Fabricación aditiva
¿Son posibles los coches impresos en 3D? Nuevos desarrollos arrojan luz sobre una respuesta
La impresión 3D ha capturado la imaginación de una variedad de industrias en todo el mundo. También conocida como fabricación aditiva, la impresión 3D ha sido acertadamente denominada una de las tecnologías más definitorias de nuestro tiempo. A diferencia de las tecnologías de fabricación tradicionales, es un método que puede construir objetos 3D de casi cualquier tipo en capas. Para lograr esto, la tecnología aprovecha el diseño asistido por computadora (CAD) y una amplia gama de materiales, como metal, plástico, hormigón o papel.
La versatilidad que aporta a los fabricantes que operan globalmente para optimizar costos y tiempos en sus flujos de producción lo convierte en un candidato principal para una adopción exponencial en breve. Según estimaciones, el tamaño global del mercado de productos y servicios de impresión 3D podría crecer de US$12.6 mil millones en 2020 a US$37.2 mil millones en 2026. Para 2030, el número de dispositivos de fabricación aditiva e impresión 3D en todo el mundo podría alcanzar los 2,8 millones.
Tal fuerte crecimiento haría que la impresión 3D fuera prácticamente ubicua. Por lo tanto, todos se preguntan: ¿Puede la impresión 3D volverse adecuada para el sector automotriz, una industria donde la precisión de fabricación es inmensamente valorada y apreciada? Para decirlo más directamente, ¿es posible imprimir coches en 3D? Discutiremos las posibilidades en los segmentos que siguen.
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Avance de la Universidad de Tohoku en la Técnica de Impresión 3D Multi-Material
El Instituto de Investigación de Materiales y Centro de Incubación de Creación de Nuevas Industrias de la Universidad logró algo de vanguardia. Los investigadores demostraron el proceso para crear una pieza automotriz ligera pero duradera a través de una técnica de impresión 3D multi-material.
Fuente: Tohuku University
Aquí, debemos observar más de cerca el fenómeno de las técnicas de impresión 3D multi-material. Las estructuras multi-material, como su nombre indica, combinan estratégicamente diferentes materiales para un rendimiento óptimo de un componente. Más importante aún, pueden ser creadas a través de la impresión 3D.
Al explicar la aparición de esta técnica, el Profesor Asociado Kenta Yamanaka de la Universidad de Tohoku dijo:
“Los multi-materiales son un tema candente en el campo de la fabricación aditiva debido a su flexibilidad de proceso.”
Sin embargo, también mencionó las limitaciones que la tecnología conlleva. Según él:
“Para ciertas combinaciones de metales, como acero y aluminio, pueden formarse compuestos intermetálicos frágiles en las interfaces de metales disímiles. Por lo tanto, aunque el material ahora es más ligero, termina siendo más frágil.”
El aspecto más relevante de esta investigación fue que los científicos intentaron resolver este cuello de botella produciendo una aleación de acero-aluminio que, a pesar de ser ligera, no comprometía la resistencia.
El objetivo se logró utilizando Laser Powder Bed Fusion (L-PBF), una de las principales tecnologías de impresión 3D de metal que emplea un láser para fundir selectivamente polvos metálicos. Los investigadores descubrieron que aumentar la velocidad de escaneo del láser podía suprimir significativamente la formación de compuestos intermetálicos frágiles (como Al5Fe2 y Al13Fe4). Propusieron que esta mayor velocidad de escaneo podría conducir a lo que se llama solidificación no equilibrada, lo que minimiza la partición de solutos que generaba puntos débiles en el material. El resultado final fue un producto que tenía interfaces de unión fuertes.
Al explicar el valor de comprender este mecanismo de aleación in situ, la Profesora Asistente Seungkyun Yim, de la Universidad de Tohoku, dijo:
“En otras palabras, no puedes simplemente juntar dos metales y esperar que se adhieran sin un plan.”
Aunque los hallazgos de los investigadores de la Universidad de Tohoku puedan sonar técnicos y de alto nivel, tienen grandes implicaciones en el campo aplicado de la fabricación automotriz. En resumen, los investigadores pudieron prototipar el primer componente automotriz multi-material a escala completa del mundo (torre de suspensión) con una geometría a medida. De cara al futuro, los hallazgos podrían impactar otras combinaciones de metales donde se necesite mejorar la unión.
Si bien esta investigación abre nuevos horizontes para la industria automotriz, el uso de la impresión 3D en este ámbito no es nuevo.
Impresión 3D para Prototipos Más Rápidos y Componentes o Piezas Rediseñadas
Los expertos de la industria dicen que 3D printing has already been used to expedite prototype creation, redesign selected parts and components, and even substitute them. But with time, the use of 3D printing has moved beyond its initial realm to venture into manufacturing prototypes and producing low-volume, customized 3D-printed trim pieces in some current vehicles.
Según Robert Wilig, director ejecutivo, CEO, SME, anteriormente Society of Manufacturing Engineers:
“A medida que la industria automotriz se dirige hacia plataformas híbridas o incluso electrificadas centradas en la ligereza, la fabricación aditiva encaja tan bien porque permite crear diseños eficientes de manera realmente eficaz.”
En lugar de tres piezas, que podrían haber sido el requisito anteriormente, la impresión 3D ahora permite optimizar el diseño en una sola pieza, colocando material solo donde se necesita para hacerlo más ligero, más fuerte y más flexible.
Según Dallas Martin, ingeniero de fabricación aditiva en Toyota Motor North America:
“La integración de la impresión 3D en la fabricación de herramientas y plantillas ha mejorado la eficiencia y flexibilidad de la línea de producción.”
Una revisión de la investigación realizada en este campo hasta ahora sugiere que la impresión 3D podría revolucionar la industria automotriz al hacer los diseños más flexibles, la creación de prototipos más rápida y la reducción de desechos más eficiente. Esto podría lograrse manteniendo la producción ligera. Los investigadores citaron estas razones como impulsores del creciente inversión de los fabricantes de automóviles en técnicas de fabricación aditiva.
Mientras exploraremos algunas empresas pioneras activas en este campo en los próximos segmentos, los investigadores han señalado más oportunidades para la fabricación aditiva en soluciones sostenibles y verdes, particularmente en el avance de sistemas de baterías y coches eléctricos. La impresión 3D podría resultar útil para generar accesorios de baterías resistentes al calor que mejoren la disipación de calor y la refrigeración de la batería. También se ve como una solución prometedora para la fabricación de baterías de estado sólido de litio.
En los próximos segmentos, analizaremos casos de uso donde fabricantes automotrices reconocidos están desarrollando soluciones efectivas.
1. Toyota (TM )
En julio de 2024, se publicaron informes de Toyota que presentaban coches concepto Hyper-F con piezas impresas en 3D. Un veterano en este campo, Toyota, a través de TCD Asia (Toyota Customizing & Development), ya involucrado en la producción de accesorios vehiculares para varios modelos Toyota, reveló un concepto SUV de alto rendimiento que cuenta con piezas impresas en 3D y materiales de vanguardia. Esto solo fue posible gracias a colaboraciones con las empresas japonesas Mitsui Chemicals y ARRK Corporation.
Los informes sugieren que el coche concepto Hyper-F de Toyota se basa en el Toyota Fortuner, desarrollado por TCD Asia. Aprovechando la experiencia técnica avanzada de Mitsui Chemicals, Toyota utilizó la impresión 3D con pellets para producir piezas a partir de gránulos plásticos a bajo costo, reduciendo los tiempos de desarrollo y los costos de inversión.
La compañía afirmó que estas piezas impresas en 3D son particularmente estables y están listas para imprimirse en piezas de gran formato. Para el coche concepto Hyper-F de Toyota, los componentes impresos en 3D adornan los paneles de los conductos de aire del capó.
Antes de esto, se informó que Toyota también había colaborado con Solize, un socio en ingeniería de desarrollo de productos global y proveedor de servicios de ingeniería, para imprimir piezas de repuesto de coche en 3D bajo demanda. Más específicamente, Toyota utilizó la impresión 3D de fusión multi‑jet para crear piezas de stock antes de venderlas junto a repuestos producidos tradicionalmente. Otro gigante tecnológico global, HP, suministró las impresoras a Toyota.
Mientras hablaba sobre el interés de la industria automotriz en aprovechar la impresión 3D, Nobuki Okado, MD de HP Japón, dijo:
“Cada día vemos una creciente tracción y aplicaciones de impresión 3D más maduras en muchas industrias diferentes a nivel global, especialmente en el automotriz. Los principales fabricantes de automóviles como Toyota Motor Corporation están demostrando el poder de la impresión 3D para el diseño flexible, la rapidez al mercado y el impacto sostenible.”
Además de HP, Toyota ha aprovechado varias soluciones de otras compañías para perfeccionar y mejorar sus ofertas automotrices en 3D. Por ejemplo, la empresa ha trabajado con Materialise para desarrollar un asiento de coche impreso en 3D ultraligero. Ha invertido en I+D de la tecnología co‑desarrollando Somos Taurus junto a DSM, un material que se dice ideal para aplicaciones automotrices por su temperatura de deflexión térmica de 95 °C. La empresa tiene el ala de impresión 3D nombrada en su honor en la Universidad de Waterloo.
(TM
)
En mayo de 2024, Toyota Motor Corporation publicó su informe FY 2024 para el período del 1 de abril de 2023 al 31 de marzo de 2024. La compañía registró ingresos por ventas de 45,095,325 millones de yenes y un ingreso operativo de 5,352,934 millones de yenes.
2. General Motors (GM )
En 2022, quizás el jugador automotriz más conocido del mundo informó haber ido más allá de los prototipos y piezas de bajo volumen en su uso de la impresión 3D o fabricación aditiva. El mayor fabricante de automóviles de los Estados Unidos imprime herramientas personalizadas para los operarios de planta, haciendo sus trabajos más seguros y productivos.
El romance de General Motors con la impresión 3D se remonta a 1989 cuando instaló una de las primeras impresoras 3D, una máquina de estereolitografía con el número de serie “3”, en el campus del Warren (Michigan) Tech Center cerca de Detroit.
Según Ali Shabbir, engineering group manager at GM for industrializing additive manufacturing:
“A medida que la tecnología, las resistencias de los materiales, la disponibilidad de metales comenzaron a realmente despegar, los ejecutivos dijeron: ‘Sabes qué, esto es algo a lo que realmente debemos prestar atención, así que pongamos un pequeño equipo en esto para explorar realmente lo que se podría hacer.'”
En 2019, GM abrió su Additive Innovation Lab (AIL), una instalación de 4,000 pies cuadrados en el Cole Engineering Center del Global Technical Center.
Según Ali Shabbir, este laboratorio era la joya de la corona del programa de educación aditiva de GM. Era un espacio maker DIY y centro de aprendizaje donde los empleados podían aprender a diseñar y configurar construcciones aditivas y el post‑proceso de piezas.
Entre los muchos ejemplos de GM desplegando con éxito la impresión 3D o fabricación aditiva en la industria automotriz, algunos destacan. Por ejemplo, en 2020, la compañía imprimió en 3D el 75 % de las piezas de su prototipo no operativo (no del vehículo de producción) del primer Chevrolet Corvette C8 2020, permitiendo a los ingenieros estudiar el proceso de ensamblaje final e identificar desafíos de producción.
Ese año, la compañía produjo piezas aditivas para la temporada de carreras del Corvette C8.R, INDYCAR, NASCAR Camaro y equipos de carreras Silverado.
En 2021, a través de su asociación con GKN Additive Forecast 3D, la compañía imprimió 60,000 sellos flexibles de “spoiler closeout” para completar 30,000 Chevrolet Tahoe SUV en cinco semanas. El modo tradicional de producción —moldeo por inyección— podría haber llevado mucho más tiempo, hasta 10 semanas.
GM también incorporó piezas impresas en 3D, incluidos dos conductos HVAC y un soporte de arnés eléctrico, en los vehículos Cadillac CT4‑V y CT5‑V Blackwing. En octubre de 2022, anunció lo más ambicioso hasta ahora: el Cadillac CELESTIQ EV de $300,000, que usaría extensamente la fabricación aditiva de metal para personalizaciones bajo pedido.
(GM
)
Según su informe anual para el año fiscal que terminó el 31 de diciembre de 2023, GM reportó ingresos de $171.8 mil millones, ingreso neto atribuible a los accionistas de $10.1 mil millones y EBIT ajustado de $12.4 mil millones.
3. Daimler Truck
Daimler Truck Holding AG es uno de los mayores fabricantes de vehículos comerciales del mundo. Con más de 40 sitios de producción en todo el mundo y más de 100,000 empleados, ofrece camiones ligeros, medianos y pesados, autobuses urbanos e interurbanos, autocares y chasis de autobús.
La compañía afirma haber beneficiado enormemente de su innovadora tecnología de impresión 3D. Sus casi 30 años de experiencia en la construcción de prototipos mediante impresión 3D se han transferido ahora a la producción en serie con altos estándares de calidad. Usando la impresión 3D, la división de autobuses de Daimler puede reaccionar rápida, flexible, económica y ambientalmente a requisitos urgentes de clientes, incluyendo la producción de componentes especiales como cubiertas, manijas y una diversa gama de soportes individuales.
El “Centro de Competencia para la Impresión 3D” de Daimler comenzó a examinar en detalle más de 300,000 repuestos actuales de autobús para determinar su idoneidad como piezas impresas en 3D en 2019. La compañía cuenta ahora con una rama completa de Soluciones de Fabricación Aditiva que ha llevado a una reducción de hasta el 80 % en el tiempo de adquisición, ha identificado más de 7,000 componentes potenciales para impresión 3D y ha creado un portafolio de más de 400 repuestos aprobados que podrían imprimirse en 3D.
Según Ralf Anderhofstadt, jefe del Centro de Competencia para la Fabricación Aditiva, Impresión y Medios en Daimler Buses, las actividades de la compañía en el campo de la fabricación aditiva, el “inmenso potencial de la tecnología a lo largo de toda la cadena de valor se ha hecho evidente paso a paso.” Como ve Ralf, las oportunidades para el negocio de Daimler, así como para sus clientes, van desde el potencial de ahorro hasta nuevos modelos de negocio.
En 2023, Daimler Truck reportó un ingreso de 55,890 millones de euros, un aumento significativo respecto a su cifra de 2022 de 50,945 millones de euros.
Perspectivas Futuras
La opinión sigue dividida sobre si la impresión 3D tomará completamente el control de la fabricación de automóviles en el futuro. Según Robert Willig, director ejecutivo, CEO, SME, anteriormente Society of Manufacturing Engineers, podría no haber una ‘fábrica gigantesca con algo más que impresoras.’
Sin embargo, según Luke Czinger, cofundador y COO de Divergent Technologies, que actualmente trabaja con seis fabricantes de automóviles, incluidos Mercedes‑Benz, Aston Martin, Bugatti y McLaren, la impresión 3D, principalmente de componentes de suspensión y refuerzo, tiene atributos de los materiales impresos en 3D que pueden mejorar el rendimiento de los vehículos eléctricos.
“La historia de los vehículos eléctricos es convincente por la autonomía. Si puedes ahorrar entre el 20 % y el 30 % de masa en la estructura del chasis, puedes aumentar la autonomía o reducir el tamaño del paquete. Normalmente, para estos EV de menor costo, al menos eso es realmente significativo para la rentabilidad de ese negocio. Luego, también tienes el aspecto de sostenibilidad. Si haces un vehículo más ligero, tendrás menos desgaste de neumáticos, pero también usarás menos aluminio, menos CO₂ en el proceso de fabricación.”
– Czinger
Los investigadores creen que la fortaleza de la impresión 3D en la fabricación de automóviles radica en que puede eliminar el uso de material excesivo y, por tanto, el desperdicio innecesario, así como la necesidad de largas rutas de transporte y áreas de almacenamiento, reduciendo en gran medida los impactos ambientales.
En resumen, es un método de fabricación sostenible prometedor. Sin embargo, tendría que abordar algunos cuellos de botella para ser realmente exitoso. Por ejemplo, tendría que tener un buen control sobre la calidad del producto. Debería eliminar la necesidad de un post‑procesamiento excesivo, mejorar el volumen del producto y atender la falta de normas.
Para la aplicación exitosa de la impresión 3D en la industria automotriz, se requieren procesos y materiales estandarizados. La falta de normas universales podría obstaculizar la interoperabilidad entre diferentes impresoras 3D y software, dificultando lograr el mismo rendimiento incluso bajo parámetros de proceso idénticos.
