Fabricación aditiva
Monitoreo acústico: ¿Es la clave para comercializar la fabricación aditiva basada en láser?
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El mercado de la fabricación aditiva está en auge. Según estimaciones de investigación de la industria indican, el mercado mundial de fabricación aditiva de metales y polímeros, con una valoración de 7,17 mil millones de euros en 2020, se espera que se expanda a 19,23 mil millones de euros para 2026. Esta trayectoria de crecimiento sugiere un aumento de casi tres veces en un lapso de seis años.
Una variedad de industrias están aprovechando la fabricación aditiva para alcanzar sus objetivos de producción. Notablemente, los informes indican que los sectores aeroespacial, de turbinas y helicópteros lideran la iniciativa, ocupando la mayor participación. Le sigue de cerca una adopción significativa dentro de la industria médica.
Con el crecimiento del tamaño del mercado y una gama cada vez mayor de aplicaciones, la fabricación aditiva se ha diversificado extensamente, tanto en forma como en aplicabilidad. Un desarrollo notable dentro de este ámbito es la fabricación aditiva basada en láser. En las siguientes secciones, profundizaremos en su potencial comercial y el papel significativo que el monitoreo acústico podría desempeñar en su aplicación exitosa.
Sin embargo, antes de explorar estos aspectos en mayor profundidad, es importante comprender primero qué implica realmente la fabricación aditiva basada en láser.
¿Qué es la fabricación aditiva basada en láser?
El MIT Sloan School of Management define la fabricación aditiva como el “proceso de crear un objeto construyéndolo capa por capa. Es lo opuesto a la fabricación sustractiva, en la que un objeto se crea cortando un bloque sólido de material hasta que el producto final está completo.”
Según la definición, la fabricación aditiva puede significar cualquier proceso de crear un producto construyendo algo. Pero, en la práctica, se refiere a la impresión tridimensional.
Si observamos la historia de la impresión 3D, comenzó en 1977 cuando Wyn Kelly Swainson patentó el uso dirigido de láser sobre una bandeja sumergida en plástico líquido, fusionando una capa de plástico sólido en la parte superior. En 1999, investigadores del Wake Forest Institute for Regenerative Medicine imprimieron en 3D una vejiga. Resultó ser el primer órgano impreso en 3D en la historia humana. El primer mueble funcional impreso en 3D surgió en 2005. Un uso industrial a mayor escala de la impresión 3D se dio cuando Boeing lanzó sus piezas de titanio impresas en 3D, aprobadas por la FAA, para el Dreamliner 787.
Desde los inicios de la fabricación aditiva, los láseres han sido un componente crucial. Laser Systems Europe, una publicación con sede en Cambridgeshire para integradores y usuarios de sistemas láser industriales para el procesamiento de materiales, define la fabricación aditiva láser como un proceso donde “un haz láser se utiliza para fundir o derretir capas sucesivas de alambre o polvo material para crear un objeto 3D.”
La tecnología se aplica a una variedad de materiales, incluyendo aleaciones metálicas de alta resistencia, termoplásticos y resinas. Es capaz de crear formas complejas con un nivel significativo de precisión.
A medida que la tecnología avanza, los láseres están destinados a desempeñar un papel crucial en dar forma a nuestro futuro. Su aplicación se encuentra ampliamente en los campos de la comunicación, defensa, salud, energía limpia/fusión nuclear y más. Lo mismo ocurre con la fabricación aditiva basada en láser, ya que también tiene aplicaciones diversas y muchas ventajas.
Tipos y ventajas de la fabricación aditiva basada en láser
La fabricación aditiva basada en láser puede ser de diferentes tipos, incluyendo fusión de lecho de polvo, deposición de energía directa, chorro de material, laminación de láminas y estereolitografía.
Una de sus ventajas más definitorias radica en su capacidad para ayudar a crear estructuras complejas con geometrías optimizadas. Las técnicas convencionales de fabricación aditiva no logran alcanzar este nivel de precisión.
La precisión que ofrece la fabricación aditiva basada en láser ayuda a reducir la necesidad de post-procesamiento. Reduce al mínimo el desperdicio de material y disminuye drásticamente el consumo de energía en comparación con lo que requieren los procesos de fabricación tradicionales.
Los procesos de fabricación aditiva basada en láser son fáciles de automatizar y personalizar según la necesidad exacta. Las propiedades de precisión y automatización del método se combinan para convertirlo en una solución eficiente para el prototipado rápido a costos notablemente más bajos.
Dado que la fabricación aditiva basada en láser no requiere ensamblaje, puede crearse exactamente de acuerdo con la demanda, donde el proceso utiliza solo los materiales necesarios sin exceso ni desperdicio. También beneficia al medio ambiente al reducir la huella de carbono generada por la logística, el transporte y los esfuerzos de gestión de residuos.
Áreas de aplicación de la fabricación aditiva basada en láser
La aplicación de la fabricación aditiva láser tiene un amplio alcance. En la industria aeroespacial, por ejemplo, es fundamental para crear piezas que sean tanto de alto rendimiento como ligeras. Los beneficios de esta tecnología también se extienden a la industria automotriz, donde se utiliza para producir componentes esenciales para motores, transmisiones, sistemas de escape y frenos.
Además, la fabricación aditiva láser tiene un papel significativo en la atención sanitaria, particularmente en la creación de diseños complejos personalizados para pacientes. Esto incluye una variedad de soluciones protésicas como implantes de cadera y rodilla e implantes dentales.
En el ámbito de la electrónica, la precisión de la fabricación aditiva láser se aprovecha para crear PCBs de alta precisión. Esta precisión permite la producción de productos electrónicos con características más finas, incluyendo antenas, sensores y transistores.
El potencial de la tecnología también es evidente en su aplicación en la fabricación de sistemas microelectromecánicos (MEMS). Aquí, facilita la creación de componentes intrincados como acelerómetros y giroscopios.
En el sector energético, la fabricación aditiva láser resulta beneficiosa para la reparación de piezas de turbinas de gas y eólicas. También desempeña un papel crítico en la fabricación de componentes como impulsores, válvulas e intercambiadores de calor. Pero a pesar del potencial de uso multifacético de la fabricación aditiva láser, aún no se ha comercializado adecuadamente.
Fabricación aditiva láser: falta de comercialización
Un estudio de 2016 profundizó en el análisis empírico de los niveles de comercialización de la fabricación aditiva láser. Esta investigación estimó que el tamaño del mercado global de láseres industriales, que abarca todas las fuentes de láser, era de alrededor de US$3.3 billion. Y dentro de este amplio mercado, las fuentes de láser aditivo representaban solo una porción de US$100 million. En términos porcentuales, las fuentes de láser constituían apenas el 3 % del valor total del mercado.
Los números también pueden corroborarse con información cualitativa recibida de fuentes de la industria. Por ejemplo, en la industria aeroespacial, el entorno regulatorio mantuvo el uso de la fabricación aditiva láser mayormente limitado al prototipado y no pudo desplegarse en aviones comerciales. De manera similar, en la industria automotriz, el uso certificado de piezas de fabricación aditiva láser solo ha comenzado recientemente.
El crecimiento inminente de la fabricación aditiva láser, por lo tanto, dependerá de encontrar su uso en grandes industrias manufactureras. Además, deberá estar impulsado por innovaciones que articulen su potencial de manera más prominente que antes.
Monitoreo acústico: un cambio de juego para la fabricación aditiva láser
Una razón fundamental por la cual la fabricación aditiva basada en láser no ha ganado el impulso que podría haber tenido está vinculada al desafío de defectos inesperados. Estos defectos a menudo no son detectables mediante métodos tradicionales, como la termografía y los algoritmos de aprendizaje automático.
Por lo tanto, la capacidad de detectar eficientemente los defectos en tiempo real es crucial. Esta capacidad puede ayudar significativamente a la fabricación aditiva láser a alcanzar su verdadero potencial comercial.
Para explicarlo brevemente, el método de monitoreo acústico para detectar defectos en la fabricación aditiva láser es una solución en tiempo real que funciona basándose en la diferencia del sonido que la impresora produce durante una impresión perfecta y una impresión con fallas e irregularidades.
“Nuestra investigación no solo confirma su relevancia, sino que también subraya su ventaja sobre los métodos tradicionales.”
El proceso es rentable, especialmente cuando se trata de mejorar la calidad de los productos fabricados mediante Fusión de Lecho de Polvo Láser (LPBF). En el proceso de Fusión de Lecho de Polvo Láser, una capa de polvo se extiende sobre una plataforma de construcción. Luego, el haz láser se utiliza para fundir selectivamente el polvo en áreas específicas. Después de que la fusión se completa, resultando en un objeto sólido, se vuelve a extender una nueva capa de polvo encima para repetir el proceso. Esta repetición capa por capa continúa hasta que se logra el producto final.
Haga clic aquí para la lista de las principales acciones de fabricación aditiva e impresión 3D.
La tecnología de detección de defectos mediante monitoreo acústico
El equipo de la EPFL diseñó la solución en colaboración con el Instituto Paul Scherrer (PSI) y los Laboratorios Federales Suizos de Ciencia y Tecnología de Materiales (Empa).
Para cumplir su objetivo, el equipo instaló micrófonos ultra sensibles dentro de la cámara de impresión. Estos micrófonos ayudaron a detectar cambios distintivos en la señal acústica durante los cambios de régimen y, finalmente, ayudaron a identificar defectos de fabricación.
La investigación aportó valor al campo de la fabricación aditiva láser, ya que los investigadores creen que sus hallazgos impactarán significativamente las aplicaciones industriales de la fabricación aditiva láser, incluidas las áreas aeroespacial y de fabricación de precisión.
Reflexionando sobre las implicaciones más amplias, muchas empresas involucradas en la fabricación aditiva láser ofrecen una variedad de productos y soluciones. Estas compañías ahora están preparadas para explorar el estudio más a fondo …
Y en los siguientes segmentos, veremos a algunos de estos innovadores y líderes actores de la fabricación aditiva láser.
Principales empresas que comercializan la fabricación aditiva basada en láser
#1. IPG Photonics Corporation
Dos de los procesos de fabricación aditiva láser emplean láseres IPG: LMD o Deposición de Metal con Láser y SLM o Fusión Selectiva con Láser. Mientras que SLM es fundamental para producir piezas metálicas totalmente densas con propiedades mecánicas mejoradas, el proceso LMD utiliza una boquilla para alimentar coaxialmente polvo al punto focal del láser, facilitando la producción de componentes metálicos funcionales totalmente densos.
En la mejora de estos procesos, los láseres de fibra IPG juegan un papel crucial. Son fundamentales para desarrollar sistemas y procesos que logren tasas más rápidas de acumulación o deposición de polvo, especialmente a niveles de potencia de varios kilovatios.
La gama de materiales compatibles con el proceso de fabricación aditiva láser de IPG es notablemente diversa, incluyendo, pero sin limitarse a:
- Polímeros
- CoCr
- Aluminio
- Aleaciones de Ti
- Acero inoxidable
- Acero para herramientas
IPGP Gráfico de precios
Demostrando el éxito de estos avances tecnológicos, IPG Photonics Corporation (IPGP ) informó resultados financieros sólidos para el año que finalizó el 31 de diciembre de 2022. La empresa registró unos ingresos superiores a US$1.4 mil millones, con una utilidad neta atribuible a IPG Photonics Corporation por acción ordinaria (básica) de US$2.17.
#2. Laser Melting Innovations (LMI)
Un proveedor innovador de soluciones de fabricación aditiva láser, LMI, trabaja con la visión de hacer la tecnología accesible a empresas de todo tipo y tamaño.
Su producto estrella, The Alpha 140, utiliza un láser de fibra refrigerado por aire con una potencia de 200 W, compatible con el procesamiento de acero inoxidable, aleaciones de níquel, aleaciones de acero para herramientas y aleaciones de aluminio. Su diámetro de enfoque de 140 µm ayuda a producir salidas precisas con detalles finos y paredes delgadas. Su sistema de ejes accionado por husillo ayuda a obtener una alta precisión de posicionamiento y repetibilidad.
Las dimensiones de 1,75 m × 0,95 m del sistema permiten una eficiencia espacial tanto en entornos como en laboratorios de investigación. Los componentes producidos por el Alpha 140 son comparables a los fabricados por las máquinas LPBF convencionales en resistencia y densidad.
LMI se fundó en 1996 y, en 2020, estableció una colaboración con Kurtz Ersa, un fabricante de máquinas que también ofrece soluciones de fabricación aditiva a industrias como la automotriz, médica y aeroespacial, para comercializar el Alpha 140 a través de la red de distribución mundial de Kurtz Ersa con servicio 24 horas.
#3. Prima Additive
Prima Additive, una división de Prima Industries (PRIMAIN.BO ) spa, ofrece soluciones de Fusión de Lecho de Polvo Láser (LPBF) o Fusión Selectiva con Láser que aprovechan la energía térmica del láser para fundir la sección de un objeto a una capa de polvo metálico.
Las soluciones láser de Prima Additive demuestran ser efectivas al trabajar con geometrías complejas, sistemas de producción de lotes pequeños y prototipos. Cuenta con cinco soluciones en total.
El Print Sharp 150 es eficaz en aplicaciones de I+D para procesar una variedad de materiales, como acero, aluminio, níquel, titanio y aleaciones de cobalto cromo.
Pasando a otro modelo, el Print Genius 150 se distingue por la versatilidad de su tecnología multíláser. En contraste, la variante Print Green 150 utiliza un láser verde, que es particularmente útil para procesar cobre puro, aleaciones de cobre y materiales altamente reflectantes.
Y para operaciones a mayor escala, la solución 300 Family se adapta perfectamente. Está diseñada para escenarios de alta productividad y es ideal para la fabricación de componentes de tamaño medio y grande.
Por último, el Print Genius 400 ofrece una opción altamente automatizada para producir componentes grandes de hasta 1 metro de altura.
En términos de ingresos, Prima Industries Spa, la empresa matriz de Prima Additives, registró unos ingresos netos de más de 327 millones de euros para los nueve meses que terminaron el 30 de septiembre de 2022. Esto representó un aumento considerable respecto a los ingresos de más de 281 millones de euros registrados para los nueve meses que terminaron el 30 de septiembre de 2021.
El futuro de la fabricación aditiva láser con monitoreo acústico y más
Con la continuidad de las innovaciones, es solo cuestión de tiempo antes de que la fabricación aditiva láser alcance su verdadero potencial comercial. Mientras tanto, el monitoreo acústico se presenta como una herramienta crucial. Esta tecnología contribuirá a que las técnicas de fabricación sean más consistentes. Al detectar defectos temprano y facilitar su corrección, está preparada para mejorar significativamente la calidad del producto en un futuro próximo.
