Comparativa entre Impresión 3D y los Procesos de Manufactura Tradicional

El proceso de fabricación por impresión 3D apareció con fuerza en los medios (tradicionales e internet) en la década del año 2010, aunque es una tecnología que nació desde 1984 fue hasta el año 2009 que venció la patente que regía sobre esta tecnología y desde ahí han surgido nuevos desarrollos, empresas, dispositivos y mucha más personas han tenido acceso para trabajar con la misma.

Algunos la consideran como la tecnología disruptiva de la Industria 4.0 o cómo la tecnología a cambiar la forma en que conocemos el mundo y la Fabricación actualmente. Y si bien es cierto que la impresión 3D ha llegado para quedarse, ¿Es realmente el reemplazo para métodos tradicionales de fabricación?

En este artículo, resolveremos ésta y otras dudas.

ACLARACIÓN IMPORTANTE: En este artículo se considera la impresión 3D por fundición de filamento, conocido como FFF por las siglas en inglés (Fused Filament Fabrication). Existen otras tecnologías de impresión 3D que poseen ventajas y desventajas en diferentes aspectos comparado con el proceso FFF; más adelante haremos un artículo referente a esta temática de las diferentes tecnologías de impresión 3D. Sin embargo, este artículo se enfoca en el procedimiento FFF ya que es el más utilizado y del cual la mayoría de personas tienen acceso, ya sea por el costo de las impresoras, disponibilidad de proveedores y porque cumple cabalmente con los requerimientos de la mayoría de usuarios.

TL,DR….En forma resumida:
Los puntos positivos de la impresión 3D son los siguientes: Fabricación personalizada, Bajo costo de prototipado, Generación de geometrías complejas sin problema
La impresión 3D tiene desventaja en los siguientes aspectos: Variedad de materiales, Velocidad de fabricación; No rentable para producción en serie. Acabado final.

A continuación, se detallan estos aspectos:

VENTAJAS O ASPECTOS A FAVOR:

Costo

¿Es caro imprimir en 3D?, Lo ‘caro’ depende en gran medida del presupuesto de cada persona o empresa y de sus expectativas. Una buena forma de explicar esto es con un ejemplo de dos casos de aplicación:

Caso 1: Una empresa desea sacar un nuevo producto al mercado e invierte 6000 USD en fabricar un molde de inyección, con el cual produce 100 piezas y evalúa la aceptación en el mercado; el costo de inyección de cada pieza sale en unos 1USD, por lo que la inversión total de 100 piezas es de 6100USD en este caso. Por impresión 3D cada pieza individual tendría un costo más elevado (20 USD), por lo que la inversión total para las 100 piezas serían 2000 USD. En este caso la impresión 3D resulta más económica. Si adicionalmente se desea dividir la producción en 50 piezas de una versión A, 30 de B y 20 de C; esto implicaría un molde por cada tipo de pieza, mientras que sería el mismo valor por unidad si se fabrica por impresión 3D.

Caso 2: Un caso similar pero donde es un producto establecido y estima fabricar 3 millones de unidades para satisfacer la necesidad en el mercado, aunque la inversión inicial en el molde sea elevada o sean incluso necesario dos o tres moldes, el costo por unidad es lo suficientemente económico para compensar a largo plazo; entonces la impresión 3D resultaría más costosa.
En conclusión, ¿la impresión 3D es cara? Depende de la pieza a fabricar (geometría, material), las unidades y de las características de la empresa y el producto.Algunas geometrías no se pueden fabricar por inyección de plástico; no todos los materiales se pueden fabricar en impresión 3D; para productos genéricos y muchas unidades es mejor un proceso de fabricación tradicional; para productos personalizados o prototipos la impresión 3D no tiene rival. Lo correcto es seleccionar el proceso de fabricación adecuado para el tipo de pieza, el material y las unidades a fabricar.

Fabricación personalizada

Lo anterior resalta en parte lo mencionado en la fabricación personalizada, y es que se pueden fabricar, con un costo similar, piezas a gusto de cada cliente (personalizadas), así la persona desee un ligero cambio, como las iniciales en alguna parte, el precio final no cambiaría significativamente y se pueden obtener entonces piezas personalizadas.

Geometrías complejas

Existen diversas geometrías de piezas que una impresora 3D realiza sin complicaciones pero que para conseguirse requieren la combinación de diferentes procesos de fabricación tradicionales (ej: mecanizado, doblado, soldadura); así mismo, se pueden fabricar piezas con diferentes colores directamente desde la impresora 3D; esto es una gran ventaja para diversas aplicaciones, reduce tiempo y costos. A continuación,

Torre impresion 3d thingiverse
Torre para pruebas, Imagen de Thingiverse (https://www.thingiverse.com/thing:2729342). Intentar realizar esta pieza por métodos tradicionales costaría mucho tiempo y dinero

Benchy 3d print Thingiverse

Imagen Benchy, tomada de Flickr (https://www.flickr.com/photos/3dbenchy/19672652660/)

DESVENTAJAS O DONDE PIERDE LA IMPRESIÓN 3D:

Variedad de materiales

Los materiales con los que funcionan el 80-90% de las impresoras 3D son polímeros (una gran variedad de éstos); sin embargo, materiales metálicos, cerámicos o compuestos aún no se manejan de forma común, aunque sí existen diversas investigaciones encaminadas en esta temática. Se espera que en pocos años, se puedan manejar de forma recurrente en más impresoras. De todos modos, todo indica las propiedades mecánicas no serán las mismas que por procesos tradicionales de fabricación, ya que el proceso en sí en diferente y resulta en piezas con debilidad en el plano vertical de fabricación (más adelante un artículo sobre este tema).

Velocidad de fabricación

Sobre la velocidad de fabricación, mucha gente tiene la siguiente duda, ¿Que tan rápido se fabrica una pieza por impresión 3D?
Dependiendo de la pieza a fabricar y de la etapa del proceso que se analice, la impresión 3D es más rápida que otros procesos de fabricación como la Fundición, el mecanizado o forjado; sobretodo en la preparación previa. Sin embargo, la impresión 3D tiene tiempos que deben respetarse para obtener un resultado óptimo.

En términos técnicos una impresora 3D tiene una velocidad de impresión entre 35mm/s y 100mm/s. Para la selección entre este rango de velocidades influyen diferentes aspectos como el material ya que por ejemplo, los materiales flexible (filamentos TPU, TPE) se deben imprimen más lento que los rígido (filamentos ABS, PLA, PETG);
Asi mismo, La calidad de impresión, típicamente para obtener una mayor calidad se debe imprimir más lento; la altura de capa afecta, entre más cantidad de material fluye por la boquilla más lento deberá imprimirse (y a mayor temperatura). Para piezas muy pequeñas es recomendable imprimir a mayor velocidad ya que la concentración de calor puede deformar la pieza.

Acabado final

Las piezas fabricadas por impresión 3D, resultan con un acabado superficial que si bien es bueno para prototipos y algunos productos, no es el mejor comparado con otros procesos de fabricación; incluso si se utiliza una altura de capa pequeña (del orden de menos de 0.1mm) lo cual mejora la calidad final pero se seguirán apreciando las capas propias del proceso. Por lo que usualmente, se recurre a tratamientos de post-procesado, buscando mejorar el acabado superficial de las piezas fabricadas.
Los más sencillo son procedimientos mecánicos como limado, lijado o pulido; procesos químicos con vapores de algunas sustancias como Acetona (Ver imagen búho) y procesos especializados como granallado o arenado,
Éstos funcionan muy bien para material como ABS, ya que es menos duro que el PLA, para materiales flexibles no es recomendable.

buho acabado impresion 3d

Conclusión

La Impresión 3D tiene ventajas frente a procesos tradicionales de fabricación, pero también tiene limitaciones. No es posible fabricar todo lo que se diseñe en el computador, muchas piezas son bastante llamativas al verlas en el software pero no son viables de fabricar por impresión 3D, debido a una parte muy pequeña, a que las partes quedarían débiles o el material no sea el adecuado, o también porque por este método saldría bastante costoso.

Lo ideal, es entender a la impresión 3D como un complemento para los procesos tradicionales de fabricación. Es una tecnología muy útil para empresas innovadoras, que planeen sacar productos al mercado, puedan crear iteraciones de prototipos hasta conseguir un producto final adecuado, luego de testear el mercado ésta se pueda fabricar en serie, reduciendo así su costo, mejorando el acabado superficial y aumentando la resistencia (en caso de ser un requerimiento).

La impresión 3D es una tecnología que se mantiene en crecimiento y a futuro se espera cubra las limitaciones que actualmente tiene, por ejemplo ya existen impresoras 3D que fabrican en metal: [ Puede ver ejemplos acá: https://www.instagram.com/p/B8Nvmn_jSD9/ , https://www.xerion.de/fusionfactory/ ]. Impresoras 3D con mayor resolución y muy rápidas [ https://spectrum.ieee.org/tech-talk/computing/hardware/3d-printing-is-100-times-faster-with-a-powerpoint-projector ]. Impresoras 3D adaptadas para producción en serie (fabricación continua): [ https://www.youtube.com/watch?v=B8o22G0PqLM ], entre muchas investigaciones y proyectos avanzados.