricar hasta un coche de una pieza, pero no son lo habitual.
Los estándares nos rodean por todas partes. Y, aunque para el consumidor final parezcan algo superfluo o directamente innecesario, para la industria no es así. El asegurar que una pieza cumple un estándar determinado permite a la industria emplearla en determinados nuevos diseños, produciendo otros productos a su vez empleados en la fabricación de otros, todo ello asegurando que la pieza inicial va a cumplir con nuestras necesidades.
En un entorno abierto y cambiante de múltiples tecnologías, evolucionando de forma acelerada, y en las que además la repetibilidad es complicada y con productos que sufren de anisotropía resulta muy complicado que estos estándares existan.
Por supuesto, la industria trabaja fuertemente en conseguir cuanto antes dichos estándares (ver por ejemplo la estructura de estándares aprobada en las normas ASTM F42 e ISO TC261), pero aún no tenemos un marco estable.
En todo campo que crece muy rápidamente uno de los problemas es siempre la falta de expertos en la empresa que nos permitan adaptar nuevos cambios con rapidez. Además, con las decenas de opciones tecnológicas disponibles actualmente es muy complicado poner en marcha un programa de formación que asegure tener una fuerza laboral operativa en un corto plazo.
Más aún, como ya se ha comentado, la fabricación aditiva no sólo supone añadir “una máquina más” sino que muchas empresas se ven obligadas a adoptar un mayor proyecto de transformación digital que aumenta aún más la dificultad de reciclar trabajadores en esta nueva tecnología.
Como decíamos en el capítulo anterior, al “democratizar” la producción tendremos miles de potenciales diseñadores y fabricantes para un producto. Como consumidores, es perfecto. Pero como actuales fabricantes resulta evidente que tendremos que hacer frente a un entorno mucho más competitivo.
Además de este acceso a nuevos jugadores a la industria, con una fabricación aditiva queda claro que el mundo digital tiene un mayor peso; las barreras de entrada tecnológicas disminuyen en gran medida y la posibilidad de copiar/adaptar diseños de competidores se hace muy barata y fácil, en lo que constituyen claras amenazas a la propiedad intelectual.
Resumen de los problemas de la fabricación aditiva
I. Mayor coste para un gran tamaño de lote.
II. Más costoso para productos simples.
III. Mejor transportar que producir si la distancia es corta
IV. Posible necesidad de soportes -> Mayor coste, tiempo y menor calidad.
V. Anisotropía / impredecibilidad de Tolerancias.
VI. Repetibilidad y consistencia entre productos iguales
VII. Resistencia limitada al calor, rozamiento y duración del color.
VIII. Falta de estándares
IX. Tiempo de impresión
X. Necesidad de un diseño ad-hoc.
XI. Falta de conocimiento y experiencia entre los trabajadores.
XII. Nuevos competidores en un entorno digital