La fabricación aditiva. La evidencia de una necesidad

La industria mundial relacionada con la fabricación aditiva, está empezando a responder a las necesidades de normalización a nivel global, nacional y regional, mediante una serie de grupos de trabajo en los que participa la Unión Europea: comité ASTM F432, comité Técnico ISO (TC 261), Proyecto SASAM y comité BSI. La ASTM International (2012) ha definido la Fabricación Aditiva (Additive Manufacturing) como: “Proceso de unión de materiales capa a capa para hacer objetos modelados en 3D, en oposición a las metodologías de fabricación sustractivas, tales como el mecanizado tradicional.”

Los términos empleados habitualmente alrededor de la fabricación aditiva, han ido evolucionando de forma paralela al desarrollo de la tecnología, siendo conveniente establecer un marco de referencia que permita analizar la evolución sufrida y una necesaria estandarización de cara al futuro:

• ‘Rapid Prototyping’. Es el primer término que se utilizó para describir la creación mediante capas de objetos 3D. Actualmente, las tecnologías existentes, permiten conseguir algo más que un ‘prototipo’.
• ‘Impresión en 3D’. Es el término más utilizado. Es frecuente emplear el término de “Impresión en 3D de bajo coste” cuando empleamos máquinas de impresión de alcance doméstico o semiprofesional.
• ‘Fabricación Aditiva’. Es el último término aplicado y se utiliza para describir la tecnología en general. Es muy habitual cuando se hace referencia a aplicaciones industriales de fabricación de componentes y con equipos profesionales e industriales de altas prestaciones.

Existen otros términos cuando hablamos de fabricación aditiva (figura 1):

La fabricación aditiva abarca y convive, entre otras, con un grupo de técnicas de fabricación rápida, que han sido utilizadas con más frecuencia por su fácil aplicación:

La diferencia entre estas técnicas se reduce a la aplicación que se le da a la tecnología de fabricación aditiva, es decir, la diferencia entre fabricar un objeto con una funcionalidad de comprobación ergonómica del diseño y fabricar un elemento que sirva de soporte para ajustar dos piezas en montaje, es nula cuando hablamos de su fabricación, el matiz reside en la función final que desempeñarán. De esta forma, se puede utilizar una técnica de prototipado rápido como posible tecnología de fabricación rápida de elementos, de herramientas o de moldes. El personal técnico, tiene que tener en cuenta que esta posibilidad deriva en una mayor simplicidad de los procesos de montaje y puesta a punto de elementos en su conjunto.

Responda a esta cuestión: ¿cómo conseguiría fabricar una rótula esférica ensamblada en su asiento, sin necesidad de fabricar los elementos independientemente y realizar posteriormente su montaje?, ¿es posible conseguir una producción en serie e individualizada de ese conjunto a un precio asequible? (ver figura 3).

Una característica común a las diferentes técnicas de fabricación aditiva es la de requerir un mínimo número de fases en el proceso de fabricación, desde el desarrollo de la ‘idea’ por parte del diseñador hasta la obtención del producto acabado (ver figura 4):

En el proceso detallado es el propio diseñador quien puede encargarse de la fabricación del producto. No es necesaria la intervención de otro técnico para realizar operaciones complementarias. No obstante, hay que tener en cuenta que durante el proceso y antes de la fabricación, el diseñador debe saber los condicionantes del producto final, tanto para saber elegir la técnica idónea de fabricación, como para realizar las modificaciones del fichero de datos geométrico (stl) y revisar el código CN. Es obligatorio que tenga una visión completa y una formación necesaria de todas las fases del proceso.

Los procesos convencionales de fabricación de componentes se basan en el empleo de recursos con gran capacidad de elementos de control para conseguir niveles de precisión y fiabilidad muy elevados. La utilización de sistemas informáticos en las fases de ingeniería de diseño, fabricación y simulación de un producto, en combinación con otras técnicas basadas en la mecatrónica, han conseguido elevar los sistemas de producción a niveles elevados de eficacia.

No obstante, todavía tenemos algunas limitaciones en los procesos de fabricación, ya que en función del tamaño del lote a fabricar y la complejidad geométrica del componente, en ocasiones nos vemos obligados a utilizar procesos y utillajes que encarecen el coste final del elemento.

Actualmente se disponen de procesos de transformación con los que podemos arrancar, deformar, fundir y unir el material base de nuestro componente, y desde hace unos años, también podemos acumular por deposición el material allí donde es necesario, es decir, a partir de un modelo virtual en 3D, se puede fabricar el componente añadiendo el material según sea el volumen sólido del modelo diseñado.

Las tecnologías actuales de tipo aditivo se basan en el principio de dispersión-acumulación (ver figura 5). El principio de dispersión-acumulación se describe en una patente de 1892 (US Patent nº 473901).

Los procesos de aporte de material o aditivos son aquellos que solidifican un material, originalmente en estado sólido, líquido o en polvo, por capas sucesivas dentro de un espacio predeterminado y con procedimientos electrónicos. Estos métodos también son conocidos con el acrónimo MIM derivado de su denominación en inglés como Material Increase Manufacturing, y su clasificación se puede realizar atendiendo a dos factores diferentes, como son el material de partida (ver tabla 1) y el proceso de obtención del modelo (ver tabla 2)

Observe en la figura 6 un modelo de arquitectura prototipado de forma aditiva en dos materiales diferentes (ABS y Aleación de Cr-Co).

En la figura 7, puede valorar la propuesta realizada por un proveedor de servicios de ingeniería (Solid Concepts Inc.) del ciclo de vida de un producto con criterios de fabricación aditiva.

Los procesos de fabricación de piezas convencionales están condicionados por una serie de limitaciones relacionadas con la obtención de ciertas formas, como agujeros con trayectoria curva, ángulos de desmoldeo, control de las colisiones de la herramienta con piezas de geometría compleja, sin olvidar que algunos procesos de fabricación no cumplen con un compromiso con la sostenibilidad en la fabricación y llevan asociados residuos relacionados con la utilización de los líquidos refrigerantes.

Las técnicas de fabricación aditiva se distinguen principalmente de las técnicas convencionales por dos características que, además, les confieren grandes ventajas competitivas en tanto en cuanto no encarecen el proceso de fabricación:

La complejidad geométrica de la pieza a fabricar. Se pueden reproducir fácilmente geometrías esbeltas, vaciados interiores, canales internos, espesores variables, formas irregulares, etc., y a partir de una geometría obtenida por un CAD 3D.

La personalización del diseño de la pieza a fabricar. Podemos obtener productos exactamente iguales o completamente distintos sin influir notablemente en el proceso y sin costes adicionales. Esta personalización es una de las principales tendencias actualmente en el desarrollo de productos de alto valor añadido, y su aplicación en masa es uno de los paradigmas que persigue la industria en países desarrollados y que se considera clave para su sostenibilidad.

Estas dos características se pueden convertir en grandes ventajas en distintos sectores industriales (ver figura 8):

Productos aligerados. Se pueden fabricar productos diseñados para una determinada función y con condiciones a medida, por ejemplo: aligerados por razones de peso, resistencia y/o costes. Algunas de las técnicas de fabricación aditiva pueden rellenar un modelo con diferentes grados de porosidad sobre un mismo material.

Productos multimaterial. Es posible fabricar un producto aportando simultáneamente varios materiales en un mismo sólido; de este modo, la técnica supera una de las limitaciones actuales en la relación peso/resistencia mecánica, aportando funcionalidades nuevas o abaratando costes del producto.

Productos ergonómicos. El diseño de los componentes puede alcanzar una mejor interacción con el usuario adaptándose a las particularidades antropométricas exactas de cada individuo (prótesis) sin afectar necesariamente a los costes de fabricación.

Mecanismos integrados en una misma pieza. Es posible fabricar un mecanismo totalmente embebido en la pieza en la que debe trabajar, sin necesidad de montajes y ajustes posteriores, por ejemplo: simultáneamente un eje y su cojinete, un rodamiento, un muelle y su soporte, un tornillo sinfín y su corona.

Desde el punto de vista de la producción de componentes industriales hay que destacar como claras ventajas:

• Reducción del ‘time to market’ de nuevos diseños. Cuando la fabricación aditiva se utiliza como técnica de fabricación del producto final, y no sólo en el proceso de prototipado, muchas de las fases actuales de lanzamiento y validación pueden ser drásticamente reducidas; además de aportar una gran flexibilidad ante los continuos cambios de la demanda del mercado.
• Series cortas de producción. El tamaño del lote de producción pueden ser mínimo, llegando incluso a la unidad, sin influir apenas en los costes de fabricación (siempre y cuando no se considere la amortización del equipo). Esto es posible, entre otras características, por la falta de necesidad de utillaje, lo que supone una notable ventaja respecto de los métodos convencionales de fabricación.
• Reducción de errores de montaje y sus costes asociados. Se pueden obtener componentes ensamblados con la única operación posterior de inspección de control de calidad.
• Reducción de costes de inversión en utillaje. No es necesaria la utilización de utillaje en el proceso de fabricación aditiva, lo que supone gran flexibilidad de adaptación al mercado y una reducción, o incluso eliminación, de costes asociados a éste (fabricación del utillaje, paradas por cambios de referencia, mantenimiento e inspección.
• Procesos híbridos: siempre es posible combinar distintos procesos de fabricación. En este caso, combinar procesos de fabricación aditiva con procesos convencionales puede ser interesante para aprovechar las ventajas de ambos. Por ejemplo, puede resultar muy conveniente combinar la tecnología de fabricación aditiva con el mecanizado por arranque de material para mejorar la calidad superficial mediante la reducción del “efecto escalera” que producen las tecnologías de fabricación aditiva. La hibridación también puede darse en sentido opuesto, es decir, fabricar por métodos sustractivos partiendo de un bloque y añadir posteriormente, mediante fabricación aditiva, aquellas características especialmente complicadas y que generan alto valor.
• Optimización en la utilización de material. La reducción de residuos de material es mínima. El material generado como residuo puede reciclarse fácilmente.
• Provoca una fabricación más sostenible. No se utilizan directamente productos químicos tóxicos en una cantidad apreciable.

Sin embargo, las tecnologías de fabricación aditiva tienen algunos inconvenientes que deben ser tenidos en cuenta de cara a la elección de la tecnología más adecuada a las necesidades y los requerimientos del producto a fabricar.

• La fabricación en capas produce lo que se conoce con el nombre de efecto escalera. Este fenómeno hace, entre otras cosas, que el trazado de geometrías curvas se complique y el acabado superficial tenga una rugosidad elevada. Este efecto hace que los ejes y agujeros deban ser fabricados típicamente con su sección circular en planta; de otra forma, la redondez de la pieza no sería aceptable. Por otro lado, obviando la redondez, orientar la pieza de otra manera puede ser útil dependiendo de la aplicación en cuestión; es interesante fabricar un eje deslizante tumbado, de modo que no se produzca el ‘enclavamiento’.
• La operación de fabricación, como tal, en algunas tecnologías puede resultar lenta; por lo que es típicamente conveniente para series de producción pequeñas. En el momento en el que la serie de producción alcanza un tamaño determinado puede ser conveniente utilizar alguna tecnología convencional, aunque, como ya se vio anteriormente, estas tecnologías tienen unas limitaciones, especialmente geométricas.
• Los materiales utilizados en algunas de las tecnologías pueden no ser los idóneos para el producto que se busca fabricar.
• La deposición en capas produce materiales anisotrópicos. Dado que muchos de los componentes industriales sufren esfuerzos que producen tensiones en el material, y se dimensionan para utilizar la mínima cantidad de material, es posible que el comportamiento ante los esfuerzos que reciban los componentes en servicio sea inadecuado.
• Las tolerancias obtenidas en la mayor parte de los métodos de fabricación aditiva son todavía mayores que en otros métodos de fabricación como los basados en arranque de material.

Si nos centramos en la aplicación de las diferentes tecnologías de fabricación para obtener prototipos rápidos, las tecnologías actuales se pueden clasificar en aditivas y no aditivas.

A continuación vamos a analizar los datos técnicos más relevantes de las principales tecnologías aditivas (ver tablas 4, 5 y 6):

Algunas de las tecnologías indicadas necesitan de la utilización de un material, conocido con el nombre de material de soporte, el cual sostiene las partes del diseño que se encuentran en voladizo. Una vez terminado el proceso de deposición, el material de soporte debe ser retirado en una operación posterior a la fabricación (postprocesado), y la técnica utilizada para retirarlo dependerá del material de soporte y, por tanto, de la tecnología de fabricación aditiva utilizada. En alguna tecnología aditiva no existe material de soporte como tal, ya que la función de soporte la cumple el material que no se ha endurecido.

Respecto a las propiedades mecánicas de los prototipos obtenidos mediante adicción de material, estas están condicionadas por la calidad del resultado de la unión entre capas y las propiedades de material. Para analizar las propiedades mecánicas de los materiales utilizados en los diferentes métodos de fabricación aditiva, se deben establecer los siguientes parámetros (DIN EN ISO 178/179/180/527/2039): módulo de elasticidad, tensión de rotura, elongación, módulo de flexión, resistencia al impacto, resistencia a compresión y punto de fusión (ver tabla 7).

La elección de la técnica más adecuada a cada tipo de prototipo se basa en la definición del objetivo que se quiere conseguir con el prototipo: estético, funcional, experimental y visual, en el caso de que se desee comprobar solo el aspecto externo de la pieza diseñada. Para tomar la decisión de elección se puede plantear un análisis basado en el estudio de todas las variables posibles: tecnología, resolución y precisión, materiales, software, propiedades mecánicas del material (tracción, compresión, impacto, reblandecimiento y densidad), acabado superficial, tiempo de ejecución, coste, dimensiones máximas de la pieza o modelo, requerimientos de postcurado, garantía, ruido, certificación CE, temperatura operativa, conexiones y consumo eléctrico, interface (red, hardware, software y formatos de intercambio), peso y repuestos y consumibles (ver tabla 8).

De todas las variables de estudio citadas, las que se tienen en cuenta habitualmente durante la decisión de elección de la tecnología de prototipado son: resolución-precisión, propiedades mecánicas y térmicas del material, acabado superficial, tiempo de ejecución y coste del prototipo.

En cuanto a la valoración de las diferentes tecnologías de prototipado según el coste del prototipo, hay que tener en cuenta que la comparación de tecnologías tiene una restricción según el tipo de máquina utilizada. Habitualmente se considera que las máquinas de prototipado basadas en estereolitografía (SLA) y sinterización selectiva por láser (SLS), tienen una aplicación industrial de producción de prototipos, mientras que el resto se consideran máquinas de aplicación profesional donde la producción no es el objetivo principal. En estos momentos los fabricantes están ofreciendo máquinas de prototipado rápido de gama doméstica o sobremesa, profesional e industrial, y por lo tanto los costes que se derivan de la utilización de estas máquinas deben estar justificados por las prestaciones indicadas anteriormente y por el nivel de producción que puede obtenerse. (Ver ejemplo tabla 9).

No obstante, para calcular el precio de un elemento fabricado mediante tecnologías aditivas se puede seguir el siguiente modelo generalista, donde el coste final de fabricación del prototipo (Cp) del modelo 3D se ha calculado según la ecuación (1):

Si se traslada ese modelo de cálculo a un caso concreto, observe el siguiente ejemplo de cálculo del coste de un prototipo generado por la técnica de FDM en una máquina profesional, que puede ser fácilmente adaptado a cualquier tecnología aditiva (tabla 10).

Cuando la obtención del modelo tridimensional se realiza a partir de un proceso de ingeniería inversa, la precisión del modelo final está condicionada por el proceso de escaneado, el modelado virtual en 3D y el proceso de fabricación aditiva. Si no se ha utilizado un proceso de ingeniería inversa, los modelos fabricados están condicionados al modelado virtual en 3D y por el proceso de fabricación utilizado.

Ya hemos visto, que durante el proceso de fabricación, el modelo se construye mediante la deposición de capas en el plano x-y, adquiriendo volumen sólido en dirección del eje Z. Este proceso se caracteriza por un error de volumen entre el volumen del modelo virtual en 3D y el volumen de material obtenido en el modelo y, por lo tanto, la precisión de fabricación es el resultado de la superposición de diferentes errores en la producción del modelo, que afectan a la calidad superficial, la precisión dimensional y el peso final del modelo.

Los errores que se producen en este proceso son: error en la conversión del modelo 3D a formato STL (triangulación de la geometría), error en la descomposición en capas del modelo 3D (división exacta del espesor), error por efecto escalera (deposición ortogonal del material por capas) y por último error de relleno interior del modelo (ver figura 9).

Existen estudios donde se demuestra que los modelos obtenidos mediante técnicas de prototipado rápido tienen un error medio en la mayoría de las dimensiones de 0.05 mm respecto al modelo original o de control modelado en 3D.

La fabricación aditiva de los modelos tridimensionales con un objetivo estético (visual) o de montaje se realiza mediante técnicas de adición de material capa a capa en materiales plásticos, mientras que los modelos funcionales o con capacidad para ensayos mecánicos deben ser fabricados principalmente en metal y en algún caso, en material polimérico con tratamiento posterior de endurecimiento.

Estudios realizados por diferentes institutos de investigación, demuestran que los productos fabricados por tecnologías aditivas en metal ofrecen las mismas o mayores prestaciones mecánicas que los mismos productos fabricados con procesos convencionales. La resistencia a corrosión de los productos fabricados por tecnologías aditivas es similar para un mismo nivel de acabado superficial.

Un objetivo en investigación, es la obtención de prototipos funcionales en materiales poliméricos con capacidad para ensayo mecánico mediante tecnologías de prototipado rápido. El avance en los materiales de deposición y el posterior acabado de los modelos, puede provocar prototipos funcionales, sin necesidad de utilizar técnicas basadas en la fabricación rápida (rapid manufacturing, RM), y evitando así los costes de utillaje derivados (ver figura 10).

El porcentaje de utilización de la fabricación aditiva que se produce en los diferentes sectores puede observarse en el siguiente grafico (figura 11):

Y en cuanto a los sectores de incidencia, revisemos la incidencia de la fabricación aditiva en estos momentos en cada uno de ellos:

Productos de consumo-electrónicos

Este sector utiliza la fabricación aditiva para obtener prototipos y modelos de multitud de artículos para el hogar, equipos deportivos, juguetes, etc. Es el principal demandante de tecnologías de fabricación aditiva que permitan la fabricación digital directa de componentes finales con una alta complejidad geométrica y con necesidades de personalización.

En cuanto se consiga procesar materiales flexibles flexible y en pequeños espesores, los productos de consumo relacionados con la fabricación de textiles y el calzado empezaran a fabricarse de forma aditiva.

Los dispositivos y componentes electrónicos pueden beneficiarse de la deposición de materiales conductores mediante la impresión de componentes pasivos de circuitos como resistencias, condensadores y bobinas, diodos, diodos emisores de luz orgánicos (OLED), y las interconexiones de circuito.

Automoción

En este sector se utiliza la fabricación aditiva mediante prototipos que permitan validar procesos de ingeniería y en especial procesos de diseño funcional y estético de componentes. La producción de piezas finales no es un hecho todavía, solo se utiliza en personalización de ciertos elementos en vehículos especiales. Se espera que los nuevos desarrollos de materiales y su aplicación en máquinas de gran tamaño y de alta velocidad puedan favorecer su utilización con los criterios de exigencia de producción de este sector.

Medicina

La aplicación de la fabricación aditiva en medicina permite la obtención de modelos físicos 3D a partir del procesamiento de imágenes médicas (escaneado 3D, TAC) y su aplicación en diferentes especialidades.

La utilización de tecnologías aditivas de prototipado rápido permiten que los procesos de planificación preoperatoria, producción de prótesis, preparación de plantillas y guías quirúrgicas se realicen con mayor calidad del diagnóstico, con mayor seguridad de la cirugía, menor tiempo y, con un coste inferior al obtenido mediante la utilización de tecnologías de fabricación convencionales. En el caso de los implantes específicos y personalizados se ha conseguido una óptima planificación del proceso de cirugía y una reducción del tiempo operatorio.

Aeroespacial

Este mercado exige que la fabricación aditiva responda a altas exigencias de comportamiento mecánico y térmico, reducción de peso y mínimas perdidas de material de ciertos componentes, tanto en materiales poliméricos como metálicos, principalmente titanio y aleaciones de níquel. La sinterización selectiva de polvo metálico se ha convertido en una solución de fabricación, reparación y mantenimiento de ciertos componentes, p.e.: alabes de turbinas, así como para la fabricación de utillaje aeronáutico de alto valor añadido.

Arquitectura

La fabricación de maquetas y prototipos en el ámbito de la arquitectura y la construcción ha tenido, y tiene todavía, una componente artesanal muy importante. El desarrollo de los sistemas de diseño asistido, con su consiguiente evolución hacia los sistemas de modelado sólido y los actuales sistemas BIM en edificación, ha permitido obtener maquetas digitales, infografías y animaciones virtuales de los proyectos con una calidad muy atractiva. Sin embargo, todavía no se puede decir lo mismo respecto de las maquetas físicas, obtenidas a partir de ese modelo digital del proyecto a través de máquinas de construcción aditiva de maquetas y prototipos. La impresión 3D puede convertirse en el complemento imprescindible de estudios de arquitectos y diseñadores.

En la siguiente tabla (11) pueden apreciarse algunos ejemplos de aplicación, que por sí solos demuestran el potencial de la fabricación aditiva.

En 2004 Adrian Bowyer funda RepRap en la Universidad de Bath, una iniciativa de código abierto para construir una impresora 3D que puede imprimir la mayoría de sus propios componentes. La visión de este proyecto es la de democratizar la fabricación de unidades de distribución de bajo coste RepRap a las personas de todo el mundo, lo que les permite crear productos a diario por su cuenta (ver www.RepRap.org).

Al estar el término Fused Deposition Modeling registrado por Stratasys, la comunidad RepRap ha acuñado el término Fused Filament Fabrication (FFF), que puede ser usado por cualquiera sin restricción (bajo una licencia GPL versión 2). Con estas condiciones, cualquier persona puede distribuir y modificar la máquina RepRap, pero debe mantener las modificaciones realizadas bajo esta licencia. Es decir, los cambios deben seguir siendo públicos. Como la máquina es libre y de código abierto, cualquier persona puede, sin pago de derechos de ningún tipo, construir un número ilimitado de copias, para él o para cualquier otro, usando las propias máquinas RepRap para construir las partes plásticas de las copias (lo que la convierte en auto-replicante, ver figura 12).

Son cada vez más las reuniones de ‘expertos’ que analizan lo que supondrá la impresión de objetos físicos mediante impresoras 3D, que ya se entiende como una de las grandes revoluciones industriales de los próximos años, e incluso ya se habla de la Tercera Revolución Industrial. Las sesiones de #Redada suponen una reunión de intercambio entre usuarios y profesionales analizando sus posibilidades, como el caso del vídeo 34 de ‘#Redada 18 Madrid: Los retos de la impresión 3D’ (Medialab Prado, 16.11.2012), donde se debate sobre las tendencias sociales y los aspectos relacionados con la cultura, los derechos civiles y la tecnología.

El calado social de esta tecnología ha sido enorme y, como ya hemos dicho, su desarrollo crece de manera exponencial, permitiendo que estudiantes y profesionales de especialidades técnicas y de ingeniería de todo el mundo puedan experimentar con sus creaciones y perfeccionarlas antes de construirlas a escala real.

La accesibilidad a la tecnología lleva vinculada una serie de comunidades de usuarios desarrolladores que intercambian conocimientos y experiencias con el fin último de ir perfeccionando el sistema de impresión, abriendo nuevos campos antes inimaginables.

De manera paralela, estas comunidades de usuarios han desarrollado una serie de plata-formas de intercambio de modelos 3D ya creados, para descargar e imprimir, apuntando una idea nada descabellada para empresas fabricantes en la que puedan poner a disposición de los usuarios los modelos 3D de piezas descatalogadas de sus productos; algo que ya avanzó en cierto modo Google Earth cuando permitió a la comunidad de usuarios de Google Sketch Up cargar modelos de edificios de todo el mundo en su localización exacta, para ser disfrutados por todos. Insistimos, el futuro tiene muchas posibilidades. Son bancos de carga y descarga de modelos las plataformas Thingiverse, de habla inglesa, o Rascomras, de habla hispana. Existen muchas otras, y cada día más, con fines más o menos creativos, como The Pirate Bay (comunidad de descarga de todo tipo de material audiovisual, que ha incorporado un apartado nuevo para modelos 3D).

El Proyecto Clone Wars busca la divulgación de la tecnología RepRap, a la vez que aporta nuevos diseños y nuevas vías de investigación, pero ya no tanto en el sentido de ser autorreplicantes.

Desde hace un par de años en todo el mundo existen una serie de talleres, llamados FabLabs (Fabrication Laboratories) y promovidos por el Centro de Bits y Átomos (CBA) del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), en los que se trabaja intensamente en esta revolución tecnológica, con el cambio social que ello significa. Se equipan con una serie de máquinas controladas por ordenador “para construirlo (casi) todo”: impresoras en tres dimensiones, corta-dora láser, fresadoras de control numérico (CNC) y un laboratorio de electrónica (entre otras muchas que varían en cada uno). En el cómputo mundial, España es el cuarto país con más FabLabs. Lidera Estados Unidos, con más de treinta, luego Holanda (9), Francia (8), España (7-8) y Alemania (6).

• La fabricación mediante métodos convencionales se encuentra limitada principalmente en función del tamaño del lote a fabricar y la complejidad geométrica del componente, y en ocasiones nos vemos obligados a utilizar procesos y utillajes que encarecen el coste final del elemento. Además, algunos procesos de fabricación no cumplen con un compromiso con la sostenibilidad en la fabricación (contaminación, reciclaje, ...).
• La fabricación aditiva es una de las herramientas clave para abordar el crecimiento y la creación de valor agregado de alta calidad de puestos de trabajo.
• Conceptualmente, la fabricación aditiva describe la tecnología en general y se utiliza cuando se hace referencia a aplicaciones industriales de fabricación de componentes y con equipos profesionales e industriales de altas prestaciones. Existen otros términos, siendo los más conocidos “prototipado rápido o impresión 3D”, en función del alcance del modelo y el tipo de máquina aditiva empleada.
• Las técnicas de fabricación aditiva confieren grandes ventajas competitivas debido a su adaptación a la complejidad geométrica y a la personalización del diseño de la pieza a fabricar. Según los sectores de aplicación también puede conseguirse: productos aligerados, productos multimaterial, productos ergonómicos, series cortas de producción, reducción de errores de montaje y sus costes asociados, reducción de costes de inversión en utillaje, combinación de distintos procesos de fabricación, optimización en la utilización de material, fabricación más sostenible.
• Los inconvenientes son: el acabado superficial en superficies complejas puede tener una rugosidad elevada, tiempo de fabricación elevado, materiales con propiedades mecánicas y térmicas limitadas que limitan el comportamiento ante esfuerzos, tolerancias mayores que en otros métodos de fabricación como los basados en arranque de material.
• Las variables de estudio que se tienen en cuenta habitualmente durante la decisión de elección de la tecnología de prototipado son: resolución-precisión, propiedades mecánicas y térmicas del material, acabado superficial, tiempo de ejecución y coste del prototipo.
• La precisión de fabricación del modelo 3D es el resultado de la superposición de diferentes errores en la producción del modelo, que afectan a la calidad superficial, la precisión dimensional y el peso final del modelo. Los errores que se producen en este proceso son: error en la conversión del modelo 3D a formato STL (triangulación de la geometría), error en la descomposición en capas del modelo 3D (división exacta del espesor), error por efecto escalera (deposición ortogonal del material por capas) y por último error de relleno interior del modelo.
• Pueden conseguirse modelos tridimensionales con un objetivo estético (visual) o de montaje y modelos funcionales o con capacidad para ensayos mecánicos.
• El campo de aplicación de la fabricación aditiva es multisectorial y con una alta capacidad de adaptación a las exigencias de cada sector.
• La impresión mediante impresoras 3D, se entiende como una de las grandes revoluciones industriales de los próximos años. Existen propuestas para democratizar la fabricación de unidades de distribución de bajo coste RepRap a las personas de todo el mundo a través de comunidades de usuarios desarrolladores que intercambian modelos 3D, conocimientos y experiencias para optimizar la fabricación de una impresora 3D autoreplicante.
• Es obligatorio elegir la tecnología apropiada dependiendo de la aplicación particular que se esté planificando: primero la aplicación, luego la tecnología. Los sistemas de láser se están utilizando especialmente en el campo de la producción de piezas finales. En el futuro, los sistemas de tecnología de impresión se van a utilizar cada vez más.

6.- Referencias biliográficas

• Fundación Cotec, “Fabricación aditiva”. ISBN: 987-84-92933-15-0. 2011.
• Prodintec. Centro tecnológico para el diseño y la producción industrial, “Fabricación Aditiva o Addititve Manufacturing”. 2005.
• J. A. Alonso, “Sistemas de Prototipado Rápido”. 2002.
• T. Laliberté, C. M. Gosselin, G Côté, “Practical Prototyping”, IEEE Robotics & Automation Magazine. September 2001.
• Anderson, C. Makers: The New Industrial Revolution. Ed. Empresa Activa. 2012
• Beorkrem, C. Material Strategies in Digital Fabrication. Ed. Routledge. Londres. 2012
• Glesner M, Kirschbaum A, Renner FM, Voss B. State-of-the-art in rapid prototyping for mechatronic systems. Mechatronics; 12:987–998. 2002
• Guerrero de Mier, A., Espinosa, M. M. Avances en RepRap: Impresión 3D de código abierto. Dyna, 88 (5), 286-290. 2013
• Masood SH, Soo A. A rule based expert system for rapid prototyping system selection. Robot Comput-Integr Manuf; 18:267-74. 2002
• Modeen T. The use of rapid prototyping for the conceptualization and fabrication of
• Moilanen J. y Vadén T. Manufacturing in motion: first survey on 3D printing community. Estudio realizado por la Fundación P2P y publicado en http://surveys.peerproduction.net/2012/05/manufacturing-in-motion/ en Mayo de 2012
• Noy L. An investigation of the performance of low cost Rapid Prototyping Machines. MSc Rapid Product Development, Department of Engineering & Technology. Monfort University. Febre-ro 2005
• Wohlers Associates, Inc. Wohlers Report 2013: Additive Manufacturing and 3D Printing State of the Industry. Annual Worldwide Progress Report. 2013
• Xu F, Wong YS, Loh HT. Toward generic models for comparative evaluation and process selection in rapid prototyping and manufacturing. J Manuf Syst; 19(5):283-96. 2000
• Yongnian Y, Li S, Zhang R, Lin F, Wu R, Lu Q, Xiong Z, Wang X. Rapid prototyping and manufactur-ing technology: Principle, representative technics, applications, and development trends. Tsinghua Science and Technology; 14(S1):1-12. 2009.

Páginas web especializadas: casas comerciales

• Web de la casa comercial Stratasys: http://www.stratasys.com/
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Megaimpresora 3D a escala humana diseñada por Enrico Dini: http://www.d-shape.com

• Web comercial de las impresoras 3D UP!: http://entresd.es/es/3-impresoras-3d
• Web comercial de la impresora Form 1: http://formlabs.com/
• Megaimpresora 3D a escala humana en plástico: http://www.kamermaker.com/
• Web comercial de las impresoras Makerbot, con link a comunidad Thingiverse: http://www.makerbot.com/
• Web comercial de la impresora Peachy Printer: http://www.peachyprinter.com
• Web comercial de la empresa WobbleWorks:http://www.wobbleworks.net/current-project

Páginas web especializadas: proveedores de maquetas y prototipos impresos en 3D

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• Proveedor de modelos físicos por prototipado rápido, previamente diseñados por el usuario: http://www.initial.fr/es/prototipado-rapido/impresion-3d
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• Proveedor de modelos físicos por prototipado rápido, previamente diseñados por el usuario o en colaboración con el equipo desarrollador, con tutoriales e indicaciones de cara al diseño optimizado: http://www.protorapid.com
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• Proveedor de modelos físicos por prototipado rápido, previamente diseñados por el usuario o en colaboración http://materialise.com
• Proveedor de modelos físicos por prototipado rápido, previamente diseñados por el usuario: http://rpworld.net/
• Proveedor de modelos físicos por prototipado rápido, previamente diseñados por el usuario: http://www.quickparts.com/eu/

Páginas web de carácter general

• Asociación española de rapid manufacturing: www.aserm.net/
• Noticias sobre electrónica con apartado dedicado a la impresión 3D de carácter general: http://www.eetimes.com/
• Noticias sobre impresión 3D de carácter general, con glosario de términos: http://www.impresoras3d.com
• Breve introducción a la impresión 3D con historia de la evolución de la tecnología: http://www.impresoras-3d.info
• Web de crowdfunding de proyectos, gracias a la cual muchos han salido adelante económicamente: http://www.kickstarter.com
• Asociación cultural de debate MediaLab Prado en Madrid: http://medialab-prado.es/article/redada18

Noticias sobre impresión 3D de carácter general:

• http://www.newscientist.com/search?doSearch=true&query=3d+printing
• Noticias y artículos técnicos sobre la tecnología de plásticos en fabricación:
• http://www.ptonline.com/
• Noticias sobre impresión 3D avanzada:
• http://www.theengineer.co.uk/searchResults.aspx?qsearch=1&qkeyword=3D+printing&x=-1286&y=-459http://www.createitreal.com/

Páginas web especializadas: hacia el usuario desarrollador

• Noticias sobre impresión 3D con interesantes tutoriales para usuarios desarrolladores: http://www.3ders.org/
• Documentación avanzada sobre prototipado rápido con tutoriales para usuarios desarrolladores y artículos comparativos de tecnologías y casas comerciales: http://www.additive3d.com/
• Comunidad de usuarios desarrolladores en torno a la impresora Fab@Home: http://www.fabathome.org/
• Asociación de Código Abierto: http://www.oshwa.org/
• Comunidad de diseñadores de intercambio de modelos 3D en español: http://www.rascomras.com/
• Comunidad RepRap en español con tutoriales de montaje, cuadros comparativos y documenta-ción para usuarios desarrolladores: http://reprap.org/wiki/RepRap/es
• Proyecto Clone Wars, grupo dentro de la comunidad RepRap en España: http://www.reprap.org/wiki/Proyecto_Clone_Wars
• Blog de usuario desarrollador en torno a la impresión con RepRap: http://richrap.blogspot.com.es/
• Proveedor de modelos físicos por impresión 3D, previamente diseñados por el usuario, con tuto-riales e indicaciones de cara al diseño optimizado para impresión http://www.shapeways.com/tutorials/#1 y biblioteca de materiales http://www.shapeways.com/materials/silver-design-guidelines, dispone también de comunidad de usuarios desarrolladores y diseñadores donde poder vender sus productos.
• Comunidad de diseñadores de impresión 3D con noticias sobre los últimos avances e intercambio de diseños: http://www.the3dcrafters.com
• Comunidad de diseñadores de intercambio de modelos 3D: http://www.thingiverse.com
• Web de usuario desarrollador en torno a la impresión con RepRap: http://www.tridimake.com/

Páginas web especializadas: equipos investigadores

• Asociación de Investigación de la Industria del Juguete (AIJU), proveedor de modelos físicos por impresión 3D, formación y documentación especializada con estudios tecnológicos de productos: http://www.aiju.info/#/5
• Equipo de investigación sobre las Tecnologías de Fabricación Aditiva del Institute of Materials Science and Technology de Viena, con proyectos documentados y publicaciones referen-ciadas utilizando la fotopolimerización de dos protones: http://amt.tuwien.ac.at/
• Listado y links a los Fab Labs en activo a escala mundial, donde se pueden encontrar proyectos desarrollados, servicios ofrecidos, tutoriales y comunidades de usuarios relacionados: http://fab.cba.mit.edu/about/labs/
• Publicaciones especializadas del MIT http://www.media.mit.edu/ con link a la web del equipo de investigación de Neri Oxman sobre la impresión 3D con materiales variables: http://web.media.mit.edu/~neri/site/
• Listado de conferencias TED sobre la impresión 3D de consulta pública: http://www.ted.com/search?cat=ss_all&q=3d+printing
• Páginas web especializadas: diseñadores, arquitectos e ingenieros
• Estudio holandés promotor de la impresión 3D a escala humana con la máquina Kamermaker: http://www.dusarchitects.com
• Estudio californiano de diseñadores que investigan con la impresión en cerámica, hormigón, papel, azúcar, nylon y madera: http://www.emergingobjects.com/
• Estudio californiano que investiga con la impresión con sal: http://faulders-studio.com/proj_geo_tube.html
• Estudio londinense trabajando en el diseño de la base lunar con impresión 3D: http://www.fosterandpartners.com/news/foster-+-partners-works-with-european-space-agency-to-3d-print-structures-on-the-moon/ junto con la Agencia Espacial Europea http://www.esa.int/Our_Activities/Technology/Building_a_lunar_base_with_3D_printing
• Estudio italiano de diseño que trabaja con la impesión 3D para mobiliario y elementos de decoración: http://www.futurefactories.com/designdetails.php?s=5
• Estudio italiano de arquitectura que investiga sobre impresión 3D a escala humana en colaboración con Enrico Dini:
• http://www.marcoferreridesign.it/architettura/2010unacasalav.html
• Estudio londinense de arquitectos que investiga sobre impresión 3D a escala humana en colaboración con Enrico Dini: http://www.shiro-studio.com/projects.php
• Estudio californiano de diseñadores que investiga con la impresión en azúcar: http://the-sugar-lab.com/
• Estudio belga de diseñadores que investigan con la impresión en cerámica y otros materiales: http://unfold.be/pages/projects

Recursos audiovisuales en páginas web:

SLS:

• http://www.mashpedia.com/Selective_laser_sintering
• http://vimeo.com/14737152

SLA:

• http://www.mashpedia.com/Stereolithography
• http://vimeo.com/13939214

FDM:

• http://www.mashpedia.com/Fused_deposition_modeling
• http://vimeo.com/14292165

InkJet-ZCorp:

• http://www.mashpedia.com/Z_Corporation

InkJet-Objet:

• http://www.mashpedia.com/Objet_Geometries
• http://vimeo.com/13935166

DLP-EnvisionTEC:

• http://www.mashpedia.com/EnvisionTEC

3D Printing:

• http://www.mashpedia.com/3D_printing
• http://vimeo.com/16882178
• Recopilación de recursos webs sobre prototipado rápido:
• http://fabbaloo.com/3d-resources/