Impresión 3D: El futuro de la industria en la Fabricación aditiva

Milthon Lujan Monja

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Impresión 3D de la cabeza de Zamenhof. Plástico ABS verde. Fuente: Andrew Barney de Koloradio, Usono
Impresión 3D de la cabeza de Zamenhof. Plástico ABS verde. Fuente: Andrew Barney de Koloradio, Usono

La impresión 3D, también conocida como fabricación aditiva, es una tecnología de rápido crecimiento que está revolucionando la industria manufacturera en todo el mundo; y que tiene el potencial de consolidarse como tecnología líder en numerosos sectores en un futuro próximo (Prashar et al., 2023).

La fabricación aditiva también abre las puertas para implementar nuevos modelos de negocios. Por ejemplo, un diseñador puede comercializar sus diseños en la internet y los potenciales clientes, en todo el mundo, puede comprarlos e imprimirlos, obteniendo de esta forma productos personalizados. Asimismo, las compañías pueden diseñar y construir prototipos de una manera más rápida y a menor costo.

Desde su introducción, la impresión 3D ha despertado un enorme interés entre investigadores e ingenieros por comprender el proceso de fabricación y aprovechar su gran potencial de aplicación en una variedad de sectores industriales (Li y Pumera, 2021). Por otro lado, con el advenimiento de la Industria 4.0 y el desarrollo de materiales inteligentes, la impresión 3D está llamada a jugar un rol destacado (Jandyal et al., 2022 y Prashar et al., 2023).

Este artículo proporciona una descripción general de la impresión 3D, incluido los principios, aplicaciones, materiales, desafíos, entre otros temas que te permitirán conocer el potencial de esta tecnología y quizás te brinden ideas de emplearla en tus actividades empresariales. Asimismo, en la sección referencias bibliográficas puedes encontrar mayor información para conocer sobre la fabricación aditiva.

¿Qué es la impresión 3D?

La impresión 3D, también llamada “fabricación aditiva” o “tecnología de fabricación digital”, es un proceso de creación de un objeto tridimensional a partir de un archivo digital. El objeto se crea agregando material capa por capa, generalmente usando una máquina controlada por computadora. Asimismo, la impresión 3D es un tecnología de prototipado rápido que incluye una serie de técnicas (Nachal et al., 2019).

Chen et al., (2019) indica que la impresión 3D comprende una serie de tecnologías de fabricación avanzadas que se utilizan para fabricar piezas físicas de manera aditiva discreta punto por punto, línea por línea o capa por capa a partir de modelos CAD 3D que se cortan digitalmente en secciones transversales 2D.

Por otro lado, debemos conocer que la impresión 3D y la fabricación aditiva son términos paraguas que cubren una amplia gama de procesos para la creación de prototipos y estructuras tridimensionales a partir de archivos digitales (Jandyal et al., 2022).

El Comité Técnico ISO/TC 261 define a la fabricación aditiva como un “grupo de tecnologías capaces de unir materiales para construir un ensamblaje completo a partir de datos de modelos 3D desarrollados utilizando ciertas herramientas de software, generalmente capa por capa, en contraste con los métodos de fabricación sustractivos”.

Historia de la impresión 3D

La historia de la impresión 3D se remonta a la década de 1980, cuando un grupo de investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts desarrolló un proceso llamado estereolitografía. Este proceso utiliza un láser para curar una resina líquida, capa por capa, para crear un objeto sólido.

Desde entonces, la tecnología de impresión 3D ha seguido desarrollándose rápidamente. Hoy en día, existen muchos tipos diferentes de impresoras 3D disponibles, cada una con sus propias fortalezas y debilidades. Una descripción detallada de la historia de la fabricación aditiva la puedes encontrar en el estudio de Prashar et al., (2023).

¿Cuáles son los beneficios de la fabricación aditiva?

La impresión 3D ofrece una serie de beneficios, incluidos:

  • Flexibilidad: La fabricación aditiva permite crear objetos de formas y tamaños complejos que serían difíciles o imposibles de fabricar con métodos tradicionales.
  • Personalización: La impresión 3D permite crear objetos personalizados para satisfacer las necesidades específicas de cada usuario, de esta forma puedes ampliar la oferta de tus productos según las necesidades de tus clientes.
  • Eficiencia: La fabricación aditiva puede ser un proceso más eficiente que los métodos tradicionales de fabricación.
  • Menor impacto ambiental: Khosravani y Reinicke (2020) destacan que la fabricación aditiva puede jugar un rol importante en la creación de una industria de fabricación sostenible, al reducir sustancialmente el desperdicio de materiales.

Principios de la impresión 3D

Hay dos principios básicos que subyacen a la fabricación aditiva:

  • Aditividad: La impresión 3D agrega material para crear un objeto, en lugar de restar material como en los procesos de fabricación tradicionales.
  • Capas: La fabricación aditiva crea objetos construyéndolos capa por capa.

Tipos de Impresión 3D

Existen muchos tipos diferentes de procesos de fabricación aditiva, cada uno con sus propias ventajas y desventajas. Algunos de los tipos más comunes de impresión 3D incluyen:

  • Modelado por deposición fundida (FDM): FDM es un tipo popular de fabricación aditiva que utiliza una boquilla calentada para derretir filamento de plástico, que luego se deposita capa por capa para crear un objeto.
  • Estereolitografía (SL): La SL es el tipo de fabricación aditiva más antigua, se caracteriza por utilizar un láser para curar una resina líquida, capa por capa, para crear un objeto sólido. Según Nielsen et al., (2020) estereolitografía es el enfoque más prometedor para la creación rutinaria de estructuras de microfluidos.
  • Sinterización selectiva por láser (SLS): Es un método de prototipado rápido que utiliza un láser para fusionar material en polvo, capa por capa, para crear un objeto sólido.
  • Fusión en lecho de polvo (PBF): Este proceso utiliza una fina capa de polvo para construir una placa y una fuente de energía (láser o haz de electrones) para fusionar el polvo de acuerdo a la geometría.
  • Chorro de aglutinante (BJ): En lugar de utilizar láseres para unir este proceso, utiliza un chorro de tinta para unir los objetos. Utiliza una tecnología de impresora 2D en inyección de tinta y va subiendo por capas formando un proyecto 3D.
Partes elaboradas mediante el tipo de impresión 3D: estereolitografía. Fuente: 3D printing Colorado
Partes elaboradas mediante el tipo de impresión 3D: estereolitografía. Fuente: 3D printing Colorado

Si deseas información más detallada de cada tipo de fabricación aditiva, así como sus ventajas y desventajas, revisa el artículo de Jandyal et al., (2022) en la sección referencias bibliográficas.

Materiales para impresión 3D

En los últimos años el espectro de materiales que se pueden imprimir también ha aumentado, lo que permite a los investigadores imprimir una variedad de materiales que incluyen células vivas, polímeros que cambian de módulo e incluso metales aptos para naves espaciales (Karakurt y Lin, 2020).

En este sentido, se puede utilizar una amplia variedad de materiales para la fabricación aditiva, incluidos plásticos, metales, gomas y cerámicas. La selección del material dependerá principalmente del uso que se le pretende dar y del método de fabricación. A continuación describimos los más comunes:

  • Plásticos: Los plásticos son el material más común utilizado para la fabricación aditiva. Son relativamente económicos y fáciles de trabajar. Mikula et al., (2021) describen el potencial de emplear filamentos de plásticos reciclados en la fabricación aditiva.
  • Metales: Los metales son más caros que los plásticos, pero ofrecen mayor resistencia y durabilidad. Jandyal et al., (2022) reporta que los metales más empleados son el titanio, acero, aluminio y algunas combinaciones.
  • Caucho: El caucho o látex es un material orgánico que también puede ser empleado en la fabricación aditiva. Los resultados de la investigación de Fekete et al. (2021) resaltan el potencial de usar el caucho, en combinación con ácido poliláctico, para aplicaciones de impresión 3D; mientras que Chen et al., (2019) combinó la silicona con el caucho para tener un material flexible.
  • Hormigón: Zhang et al., (2019) destacan el potencial de un tipo de hormigón para la impresión 3D, e indican que sus índices de rendimiento, incluida la trabajabilidad, el tiempo de fraguado y endurecimiento y las propiedades mecánicas, se pueden optimizar mediante la selección de materiales y los parámetros de impresión.
  • Cerámica: El uso de la cerámica para la impresión 3D es una de las últimas tendencias (Chen et al., 2019). Las cerámicas son incluso más caras que los metales, pero ofrecen una excelente resistencia al calor y a los químicos, lo que los convierte en adecuados para las industrias aeroespacial y médica.

¿Cuáles son las aplicaciones de la Impresión 3D?

La tecnología de fabricación aditiva se utiliza cada vez más para la personalización masiva y la producción de cualquier tipo de diseños de código abierto en el campo de la agricultura, la salud, la industria automotriz, la industria de locomotoras y la industria de la aviación (Shahrubudin et al., 2019), entre otras; algunas de sus orincipales aplicaciones incluyen:

Creación rápida de prototipos

La impresión 3D se puede utilizar para crear prototipos rápidos de nuevos productos. Esto puede ahorrar tiempo y dinero en el proceso de desarrollo del producto. Esta fue una de las primeras aplicaciones de la fabricación aditiva y en la actualidad de sigue empleando para diseñar, construir y probar productos innovadores.

Fabricación

La fabricación aditiva se puede utilizar para fabricar productos terminados. Esto es especialmente útil para productos que son difíciles o costosos de fabricar utilizando métodos tradicionales. Espera et al., (2019) reportan que la adaptación de nuevas tecnologías de impresión 3D y métodos de fabricación, específicamente para la electrónica impresa, es potencialmente transformadora en electrónica flexible, comunicaciones inalámbricas, baterías eficientes, tecnologías de visualización de estado sólido, etc.

Medicina

La impresión 3D se puede utilizar para crear dispositivos médicos, como prótesis e implantes. Asimismo, se viene explorando la bioimpresión 3D para su uso en la ingeniería de tejidos y aplicaciones en medicina regenerativa (Gopinathan y Noh, 2018). Al respecto, Haleem et al., (2020) destacan que la impresión 3D es una tecnología útil para la fabricación de andamios fundamentales en la ingeniería del tejido óseo.

Esqueleto de pie impreso con impresoras 3D en Sliperiet, Universidad de Umeå. Foto de Ulrika Bergfors Kriström.
Esqueleto de pie impreso con impresoras 3D en Sliperiet, Universidad de Umeå. Foto de Ulrika Bergfors Kriström.

Aeroespacial

La impresión 3D se puede utilizar para crear componentes aeroespaciales, como piezas complejas de motores a reacción, las piezas de repuesto o la restauración. Prashar et al., (2023) reportan que la capacidad de construir una estructura de aeronave que superó las expectativas fue posible gracias a la versatilidad de la tecnología fabricación aditiva, que permite distribuciones equilibradas de tensiones que dan como resultado un mejor rendimiento.

Automotriz

La impresión 3D se puede utilizar para crear componentes de automóviles, como piezas o repuestos de automóviles. Sin embargo, su utilidad principal ha sido en la creación rápida de prototipos para probarlos en un contexto real. Con las tendencias actuales de la tecnología de fabricación aditiva quizás en el futuro puedas “imprimir” tu vehículo en tu casa de acuerdo a tus preferencias y necesidades.

Bienes de consumo

La fabricación aditiva se puede utilizar para crear bienes de consumo, como por ejemplo zapatillas, juguetes y joyas. Esta aplicación permite el desarrollo de nuevos emprendimientos. Algunas marcas de ropa internacionales importantes, como Adidas, New Balance, Burberry, y ThreeAsFOUR han invertido en tecnología de impresión 3D para producir productos de impresión 3D (Nie et al., 2023).

Fabricación de alimentos

Según Nachal et al., (2019) la fabricación aditiva es una innovación que tiene el potencial de revolucionar la formulación de alimentos y los procesos de fabricación. La impresión 3D permitirá el diseño de alimentos de acuerdo a las necesidades nutricionales del público objetivo, basado en la evaluación de la composición de los insumos.

Construcción

La fabricación aditiva es una de las innovaciones que tiene el potencial de revolucionar la industria de la construcción. Zhang et al., (2019) y Hossain et al., (2020) reportan que la impresión 3D tiene las ventajas de una alta eficiencia de construcción, automatizar los procesos de construcción, una menor demanda de mano de obra, reducción del tiempo de construcción y menos desperdicios de construcción. Por su parte, Xiao et al. (2021) reporta que recientemente, se han impreso estructuras a gran escala utilizando diferentes materiales y tecnologías de impresión a base de cemento.

Asimismo, Zhang et al., (2019) destacan que el hormigón impreso en 3D “tiene un gran potencial en aplicaciones prácticas, como la construcción de viviendas asequibles en países de bajos ingresos, búnkeres militares cuando los soldados luchan en la naturaleza y construcciones complejas donde el encofrado es difícil de fabricar”.

¿Cuáles son los desafíos de la impresión 3D?

La fabricación aditiva también presenta una serie de desafíos, incluidos:

  • Costo: La impresión 3D puede ser una tecnología costosa, especialmente para aplicaciones comerciales.
  • Velocidad: La impresión 3D puede ser un proceso lento, especialmente para objetos grandes o complejos.
  • Precisión: La impresión 3D puede ser un proceso inexacto, especialmente para objetos pequeños o delicados.
  • Técnicos: La adopción de la fabricación aditiva más allá del prototipado, requiere resolver desafíos técnicos relacionados principalmente a los materiales y su procesamiento.

¿Cuál es el futuro de la impresión 3D?

La impresión 3D es una tecnología en rápido desarrollo que tiene el potencial de transformar muchas industrias. A medida que la tecnología continúe desarrollándose, es probable que se vuelvan más asequibles, rápidas y precisas. Esto abrirá nuevas oportunidades para la impresión 3D en una amplia gama de aplicaciones, más allá de las que hemos citado en este artículo.

Sin embargo, aún se presentan algunos desafíos que la fabricación aditiva debe superar. Rayna y West (2023) compararon las capacidades previstas con las reales para la transformación habilitada por la impresión 3D en seis áreas clave: innovación de productos, personalización masiva, fabricación doméstica, fabricación distribuida, optimización de la cadena de suministro e innovación de modelos de negocio, y sugieren oportunidades para un mayor realismo en futuras investigaciones sobre impresión 3D.

Prashar et al., (2023) reportan que la fabricación aditiva está promoviendo la Industria 4.0 y desempeña un papel fundamental en la solución de algunas de las necesidades más importantes de la cuarta revolución industrial. En este sentido, la impresión 3D es tu tipo de fabricación digital que forma parte del entorno de la Cuarta Revolución Industrial.

Por otro lado, Elder et al., (2020) destaca que la integración sinérgica de nanomateriales con tecnologías de impresión 3D puede permitir la creación de arquitectura y dispositivos con un nivel de integración funcional sin precedentes. Por su parte, Harish et al., (2022) describe que la impresión 3D podría ofrecer soluciones únicas para los problemas vitales de la producción de carne cultivada; particularmente en la regulación de proteínas, grasas y otros contenidos nutricionales, además de proporcionar una textura realista

¿Cómo puedo aprender más sobre la impresión 3D?

Hay una serie de recursos disponibles para aprender más sobre la impresión 3D, incluidos artículos en línea que brindan información sobre la fabricación aditiva; así como cursos en línea con los cuales puedes profundizar los conceptos aquí vertidos.

Un primer paso es revisar los documentos que te presentamos en las referencias bibliográficas de este artículo.

Conclusión

La impresión 3D es una tecnología versátil con una amplia gama de aplicaciones. A medida que la tecnología siga desarrollándose, es probable que tenga un impacto aún mayor en la industria manufacturera.

Los campos de amplicación de la fabricación aditiva se vienen ampliando de la mano con el desarrollo de nuevos métodos de fabricación y el desarrollo de nuevos materiales de impresión. Esto augura que esta tecnología se va a convertir en una de las principales en el contexto de la fabricación industrial; asimismo, apertura la oportunidad para desarrollar nuevos modelos de negocio para responder a las necesidades particulares de los clientes de una forma rápida y a un menor costo.

Por otro lado, la impresión 3D es una tecnología importante en el contexto de la Industria 4.0. De esta forma debes evaluar la adopción de la misma según los objetivos de tu compañía y el nivel de digitalización que tiene tu empresa.

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