El futuro de la impresión 3D: Cómo la fabricación aditiva está reconfigurando las industrias

Muchos consideran que la fabricación aditiva es uno de los principales motores de la revolución de la fabricación digital. La fabricación digital integra tecnología avanzada como CAD (diseño asistido por ordenador), IA (inteligencia artificial) e IoT (Internet de las cosas) para mejorar el rendimiento, la eficiencia y la precisión.

Según analistasLa fabricación digital está en alza. El sector alcanzará un valor de $0,44T a finales de este año. Este crecimiento continuará con una CAGR estimada de 19,40% durante los próximos cinco años, alcanzando un valor de $1,07T en 2030. Gran parte de este crecimiento procederá de la integración de impresoras 3D y otras tecnologías avanzadas en el proceso de fabricación.

¿Qué es la fabricación aditiva?

La fabricación aditiva es un término que hace referencia al proceso de creación de un objeto construyendo capa sobre capa. Este proceso es lo contrario de la fabricación sustractiva, que consiste en ir desgastando un objeto más grande para crear un producto.

El proceso de fabricación aditiva puede implicar cualquier número de materiales. Las impresoras 3D actuales pueden utilizar polímeros, metales, cerámica, hormigón, espumas, geles e incluso biomateriales para crear productos. Además, los distintos estilos de impresoras utilizan diferentes estrategias que van desde el láser hasta polvos endurecedores y hornos especiales. Esta flexibilidad refleja la innovación que sigue adoptando el sector.

Cómo funciona la fabricación aditiva

El proceso de fabricación aditiva comienza con un diseño. El primer paso es utilizar un software CAD o un escáner 3D para proporcionar la entrada digital para el protocolo del marco de capas. El protocolo de marco de capas traduce el diseño en astillas que la impresora 3D puede entender.

En el método más común, una boquilla va añadiendo capas sucesivas del material para construir el artículo que se ajusta al diseño. A partir de ahí, el material se endurece debido a factores químicos, térmicos o de otro tipo, en función del proceso de impresión 3D.

Fuente - Autodesk CAD Design

Muchas formas de imprimir en 3D

Hay varias formas de imprimir objetos en 3D y, dependiendo del tamaño y los requisitos, una impresora 3D especializada es la única opción. Hay impresoras especiales que pueden crear piezas microscópicas o componentes eléctricos. Incluso hay impresoras 3D que construyen barrios enteros.

Esta gama de procesos de impresión también significa que la impresión 3D puede tardar entre horas y días en completarse, dependiendo del alcance y las complejidades de la impresión. Además, ahora hay sistemas que imprimen con varios materiales. Estas herramientas de fabricación aditiva pueden llevar más tiempo, ya que en la mayoría de los casos hay un tiempo de curado entre el uso de cada material.

Hologramas

Cuando se piensa en la fabricación aditiva hay que entender que existen muchas formas de construir un producto utilizando capas. Un grupo de ventajosos ingenieros creó incluso un método para utilizar hologramas para imprimir a través de la piel. La misma tecnología podría utilizarse para reparar piezas sin necesidad de retirarlas o incluso para imprimir órganos en su lugar.

Ventajas de la fabricación aditiva

Las ventajas de la fabricación aditiva siguen acumulándose. Por un lado, la impresión 3D abre la puerta a piezas más complejas y precisas. Proporcionar a los ingenieros la capacidad de crear geometrías complejas, utilizar múltiples materiales e incluso piezas móviles permite un nuevo nivel de creatividad e innovación.

Las piezas fabricadas con métodos precisos de impresión 3D ofrecen un mayor rendimiento y precisión en comparación con los métodos tradicionales. Para uso industrial a pequeña escala, la impresión 3D mejora el rendimiento del producto y permite a los ingenieros realizar pequeños retoques en sus diseños sin tener que reiniciar el proceso de fabricación industrial.

Ahorro de costes

Una de las principales razones por las que la fabricación aditiva se ha hecho tan popular es que reduce el proceso en general. En una planta de fabricación tradicional, los artículos se envían, se trabajan y se envían a su siguiente destino hasta que se obtiene el producto final. En un proceso de impresión 3D, todo se crea in situ. De este modo, se reducen considerablemente los costes de preparación cuando se trata de producir lotes pequeños.

La posibilidad de enviar los diseños directamente del ordenador a una impresora significa que las empresas y los diseñadores pueden crear prototipos y probar sus teorías más rápidamente y sin necesidad de recurrir a terceros. Todos estos factores han hecho de la fabricación aditiva una opción atractiva.

Flexibilidad

La fabricación aditiva aporta una flexibilidad inigualable al mercado. Los diseñadores pueden imprimir en 3D utilizando una enorme selección de materiales naturales y artificiales. Incluso pueden decidir fabricar impresoras que combinen múltiples materiales. Estos complejos diseños pueden ser funcionales o independientes. Además, pueden incluir componentes eléctricos, lo que aumenta la versatilidad general de este proceso.

Los diseños de los fabricantes aditivos tienen una gran ventaja, ya que pueden aprovechar las diferentes propiedades de los materiales para crear productos únicos. Los ingenieros pueden crear nuevos materiales ligeros e impresiones que reducen el peso de los diseños tradicionales para mejorar la aerodinámica, la duración de la batería o la comodidad.

Sostenibilidad

La sostenibilidad es un tema importante cuando se habla de los procesos de fabricación actuales. La comunidad mundial está de acuerdo en que es necesario reducir la contaminación y el impacto medioambiental del sector industrial. La fabricación aditiva puede ayudar a lograr este objetivo porque elimina la mayor parte del material de desecho.

El proceso de estratificación para crear un objeto ya reduce gran parte de los residuos frente a la fabricación sustractiva, en la que se talla un artículo y se desecha el material sobrante. Las mejores impresoras 3D producen muy pocos residuos en forma de piezas que deban alisarse o retirarse tras la impresión. Además, pueden imprimir utilizando materiales reciclados.

Otro factor medioambiental que se pasa por alto son los costes de desplazamiento. La impresión científica en 3D suele realizarse en un único lugar, por lo que no es necesario enviar las piezas a su siguiente destino. Esta estrategia puede ahorrar gasolina a las empresas y reducir la contaminación causada por el sector logístico mundial.

Materiales con clasificación funcional

Una de las mayores ventajas de la impresión 3D es la posibilidad de utilizar diferentes materiales en las impresiones. Por ejemplo, es posible que desee imprimir un artículo que tenga conductividad en el interior, pero que esté blindado alrededor del núcleo. En un entorno de fabricación tradicional, este artículo requeriría múltiples pasos y plantas de procesamiento para conseguirlo.

La fabricación aditiva permite a los ingenieros imprimir un núcleo metálico que demuestre la conductividad. Pueden imprimir el núcleo. A continuación, se puede imprimir una cerámica u otro material resistente a la abrasión para protegerlo de las interferencias. Este proceso puede realizarse con la misma máquina durante la fase de ejecución de la impresión, lo que elimina gran parte de los costes de fabricación originales y los requisitos técnicos.

Historia y momentos clave de la fabricación aditiva

El concepto de impresión 3D existe desde hace mucho tiempo. Su origen se remonta a 1977, cuando Wyn Kelly Swainson solicitó por primera vez la patente de un sistema de recubrimiento de plástico por láser. Este sistema simplemente calentaba plástico en una piscina, que recubría un dispositivo en su interior. En la década de 1980, el mercado de la fabricación 3D había empezado a despegar.

Fue entonces cuando esta tecnología se convirtió en una opción de primer orden para la creación de prototipos. La creación rápida de prototipos permite a los ingenieros probar y corregir rápidamente sus creaciones mucho antes de que existieran simulaciones por ordenador que pudieran resolver los problemas. En la mayoría de los casos, las impresoras 3D se utilizan para crear modelos a escala.

En 1986, Chuck Hull introdujo el método de luz ultravioleta para crear capas reticuladas. Este proceso se basaba en un material fotopolímero recién inventado que se calentaba y endurecía cuando se le aplicaban rayos láser. Este desarrollo condujo al uso de impresoras 3D para fabricar moldes para plantas de fabricación tradicionales.

Órganos

En 1999, las impresoras 3D entraron en el ámbito sanitario después de que un equipo de ingenieros de Wake Forest imprimiera con éxito una vejiga en 3D. La vejiga se imprimió mediante un proceso especial de fabricación aditiva que cultivaba células. Fue la primera vez que alguien imprimió un órgano en 3D. Impresionantemente, dio lugar a un nuevo sector en la industria de la impresión 3D que sigue prosperando hoy en día.

Productos funcionales

La década de 2000 marcó un cambio en los procesos de fabricación aditiva. Fue entonces cuando las impresoras 3D se hicieron más accesibles al público. La gente empezó a utilizarlas para crear piezas, obras de arte y mucho más. En 2005, un artista francés llamado Patrick Jouin saltó a los titulares internacionales tras revelar las impresiones en 3D de una silla funcional.

En la década se produjeron algunos avances adicionales que impulsaron la adopción. En concreto, la Universidad de Michigan logró imprimir en 3D una férula que salvó la vida de un niño. Además, Boeing empezó a imprimir en 3D componentes para sus aviones Dreamliner. Estas fueron las primeras piezas de titanio impresas en 3D aprobadas por la FAA que llegaron al mercado, lo que supuso otro hito para la tecnología.

El futuro de la fabricación aditiva

El futuro de la fabricación aditiva parece sacado de una película de ciencia ficción. Imagínese ir al hospital y que le impriman el hígado dentro del cuerpo a través de la piel. Aunque esto pueda parecer magia, no está tan lejos. Los investigadores ya han utilizado con éxito ondas sonoras holográficas para imprimir dispositivos a través de una fina membrana similar a la piel. En el futuro, esta misma tecnología podría hacer que las operaciones no fueran invasivas o permitir reparaciones sin tener que desmontarlas antes.

Aplicaciones de la industria de fabricación aditiva

A medida que la revolución de la fabricación digital avanza a un ritmo vertiginoso, son varias las aplicaciones de esta tecnología. La capacidad de los procesos de fabricación aditiva para aumentar el rendimiento y la precisión de las piezas de uso final, reducir el peso y disminuir los costes generales la convierten en una opción inteligente para la fabricación de lotes pequeños y la personalización. Estas son las principales aplicaciones industriales de esta tecnología.

Aeroespacial

La industria aeroespacial confía en la impresión 3D para crear piezas de materiales compuestos ligeros que proporcionen estabilidad y durabilidad y se adapten a factores de forma ajustados. Boeing y General Electric ya confían en las piezas fabricadas mediante aditivos en múltiples aeronaves.

En particular, Boeing (BA +1.65%) fue el primer fabricante de aviones en obtener la aprobación de la FAA para un método de impresión 3D de titanio para crear piezas. Desde entonces, han empezado a utilizar la fabricación aditiva para crear una gran variedad de piezas utilizando muchos materiales diferentes. Este proceso de fabricación podría utilizarse algún día para crear vehículos o componentes para viajes espaciales.

La comunidad aeroespacial también podría confiar en la fabricación 3D para los procesos a bordo. Los futuros viajeros espaciales no llevarán herramientas consigo. En su lugar, podrán disponer de las herramientas que necesiten, impresas en cuestión de minutos. Aún más impresionante es la idea de que un futuro viajero espacial imprima un órgano para salvar una vida.

Sanidad

La fabricación aditiva se ha introducido con fuerza en el sector sanitario, donde sus numerosos casos de uso han contribuido a aumentar el apoyo a esta tecnología. Hay impresoras 3D que crean productos personalizados, como prótesis o implantes. Su flexibilidad y disponibilidad hacen de estos dispositivos la mejor, y a veces la única, solución para quienes los necesitan. En el futuro, es posible que haya impresoras 3D en las ambulancias.

Prótesis impresa en 3D

En particular, los audífonos son un producto impreso principalmente en 3D que sigue aprovechando los avances para agilizar el proceso de creación. Los audífonos avanzados actuales se modelan directamente a partir del oído del paciente. La posibilidad de realizar escaneados personalizados e imprimir pequeños lotes de productos hace que la fabricación aditiva sea la mejor opción en este caso.

Su farmacia local puede ser el próximo lugar de su vecindario en conseguir una impresora 3D. El uso de impresoras 3D para crear medicamentos ha ido creciendo a escala internacional. Estos sistemas eliminan el error humano y pueden proporcionar un tiempo de respuesta más rápido. Impresionantemente, se ha trabajado mucho en el control de calidad de estos sistemas, ya que un pequeño error de impresión podría provocar lesiones o incluso la muerte cuando se trata de medicamentos.

Automoción

El auge de los vehículos eléctricos es otro factor que ha empujado a los fabricantes de automóviles hacia los componentes impresos en 3D. Cada kilo importa cuando hablamos de vehículos eléctricos. Por ello, los fabricantes han recurrido al plástico, los compuestos y los metales ligeros para reducir el peso y aumentar la autonomía. En el futuro, veremos más componentes de automóviles impresos en 3D utilizando un diseño integral que elimina la necesidad de múltiples paradas a lo largo del proceso de creación.

Construcción

Imagine ver cómo imprimen su casa en 3D delante de sus ojos. Lo impresionante es que esta tecnología ya está en uso y ha demostrado ser muy prometedora. En concreto, se han impreso barrios enteros utilizando estas enormes máquinas de fabricación aditiva que vienen en varios diseños diferentes.

Algunas utilizan hormigón, mientras que otras se basan en tierra compactada u otras mezclas. Las casas impresas en 3D pueden integrar una arquitectura única que ayuda a reducir los costes de calefacción y refrigeración, fomentando la sostenibilidad.

Tendencias de inversión en fabricación aditiva

Se puede observar la formación de varias tendencias de inversión en el sector de la impresión 3D. Las cuatro posiciones comunes en la cadena de valor incluyen materiales, núcleo, software y aplicaciones. Los materiales se refieren a empresas que crean compuestos u otros materiales clave que son requisitos del proceso de impresión 3D.

El segmento principal incluye a desarrolladores, fabricantes de impresoras 3D e investigadores. Por su parte, los inversores en software buscarán nuevos protocolos que ayuden a impulsar la eficiencia o a introducir nuevas funciones. La IA es un buen ejemplo de estrategia de fabricación aditiva basada en software que ha tenido éxito. Los sistemas de IA pueden facilitar la impresión en 3D al ciudadano de a pie y permitir que cualquier persona utilice indicaciones de prueba para diseñar y desarrollar impresiones en 3D con facilidad.

Varias empresas lideran la innovación en el mercado de la impresión 3D. Stratasys (SSYS +1.78%), Metal de sobremesa (DM +1.02%)y Velo3D (VLD -5.19%) todas ellas prestan un valioso servicio al mercado. Como tales, son reconocidos como líderes del sector. Sus investigaciones han contribuido a impulsar la eficiencia y ampliar el mercado.

La consolidación está en el horizonte

Según el estudio Big Ideas 2025 de ARK, el sector de la fabricación aditiva experimentó una fuerte consolidación a lo largo de 2024. Esta consolidación estuvo liderada por la adquisición de Markforged por parte de Nano Dimensions y, a continuación, de Desktop Metal en breve sucesión. Los mismos datos revelaron que los grandes conglomerados han decidido buscar internamente para satisfacer sus futuras necesidades de impresión 3D.

Otra tendencia que revela el estudio es que el aumento de los drones ha generado una mayor demanda de piezas, impresoras y materiales impresos en 3D. Los drones han encontrado su lugar en múltiples sectores, desde la logística y el entretenimiento hasta las armas de guerra. Por ello, el deseo de componentes ligeros pero duraderos ha convertido la fabricación aditiva en la mejor opción.

En el futuro, se producirá una mayor consolidación, ya que los países tratarán de hacerse con el liderazgo del mercado. El recién elegido presidente Trump ya ha empezado a impulsar la fabricación nacional. Este impulso podría conducir a la creación de grandes instalaciones de fabricación aditiva avanzada en todo Estados Unidos en los próximos años.

De cara al futuro, ARK es incluso más optimista que muchos analistas, ya que prevé que los ingresos de la impresión 3D crezcan "...~40% a un ritmo anual hasta alcanzar los $180.000 millones en 2030".

Obstáculos para la adopción de la fabricación aditiva

Varios factores han frenado la adopción de la fabricación aditiva. En primer lugar, existen limitaciones de materiales que los ingenieros deben comprender. Cuando se imprime un objeto en 3D, se crean puntos de tensión. Si no se calculan correctamente, pueden provocar fallos catastróficos. Por ello, los ingenieros deben tener en cuenta el material, el proceso utilizado para crear el objeto y cómo interactúan entre sí.

Costes

Otro obstáculo para la adopción es el elevado precio de las impresoras 3D industriales. Estas máquinas pueden costar más de $100k y requieren mucho espacio para funcionar. Además, la impresión 3D solo es una opción mejor cuando se necesita un número limitado de productos personalizados. Cuando se trata de operaciones de producción masiva, los métodos tradicionales siguen siendo más rentables a largo plazo.

Tratamiento posterior

Otro inconveniente de la impresión en 3D es que requiere pasos adicionales una vez finalizada la impresión. Estos pasos pueden incluir la eliminación del exceso de material, el lijado de bordes ásperos y otras alteraciones. El paso posterior al procesamiento puede aumentar el coste y el tiempo de cada impresión.

Control de calidad

Uno de los mayores inconvenientes de la fabricación aditiva es que resulta muy difícil localizar los defectos internos. Cuando se imprime un objeto de varios materiales y capas, es muy difícil asomarse al interior del dispositivo para asegurarse de que el proceso de impresión se ha completado con precisión. Los ingenieros siguen introduciendo nuevos métodos para mejorar el control de calidad, especialmente cuando se trata de impresoras 3D de medicamentos.

Un método introducido por los ingenieros utiliza un láser para controlar la salida de cada boquilla. Si se observa que la salida de una boquilla es inferior, se puede suponer que hay un error en la impresión. Otras pruebas con rayos X u otras tecnologías pueden revelar puntos de tensión interna, grietas o material suelto, todo lo cual podría provocar fallos catastróficos en condiciones intensas cuando se habla de productos, o daños corporales cuando se habla de medicamentos.

La fabricación aditiva impulsará una mayor integración tecnológica

Si nos fijamos en la historia de la impresión 3D, es fácil ver que ya ha cambiado la producción. En los próximos años, surgirán más procesos de fabricación digital que aprovecharán las impresoras 3D para crear componentes complejos sobre la marcha. Por lo tanto, es seguro suponer que en 2030 habrá impresoras 3D por todas partes, desde las farmacias locales hasta las grandes plantas de fabricación.

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