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Fabricación por adición: Maravillosa innovación disruptiva

En pleno desarrollo, la “impresión 3D” o “fabricación por adición” para los puristas (3D printing, additive manufacturing en ingles) será, y me atrevo a decirlo, el método de producción del futuro.

Si aun no lo sabes, permite, desde un modelo informático tridimensional, la realización on demand” de piezas complejas, agregando materia generalmente por capa. Al igual que una impresora clásica agrega materia en una superficie, la impresora 3D agrega materia en un volumen, de ahí su nombre. De hecho si te fijas, el mecanismo de los modelos los más básicos son muy parecidos, salvo que se agregó un tercer movimiento. En resumen, cargas un archivo en tu computadora, lo envías para impresión y al poco tiempo puedes recuperar el objeto.

A que parece una impresora 3D

Hay muchos modelos. Hoy, el más clasico en el mercado “cliente lambda” usa un método por extrusión de ABS. Contar 0,5k > USD > 5k. Por ejemplo este modelo “Da Vinci” de XYZ Printing:

Impresora 3D

Similar en concepción pero con mayor precisión, métodos más robustos y escalables (mezcla de materiales y de colores), están las versiones profesionales con métodos de por ejemplo polimerización, sinterización o fusión. Contar 10k > USD > 300k. Ejemplo con la propuesta de Stratasys:

Impresora 3D

Muy diferente en la forma pero igual en el fondo encontramos brazos robóticos para aplicaciones industriales, permitiendo creacion de piezas muy grandes. Contar 30k > USD > 5M. Ejemplo con la propuesta de Kuka y Branch Technology:

digital transformation

Evolución tímida

Desde mi primer uso en 2010 con una impresora polímero, las evoluciones fueron lentas. De un punto de vista puramente técnico podemos citar el uso de materiales con mejores características mecánicas, el incremento de las velocidades de fabricación o la mejora de la precisión tanto en la complejidad de las formas como la terminación. También el mercado global de la digitalización 3D ha ido creciendo y las técnicas mejorando en tanto como los softwares asociados.

Respecto al entorno político-social, falta de interés, resistencia al cambio e inercia frenan la integración de esta tecnología en las proyecciones largo plazo, indispensables para iniciar un efecto snowball. Un poco como la pantalla táctil que existe desde hace unos 40 años y se democratizo hace poco con alguno productos de Apple.

Aquí la resistencia al cambio es totalmente justificada. Pasar de una producción “ex-situ”* por sustracción a una producción “in-situ”* por adición y por encima mucha más flexible en todos los aspectos de producción donde se requiere hacer “Reverse Engineering”, “Engineering-To-Order” u “On-Demand Manufacturing” tiene algo de miedoso. Hay que repensar completamente todo.

*Con técnicas de impresión 3D es mucho más fácil fabricar en un local cercano al punto de entrega que por fabricación sustractiva.

 

Impresora 3D

 

Como verán en este gráfico del Hype Cycle para las tecnologías de impresión 3D, publicado por Gartner en 2015, se espera para 2020-2025 la comercialización de los primeros productos de consumo general fabricados con estas tecnologías (in-fine fabricación gran escala con post-proceso mínimo).

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Lo que hoy en día podemos ver floreciendo en el mercado industrial es la producción de prototipos y en las industrias de alta tecnología la producción de piezas de alta complejidad como por ejemplo alas o fuselaje de avión en fibra de carbono o componentes de titanio. La foto a la izquierda presenta el metodo AFP (Automated Fiber Placement) de Electroimpact.

Inicio de una campaña marketing masiva

En 2014, si recuerdas, hubo un “boom” de esta tecnología para el consumidor lambda. Pero no fue un avance tecnológico sino que más bien marketinero. El clásico regalo de navidad, consensuado por el mercado, deseando más que nada generar una tendencia de compra masiva. Un intento fallido de imponer una tecnología inmadura en las casas. A esta tecnología le falta años de maduración para mejorar y encontrar su sitio en un entorno en cambiante. Infraestructuras, logística, materia prima, concepción y diseño… nada está listo para su despliegue masivo, ni siquiera la sociedad con todas sus reglas y leyes adaptadas a un estilo de producción por fabricación sustractiva.

Algo seguro es el potencial merchandising del producto resultante de la impresión. De manera resumida, esta tecnología tiene entre otro todo el potencial para cumplir a la perfección la famosa regla de los 5R (ahora 6R) de Kepner.

Crecimiento clásico

Hasta ahora, la tecnología de impresión 3D está siguiendo un camino clásico y el mundo se adapta progresivamente a su uso:

Científico propone, estado e industria desarrollan (militares primeros, industriales y médicos después), especialista a nivel local distribuye para posiblemente terminar directamente en nuestra casa.

Les dejo recordar “Internet” con una analogía muy fuerte. Tener su impresora 3D ahora es como tener una computadora en 1993 para conectarse a internet. Llegas en casa a las 18h y lo menos probable que tengas ganas de hacer es imprimir algo, salvo que seas un apasionado o un investigador (amateur o profesional). Imprimir qué? Para qué? Por qué? Encima no es resistente !

Lo mismo pasó hace poco con los “Raspberry” o los “Drone”, salvo que estos dos últimos se basaron en tecnologías altamente dominadas, lo que ni siquiera es el caso de la impresión 3D. Sumamos a esto el cambio de paradigma necesario para la aceptación de la impresión 3D y entendemos porque el crecimiento es tan lento.

El mundo actual quiere todo ahora cuando intrínsecamente no es capaz de evolucionar a esta semejante velocidad. De cualquier modo, los cientificos, cartesianos de por si, saben que falta mucho para dominar este metodo. Las evoluciones son lentas pero presentes y estoy seguro que serán vectores de innovaciones, en muchos sectores como lo fue “Internet”. Tal como me lo enseño La Fontaine en El Leon y la Rata: “Patience et longueur de temps font plus que force ni que rage.

Campo de utilización

Industrias pesadas y start-up de distintas áreas como aeronáutica, espacial, energía, transporte, militar, construcción, medical… se interesan, invierten, fabrican y usan en producción este nuevo método desde hace más de 10 años.

Ya se dieron cuenta, el campo de aplicación es muy amplio, hasta diría infinito. Por ahora, no todos están en capacidades de usarlo (pequeñas industrias) o no le encuentran un interés directo (administración). Es una tecnología disruptiva y en nuestro caso genera la aparición de un nuevo modelo de producción simplificado, teniendo un impacto cierto sobre el micro entorno alrededor del cual gravita, con por ejemplo un cambio drástico tanto sobre la I&D+i y su concepción de piezas como sobre el supply chain.

A continuación algunos ejemplo 

digital business

 

Las industrias pesadas y económicamente resilientes, particularmente aeronáutica, energía y transporte, invierten una cantidad importante de recursos para la fabricación de piezas “out of the box”, es decir utilizables directamente en producción (sin post-proceso) con materiales mecánicamente resistentes como metales o carbonos. Por ejemplo esta bomba de agua mecánica para vehículo (foto arriba) realizada por “Fusion Selectiva por Laser” (SLM en inglés) por BMW.

 

robotica

 

Las start-up se concentran generalmente sobre el prototipado rápido de piezas con pocas tensiones mecánicas y por rende sobre técnicas usando por ejemplo materiales plásticos gracias métodos de polimerización o de fotoquímica. Por ejemplo esta pieza de demostración (foto de arriba) realizada por proceso CLIP (Continuous Liquid Interface Production) por Carbon 3D.

En cuanto a la medicina y la construcción, son áreas que podrán aprovechar a medio plazo todo el potencial de la fabricación por adición asociada a la biomimesis. Esta ciencia, enfocada en el estudio de la naturaleza como fuente inspiradora, se considera como un arte dentro de la ingeniería. Gestionada a través de una metodología Design Thinking culmina en reproducir la “perfección natural” en una mezcla potenciadora de observación, ciencia, ingeniería y diseño. La fabricación por adición puede ser la clave de la producción biomimética.

¿Para cuándo una prótesis reticulada, en cromo molibdeno, para todos?

 

estructuras biomiméticas

 

 

Los trabajos con Within Medical (para citar uno) son halagadores. Es un software de CAO especializado para la industria ortopédica permitiendo a los técnicos, ingenieros y diseñadores proponer estructuras biomiméticas.

Por ejemplo (foto arriba) esta prótesis de cadera con estructura micro-porosa retículo-trabecular, probablemente realizada por SLM o SLS.

Existen multitudes de realizaciones concretas en el mercado de la salud (a muy pequeña escala, algunas miles) como por ejemplo implante para cráneo, diseñado en base a una digitalización 3D de la cabeza del paciente y por ende totalmente adaptado a su morfología. Estructura porosa, estado de superficie homogéneo y forma adaptada son algunas caracteristicas que permiten tener un producto “biological compliant”, es decir que disminuye considerablemente el rechazo por el organismo.

La fabricación por adición se desarrolla lentamente… Pero ¿Es suficientemente lento?

Esta famosa “perfección natural” tan cerca de nosotros y tan difícil de reproducir no puede ser magnificada por la industria actual sin pensar en un cambio de perspectiva, de modelo… de paradigma.

Desafortunadamente la impresión 3D no está aquí para eso. Disruptiva en la fabricación, los visionarios la impulsan desde hace años. De hecho originara cambios importantes en distintos entornos pero siempre al servicio del “macro sistema PESTEL” donde el Hombre intenta apropiarse la flecha del tiempo teniendo la esperanza de impactar positivamente SU propia ecuación económica.

Por este mismo motivo la considero como una “Innovación disruptiva” pero no una “Innovación revolucionaria”. Al menos hasta ahora, por falta de maduración y de interés a nivel mundial.

Mi pensamiento sobre una paradoja típica de la humanidad: “Un crecimiento rápido y sostenible a costa del tiempo que no dominamos”

El tiempo, intrínseco a cualquier cosa, solo puede ser proporcional a la complejidad deseada. Como pensar producir en algunas horas lo que la naturaleza, tan perfecta, tomo días, meses, años, siglos hasta milenarios en lograr. El humano, egoísta por naturaleza, frente a su escasez de tiempo decidió con razón sacrificar la sostenibilidad para perseguir sus sueños de crecimiento.

La pareja biomimesis e impresión 3D nos dará una respuesta parcial, siendo un impulso (más) para alcanzar una meta que probablemente nunca lograremos: encontrar equilibrio en la ecuaciónCrecimiento + Sostenibilidad + Tiempos cortos = Reproducir rápidamente la naturaleza”.

Concluyendo

Algo seguro es que, además de un cambio de paradigma, falta mucho trabajo para pulir detalles técnicos, imprescindibles al uso masivo de la impresión 3D: asegurar las tolerancias correctas en salida de cadena evitando pasar por CNC es primordial. También poder imprimir en todos los materiales básicos será necesario. Por suerte las técnicas y materiales actuales permiten obtener resistencias mecánicas interesantes y terminaciones muy aceptables para un uso “out of the box”, sin post-tratamiento.

Otra variable que tenemos que considerar es el “global foot print” de la pieza terminada. Realmente sirve imprimir una pieza si al final gaste el doble de energia usando esta tecnología en vez de otra?

Les dejo un vidéo marketinero de Autodesk y el puerto de Rotterdam sobre las tecnologías par adición de metal (soldadura), con el RAMLAB. Pueden apreciar en esta foto la diferencia sin y con post-proceso sobre una hélice de barco.

Por ahora, es lo mejor que sabemos hacer. Les parece suficiente? O aun falta cambiar y/o mejorar muchos aspectos para que el additive manufacturing se trasforme en una innovación revolucionaria (o de ruptura coma las suelo llamar)?

De la ciencia nace la innovación, motor de la humanidad. Soy un soñador. Comparto mi visión para formalizar con ustedes un futuro deseable. La ingéniera es mi arma. Le dédicace mi vida.

Acerca del Autor

Vincent Seres
Vincent Seres

MBA Ingeniero Industrial y Ciencias de la Informática

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