Innovación MIT

Una impresora 3D para metales amenaza con reventar los cimientos de la fabricación mundial

Una impresora 3D de Desktop Metal hace una pieza a partir de una aleación de acero, demostrando su capacidad de generar estructuras complejas.

Los prototipos de Desktop Metal son rápidos y relativamente asequibles, las dos características clave que la tecnología necesita para imprimir piezas metálicas complejas e innovadoras de forma eficiente. Si triunfa, la producción tal y como la conocemos podría estar a punto de desaparecer.

Por David Rotman (Traducido por Teresa Woods)

Queda menos de un mes para el lanzamiento del primer producto de Desktop Metal, y su CEO, Ric Fulop, me enseña, emocionado, varias filas de impresoras 3D desmontadas, varios hornos microondas de gran tamaño y una colección de pequeños objetos de metal expuesta sobre una mesa. Tras una puerta cerrada, un equipo de diseñadores industriales está sentado alrededor de una mesa de trabajo, cada uno de ellos frente a una gran pantalla. La pared que tienen detrás está empapelada con posibles diseños para los ambiciosos proyectos de la start-up: impresoras 3D capaces de imprimir objetos en metal con suficiente rapidez para que la tecnología pueda aplicarse al diseño y fabricación de productos.

Desktop Metals ha recaudado casi 90 millones de euros de varios inversores y unidades de capital riesgo de empresas como General Electric, BMW y Alphabet. Entre los fundadores figuran cuatro destacados profesores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT, EEUU), incluido el director del departamento de Ciencias de Materiales y Emanuel Sachs, uno de los solicitantes de las primeras patentes de la impresión 3D en 1989. Aun así, a pesar de todo su dinero y experiencia, ninguno puede garantizar que la empresa tenga éxito en su objetivo de reinventar la fabricación de piezas metálicas y, por tanto, de transformar el mercado de la fabricación.

A medida que Fulop recorre este gran espacio de trabajo abierto, su emoción y entusiasmo van dejando paso a la ansiedad. Las impresoras comerciales finales aún no están listas. Los empleados están ocupados cacharreando con las máquinas, y los objetos de prueba que han producido están esparcidos por todas partes. Están logrando progresos, pero el reloj corre en su contra. En una esquina cerca de la entrada principal, la planta está totalmente vacía y acordonada; el espacio está reservado para alojar una maqueta del quiosco que la empresa montaría en una feria comercial.

Si tiene éxito, Desktop Metal ayudará a resolver un imponente reto que a los desarrolladores de la impresión 3D les ha resultado imposible de resolver durante más de tres décadas, lo que ha limitado mucho el impacto de la tecnología. De hecho, a pesar del considerable bombo y de algunos padrinos entusiastas, la impresión 3D ha resultado bastante decepcionante.

Los aficionados y fabricantes disponen de impresoras 3D relativamente asequibles para producir estructuras de plástico maravillosamente complejas e ingeniosas. Y algunos diseñadores e ingenieros han empleado las máquinas para imprimir maquetas de productos en potencia. Pero la impresión de piezas de plástico no tiene demasiadas aplicaciones en las fábricas, más allá de un par de productos especializados, como los audífonos personalizados y los implantes dentales.

Aunque ya es posible imprimir metales en 3D, de momento es caro y difícil. 

Aunque ya es posible imprimir metales en 3D, de momento es caro y difícil. Empresas de fabricación avanzada como GE utilizan máquinas muy caras con láseres de alta potencia especializados para fabricar piezas de alto valor (ver Fabricación aditiva de nuestra lista de tecnologías emergentes de 2013). Pero esto sólo está al alcance de empresas con millones de euros disponibles para invertir en equipos, instalaciones para alimentar los láseres y técnicos altamente cualificados para operarlo todo. Y aún no existe ninguna opción sencilla para aquellos que quieran imprimir varias iteraciones de una pieza de metal durante el proceso de diseño y desarrollo de producto.

Un colector hidráulico es procesado dentro de un horno por microondas, que emplea temperaturas de hasta 1.400 °C para sinterizar la pieza de acero. Resulta demasiado complejo fabricar una pieza así con métodos convencionales.

Un colector hidráulico es procesado dentro de un horno por microondas, que emplea temperaturas de hasta 1.400 °C para sinterizar la pieza de acero. Resulta demasiado complejo fabricar una pieza así con métodos convencionales. (Autor Grant Cornett)

Las limitaciones de la impresión 3D impiden que se cumpla el sueño de los que llevan años defendiendo la tecnología. Les gustaría crear diseños digitales, imprimir prototipos para probar y refinar, y después emplear el fichero digital de la versión optimizada para crear un producto comercial o una pieza del mismo material pulsando el botón de “imprimir”. Un proceso rápido y de calidad para imprimir piezas de metal sería un importante primero paso para hacer este sueño realidad.

Si se logra, los diseñadores tendrían más libertad para crear y probar partes y dispositivos con formas complejas que normalmente no pueden ser fabricados de forma fácil. Un ejemplo sería una celosía de aluminio o un objeto metálico con cavidades internas. Además, los ingenieros y los científicos de materiales podrían crear piezas con nuevas funciones y propiedades al combinar varios materiales, por ejemplo, imprimir un metal magnético junto a otro no magnético. Más allá de eso, el avance redefiniría la economía de la producción masiva, porque el coste de imprimir un objeto se mantendría, independientemente del número de objetos impresos. Cambiaría el tamaño de las fábricas, el inventario de repuesto necesario y el proceso de personalizar la fabricación para productos especializados.

Aunque el sueño no se haya cumplido todavía, la industria disputa una carrera para convertir la impresión 3D en una nueva manera de producir piezas. Algunos históricos proveedores de impresoras 3D, incluidos Stratasys y 3D Systems, están introduciendo máquinas cada vez más avanzadas, lo suficientemente rápidas para los fabricantes. El año pasado, HP introdujo una línea de impresoras 3D que afirma que permitirán prototipar y fabricar productos de nailon, un termoplástico ampliamente utilizado. Y el pasado otoño, GE gastó cerca de 1.000 millones de euros en dos empresas europeas especializadas en la impresión 3D de piezas metálicas.

Esta aspa de acero acaba de ser impresa. Entre las hojas de la hélice y la base de metal hay una delgada línea de cerámica, que se convertirá en arena durante el proceso de sinterizar, permitiendo así separar la pieza terminada de la base con facilidad. (Autor Grant Cornett)

 

Después de ser procesada, la hélice proporciona un ejemplo de una pieza de alto rendimiento que puede ser producida mediante la impresión 3D. Los ingenieros pueden emplear el método para prototipar y optimizar diferentes diseños.

Después de ser procesada, la hélice proporciona un ejemplo de una pieza de alto rendimiento que puede ser producida mediante la impresión 3D. Los ingenieros pueden emplear el método para prototipar y optimizar diferentes diseños. (Autor Grant Cornett)

Pero la competencia real para Desktop Metal no está en el número cada vez mayor de empresas de impresión 3D. Para empezar, las impresoras 3D de HP, Stratasys (un inversor de Desktop Metal) y 3D Systems pueden trabajar con varios tipos de plásticos, pero no con todo el abanico de metales que Fulop quiere para sus impresoras. Y las máquinas de gama alta de GE no tienen mucho que ver con las de Desktop Metal. En su lugar, los rivales más importantes para Desktop Metals son las tecnologías de procesamiento de metal ya establecidas, como el mecanizado automatizado (el método empleado para producir la carcasa posterior ultrafina de los iPhone) y una práctica cada vez más popular llamada moldeado de inyección de metal, una manera muy común de producir piezas metálicas en masa.

En otras palabras, en lugar de limitarse a superar a otras impresoras 3D, Desktop Metal quiere convencer a los fabricantes para que abandonen sus métodos de producción, es decir, los cimientos de sus negocios. Pero la propia existencia de este gran mercado es, precisamente, lo que le da interés a la idea. La fabricación de piezas de metal, según Fulop, “es una industria de casi 1.000 millones de euros”. Así que aunque la impresión 3D sólo consiguiera una pequeña parte de este pastel, su cuota de negocio sería de miles de millones de euros.

Actores claves de la impresión 3D

  • StratasysUna de las primeras empresas de impresión 3D, fue fundada por el inventor del método más común de imprimir piezas de plástico, el modelado por deposición fundida, Scott Crumb. Productos: Vende máquinas que pueden imprimir una variedad de materiales fotopolímeros y termoplásticos.

  • Carbon. Esta start-up de Silicon Valley (EEUU) ha desarrollado un novedoso proceso fotoquímico para fabricar piezas a partir de varios plásticos, incluido el poliuretano y el epoxídico. Productos: Esta primavera ha presentado un sistema modular para fabricantes.
  • HPSu línea de máquinas se aprovecha de la larga historia de la empresa con la impresión de inyección de tinta mediante lo que ha denominado “tecnología de fusión multi JET”. Emplea múltiples inyectores para una rápida impresión de alta resolución.

    Productos: Introdujo sus primeras impresoras 3D el año pasado. Las máquinas iniciales imprimen nailon, pero la empresa busca abarcar otros materiales.

  • 3D SystemsLa primera empresa de impresión 3D, 3D Systems, fue fundada por el inventor de la estereolitografía, Chuck Hull, que emplea luz para formar partes a partir de polímeros. Ahora ofrece varios tipos de impresoras 3D, incluidas algunas que imprimen partes metálicas.

    Productos: Introdujo la última iteración de la estereolitografía el año pasado.

Demasiado caliente para la impresión

Si mira a su alrededor, verá metal por todas partes. Pero a pesar del éxito de la impresión 3D con el plástico, la producción de metal  “ha estado muy limitada”, señala el director del departamento de ciencias de materiales e ingeniería del MIT, EEUU y cofundador de Desktop Metal, Chris Schuh. El experto matiza: “Procesar el metal es más un arte [que una ciencia]. Es un espacio muy desafiante“.

Fabricar objetos de metal mediante impresión 3D es difícil por varios motivos. El más obvio es la alta temperatura necesaria. La manera más común de imprimir plásticos requiere calentar polímeros y hacerlos fluir por los inyectores de la impresora. Entonces, el plástico entonces se endurece rápidamente, adquiriendo la forma deseada. El proceso tan sencillo que puede hacerse con impresoras 3D que cuestan cerca de 1.000 euros. Pero diseñar una impresora 3D que rocíe metales directamente no resultaría práctico, ya que el aluminio se funde a 660 °C, el acero rico en carbono a 1.370 °C y el titanio a 1.668 °C. Las piezas metálicas también han de pasar por varios procesos de alta temperatura para garantizar la fuerza esperada y otras propiedades mecánicas del producto final.

Para hacer una impresora lo suficientemente rápida como para fabricar de objetos de metal, Desktop Metal recurrió a una tecnología de data de finales de la década de 1980. Fue entonces que un equipo de ingenieros del MIT liderado por otro de los cofundadores de la empresa (Sachs) solicitó una patente para “técnicas de impresión tridimensional“. El texto describía un proceso que coloca una fina capa de polvo metálico y emplea la impresión de inyección de tinta para depositar un líquido que une el polvo de forma selectiva. El proceso, que debe repetirse en cientos o miles de capas para definir una pieza de metal, puede producir piezas con una complejidad geométrica prácticamente ilimitada. En la aplicación más común de la tecnología, el conglomerante actúa como un pegamento. No obstante, también puede ser utilizado para depositar localmente diferentes materiales en distintos puntos del área de impresión.

Los investigadores del MIT sabían que este método podría producir piezas de metal y cerámica, recuerda Sachs. Pero también sabían que era demasiado lento, y el coste de los polvos metálicos era exorbitante en ese momento. Sachs se centró en otras ideas, como proyecto para mejorar la fabricación de los dispositivos fotovoltaicos. Durante las siguientes décadas, la impresión 3D despegó y empezó a captar la atención de muchos diseñadores de producto. El caso más famoso es el de MakeBot, que introdujo una impresora 3D barata y fácil de usar en 2009, muy popular entre muchos aspirantes a inventor. Pero estas impresoras de bajo coste se toparon con la realidad de que sólo podían trabajar con un puñado de plásticos baratos. Además, aunque las máquinas son capaces de imprimir formas complejas, el producto final a menudo no tiene la misma calidad que una pieza de plástico fabricada mediante una tecnología convencional.

Un primer plano de una tuerca de mariposa.

Un primer plano de una tuerca de mariposa. (Autor Grant Cornett)

 

Desktop Metal imprimió el perno y la tuerca de mariposa por separado para demostrar que puede fabricar piezas con tolerancias muy estrechas.

Desktop Metal imprimió el perno y la tuerca de mariposa por separado para demostrar que puede fabricar piezas con tolerancias muy estrechas. (Autor Grant Cornett)

Mientras tanto, investigadores de industriales de empresas de fabricación como GE estaban ocupados con las tecnologías basadas en láseres inventadas a finales de la década de 1980 para imprimir metales. Estas máquinas emplean láseres (o en algunos casos rayos catódicos de gran potencia) para trazar formas dentro de una capa de polvos metálicos al fundir el material. Repetir el proceso permite construir un objeto tridimensional a partir de los polvos fusionados. La técnica tiene capacidades impresionantes, pero resulta lenta y cara. Solo merece la pena para piezas extremadamente valiosas pero demasiado complejas para fabricarse mediante otros métodos. De forma notable, el nuevo motor a reacción de GE emplea una serie de sofisticados inyectores de combustible impresos en 3D, que son más ligeros y mucho más resistentes porque incorporan una compleja red de canales de refrigeración.

Los fundadores de Desktop Metal decidieron que para que la impresión 3D de metales fuera más accesible, tendrían que comercializar dos tipos distintos de máquinas: un modelo relativamente asequible de “sobremesa” apto para diseñadores e ingenieros que fabrican prototipos, y otro lo suficientemente rápido y grande para fabricantes. Afortunadamente, varias innovaciones han conseguido que el invento original de Sachs sea útil para la fabricación en masa. Al imprimir sucesivamente unas 1.500 capas, cada una de unos 50 micrómetros de grosor en cuestión de pocos segundos, la impresora a escala de producción puede producir una pieza de un volumen de ocho litros cada hora. Es unas 100 veces más rápido de lo que tarda una impresora 3D basada en láseres.

Para su máquina de prototipado, Desktop Metal adoptó un método de la impresión 3D de plásticos. Pero en lugar de un polímero reblandecido, utiliza polvos metálicos mezclados con un conglomerante de polímero fluido. La fórmula sale a chorros, utilizando el conglomerante impreso para fusionar el polvo metálico para producir las formas deseadas.

Sin embargo, tanto si la pieza es impresa por la máquina de prototipado como por el modelo de producción, el objeto resultante (parte conglomerante de plástico y parte metal) carece de la fuerza del metal. Así que debe introducirse en un microondas especialmente diseñado para aplicarle un calor que aumente la densidad del material, produciendo así una pieza con las propiedades deseadas. En una serie de pasos cuidadosamente calibrados durante el proceso, el calor quema y elimina el polímero y después el metal se fusiona a una temperatura muy por debajo de su punto de fundición.

El discurso de ventas

Los defensores de la impresión 3D defienden que la tecnología reducirá la dependencia de los fabricantes industriales y empoderará a los productores artesanales locales. Probablemente lo que suceda será muy distinto, pero igual de importante. Muchos sectores de producción industrial están empleando cada vez más la automatización y el software avanzado, y la impresión 3D potencia este continuo desplazamiento hacia la fabricación digital. En algunos sentidos, no se diferencia demasiado de un proceso de mecanizado automático que se basa en un fichero digital para producir una pieza metálica. Pero la impresión 3D ofrece maneras de producir objetos mucho más complejos y elimina muchas de las limitaciones que el proceso de producción impone a los diseñadores e ingenieros

Los fabricantes tendrán más opciones para innovar sus estrategias de logística y producción. Para cantidades relativamente pequeñas de un artículo, la impresión 3D podría ser la opción más barata, ya que elimina muchos costes. El tiempo y dinero son los dos motivos por los que la fabricación masiva es a menudo imprescindible para generar beneficios. Sin esa obligación de producir en masa, las fábricas podrían ajustar los horarios de producción y ajustarse más a la demanda, acercándose aún más a la fabricación en el momento. El profesor de ingeniería mecánica del MIT y otro cofundador de Desktop Metal, John Hart, la llama producción masiva personalizada. En lugar de disponer de grandes fábricas que producen una enorme cantidad de piezas idénticas que se enviarán por todo el mundo, los fabricantes podrían mantener fábricas repartidas que produzcan un diverso conjunto de productos, y escalar la producción a demanda. Hart afirma: “Las implicaciones dentro de una década o dos probablemente se escapan a nuestra imaginación. No creo que sepamos realmente lo que haremos con estas tecnologías”.

Por ahora, el reto para Desktop Metal consiste en colocar sus equipos en manos de diseñadores e ingenieros responsables de la próxima generación de productos de sus empresas. Este invierno, Fulop estaba preparando una presentación de su primer producto, la máquina de prototipado, para una feria industrial que se celebró en Pittsburgh (EEUU) a principios de mayo. (El lanzamiento de la impresora 3D de producción está planificado para el año que viene). Su objetivo era convencer a los asistentes de que gastarse 108.000 euros en la impresora de prototipos y horno de sinterizado de Desktop Metal será esencial para el futuro de sus empresas.

Una de las ventajas claves de la impresión 3D es su capacidad de producir estructuras complejas, incluidas celosías internas dentro de una pieza de metal. Tales estructuras podrían ser empleadas para producir piezas más ligeras y resistentes.

Una de las ventajas claves de la impresión 3D es su capacidad de producir estructuras complejas, incluidas celosías internas dentro de una pieza de metal. Tales estructuras podrían ser empleadas para producir piezas más ligeas y resistentes. (Autor Grant Cornett)

Fulop está muy capacitado para esta labor de ventas. Ha fundado más de media docena de empresas, empezando por una que importaba hardware y software informático que creó cuando tenía 16 años y aún vivía en su país natal, Venezuela. Pero probablemente sea más conocido por fundar A123 Systems, una empresa de baterías que fue una de las start-ups más exitosas durante finales de la década de 2000, y que logró una OPI de 332 millones de euros en 2009. La empresa se basó en una novedosa tecnología de iones de litio desarrollada por el profesor del MIT y también cofundador de Desktop Metals Yet-Ming Chiang. Al igual que su actual start-up de impresión 3D, A123 esperaba aplicar conocimientos de ciencia de materiales para revolucionar un mercado enorme.

También podría llevar a los fabricantes a modificar sus estrategias de logística y producción.

Aunque A123 disfrutó de un rápido crecimiento y una OPI altamente exitosa, la empresa se declaró en bancarrota en 2012 (aunque Fulop la había abandonado 2010). Al preguntarle por la lección aprendida de A123, se limitó a decir: “Las baterías son un mercado de márgenes bajos”. Efectivamente, a A123 le costó competir en un negocio de baterías cada vez más abarrotado, y no ofreció una mejora de rendimiento lo suficientemente amplia frente a las baterías de iones de litio establecidas.

Los retos a los que se enfrentará Desktop Metal serán muy distintos. Ya existe un enorme mercado de piezas metálicas. Y la start-up cree que su tecnología tendrá pocos rivales directos, al menos a corto plazo. Chiang considera que el portfolio de patentes de la start-up es “realmente rico”. El experto detalla: “No son solo los materiales; son las técnicas, es el horno [de sinterizado]. Cuanto más difícil sea la tecnología, más alta es la barrera de entrada que construyes si triunfas”.

En su despacho, Chiang tiene una caja de madera que contiene media docena de espadas, un préstamo del Museo de Bellas Artes de Boston (EEUU), que fueron hechas durante la década de 1970 mediante tradicionales técnicas japonesas. Chiang las utiliza durante sus clases. La lección: cómo los artesanos empleaban los secretos de la metalurgia para convertir el mineral de hierro en un producto final, una espada ultra afilada y ligeramente curvada de acero. Con una en la mano, Chiang señala algunos detalles y explica los trucos empleados por sus fabricantes, como el método del baño de enfriamiento empleado para generar un filo extremadamente duro y cuerpo más blando. De vuelta a su mesa, con la atención centrada en Desktop Metal de nuevo, mantiene su entusiasmo mientras describe los objetos metálicos impresos de la empresa que están expuestos en sus instalaciones. Para Chiang, lo más emocionantes es “la idea de que realmente podemos fabricar estas piezas”. El investigador detalla: “Unas pocas horas, y tienes una pieza que antes ni siquiera podías fabricar”.

La impresión 3D de metales nunca sustituirá técnicas centenarias de producción como la forja, pero podría generar nueva posibilidades dentro de la fabricación, y tal vez reimaginar el arte de la metalurgia.   

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