ANÁLISIS TÉCNICO-ECONÓMICO DE TÉCNICAS DE … · 2012-11-15 · Análisis técnico-económico de técnicas de fabricación aditiva para aplicación en diferentes sectores industriales

ANÁLISIS TÉCNICO-ECONÓMICO DE

TÉCNICAS DE FABRICACIÓN ADITIVA

PARA APLICACIÓN EN DIFERENTES

SECTORES INDUSTRIALES.

Autor: Manuel Porras Rodríguez

Director: Silvia Fernández Villamarín

Madrid

Agosto 2012

Análisis técnico-económico de técnicas de fabricación aditiva para aplicación en diferentes sectores industriales.

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ANÁLISIS TÉCNICO-ECONÓMICO DE TÉCNICAS DE FABRICACIÓN

ADITIVA PARA APLICACIÓN EN DIFERENTES SECTORES

INDUSTRIALES.

Autor: Porras Rodríguez, Manuel.

Director: Fernández Villamarín, Silvia.

Entidad Colaboradora: ICAI – Universidad Pontificia Comillas.

RESUMEN DEL PROYECTO

El objetivo de este proyecto es dar a conocer las tecnologías de fabricación

aditiva presentes hasta el momento y realizar un análisis de la elaboración de un

objeto teniendo en cuenta el proceso de fabricación convencional frente al aditivo

teniendo en cuenta criterios de ecodiseño.

En primera instancia se ha realizado un estudio de las tecnologías aditivas

describiendo su evolución desde el momento de su aparición en 1987 hasta nuestros

días, recorriendo las innovaciones más importantes en tecnologías y materiales por

parte de las empresas punteras en este sector. La fabricación aditiva se basa en la

reproducción de un modelo digital 3D en materiales plásticos, metálicos o cerámicos

(también en papel, aunque no se contempla para aplicaciones como la descrita en este

proyecto por sus propiedades). Esto se consigue mediante la descomposición del

modelo 3D en capas muy finas que se irán fabricando una encima de otra hasta

completar el objeto. A continuación se describen las fases por las que se rige un

proceso habitual de fabricación aditiva. Asimismo se presenta una descripción de los

diferentes tipos de fabricación aditiva siguiendo una clasificación que delimita las

tecnologías encasillándolas según la fuente que aporta la energía (pudiendo ser punto

a punto (0D), en línea (1D) o en capa (2D)) y la aportación de material (punto, línea o

lecho).

Se incluye un apartado en el que se explican las ventajas y limitaciones de este

tipo de procesos frente a los convencionales (moldeo, arranque de material y

conformado), siendo la característica más relevante la facilidad en la reproducción de


3

piezas con geometrías complicadas y la desventaja más patente la velocidad de

fabricación.

Para la ilustración de este proyecto se ha concebido un radiador de tipo panal

de abeja. Las razones por las cuales se ha escogido este tipo de intercambiador de

calor se resumen en la difícil geometría que presenta así como la laboriosidad del

proceso mediante tecnologías convencionales. Como su nombre indica, este radiador

tiene la estructura de un panal de abeja, las celdillas son conductos por los que circula

el aire libremente y entre celdilla y celdilla existe un espacio hueco por el que circula

el refrigerante, agua en este caso. Esta geometría se consigue fabricar mediante dos

métodos convencionales diferentes, a saber:

- Modificando los extremos de unos tubos convirtiéndolos en hexágonos para

su posterior ensamblaje en estructura de panal y soldándolos entre sí garantizando de

esta manera que el agua no discurra fuera de los conductos internos.

- Deformando una chapa imprimiendo la forma hexagonal sucedidamente y

uniendo varias de estas chapas para formar los recintos hexagonales completos.

Posteriormente se procede a un soldado de las junta para, al igual que en el caso

anterior, garantizar que no haya pérdida de agua.

- Por parte de la fabricación aditiva, se ha aprovechado su ventaja principal y

se han incluido aletas al diseño original, un total de seis aletas por hexágono, lo que

hace al radiador mucho más eficiente.

Se incluye asimismo una estimación del precio de realización del radiador de

panal y se elabora un comentario de carácter comparativo a la vista de los resultados

obtenidos, tanto económicamente como medioambientalmente.


4

PROJECT ABSTRACT

The objective of this project is to introduce additive manufacturing technologies to

date and present an analysis of the development of an object given the manufacturing

process compared to conventional additive considering ecodesign criteria.

In the first instance has made a study of additive technologies describing its evolution

from the time of its appearance in 1987 until today, covering the most important

innovations in technology and materials from the leading companies in this sector.

Additive manufacturing is based on making a 3D digital model in plastic, metal or

ceramic (also on paper, but not considered for applications as described in this project

for their properties). This is achieved by the decomposition of the 3D model in very

thin layers that will be fabricating one above another to complete the object. The

following describes the stages through a process governed usual additive

manufacturing. It also presents a description of the different types of additive

manufacturing delimiting following a classification classified according the

technology that provides the energy source (which may be point to point (0D) at line

(1D) or layer (2D)), and providing material (point, line or bed).

It includes a section that explains the advantages and limitations of this type of

process versus conventional (molding, material removal and forming), being the most

relevant characteristic ease in reproducing complex part geometries and disadvantage

more patent manufacturing speed.

For illustration of this project has been designed a honeycomb radiator. The reasons

why this type has been chosen heat exchanger are summarized in geometry that

presents difficult and laborious by the conventional technologies. As the name

suggests, this radiator has the structure of a honeycomb, the cells are channels

through which air circulates freely between cell and there is a hollow space cell by

circulating coolant, water in this case. This geometry is achieved by manufacturing

two different conventional methods, namely:

- Modifying the ends of tubes making them for subsequent hexagons honeycomb

structure assembly and welding them together thus ensuring that the water not flow

outside of the internal passageways.


5

- Deforming a printing plate in hexagonal shapes and joining several of these plates to

form complete hexagonal enclosures. Then proceed to a soldier gasket, as in the

previous case, to ensure that no leakage of water.

- On behalf of additive manufacturing, has leveraged its main advantage and fins have

been included to the original design, a total of six fins per hex, which makes much

more efficient radiator.

It also includes an estimate of the price of the radiator honeycomb embodiment and a

review is made of a comparative nature in view of the results obtained, both

economically and environmentally.


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DOCUMENTO Nº1, MEMORIA


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8

DOCUMENTO Nº1, MEMORIA.

ÍNDICE

PÁGINAS

1.- INTRODUCCIÓN Y PLANTEAMIENTO. ..........................................................12

1.1.- Introducción. ........................................................................................12

1.2.- Objetivo. ...............................................................................................13

1.3.- Motivación. ...........................................................................................14

2.- DESCRIPCIÓN DE LAS TECNOLOGÍAS. .........................................................16

2.1.- Introducción. ........................................................................................16

2.2.- Visión histórica. ....................................................................................18

2.3.- Fases. ....................................................................................................30

2.4.- Clasificación de técnicas aditivas. ...........................................................34

2.5.- Ventajas. ...............................................................................................63

2.6.- Limitaciones. .........................................................................................71

2.7.- Fabricación híbrida. ..............................................................................75

3.- DESCRIPCIÓN DEL ANÁLISIS A REALIZAR. .................................................80

3.1.- Introducción. ........................................................................................80

3.2.- Procesos a ejecutar. ...............................................................................83

3.3.- Operaciones a realizar. ..........................................................................85

4.- CRITERIOS DE ECODISEÑO. ...........................................................................90

4.1.- Introducción. ........................................................................................90

4.2.- Factores motivantes. ..............................................................................92

4.3.- El sistema de ecoindicadores (ecoindicator99). ........................................94

4.4.- Ecodiseño del radiador de panal. ......................................................... 109

5.- BIBLIOGRAFÍA. .............................................................................................. 114


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ÍNDICE DE IMÁGENES

PÁGINAS PÁGINAS

Ilustración 1. Concepción de modelo 3D. ..................................................................31 Ilustración 2 triangulación de superficie ....................................................................32 Ilustración 3. Emplazamiento de piezas y soportes. .............................................33 Ilustración 4 elipse seccionada (a menor espesor de capa mayor precisión geométrica) 34 Ilustración 5 Laser cladding. Cortesía de GNClaser ...................................................40 Ilustración 6 Diferentes inyectores laser cladding .......................................................40 Ilustración 7 FDM selectivo. Cortesía de custompartnet. ............................................42 Ilustración 8. Cabezal de Polyjet y esquema (derecha). Cortesía de undoprototipos.com

y objet.com. ..............................................................................................................44 Ilustración 9. Proceso SLA. Costesía de custompartnet.com .......................................46 Ilustración 10 Figura humana en máquina Materialise...............................................47 Ilustración 11. Esquema SLS. Cortesía de custompartnet.com ....................................49 Ilustración 12 Bloque motor fabricado por SLS ..................................................50 Ilustración 13. Proceso de fabricación de una capa mediante MultiBeamTM

(precalentamiento, perfilado y finalización) ...............................................................52 Ilustración 14. Proceso de fabricación DMLS ............................................................54 Ilustración 15 Proceso de 3DP. Cortesía de custompartnet.com ..................................56 Ilustración 16. Sistema MicroLightSwitches. Cortesía de Huntsman.com....................57 Ilustración 17.Perfactory, cortesía de EnvisionTec.com ....................................59 Ilustración 18.PerfactoryXede, cortesía de EnvisionTec.com ............................60 Ilustración 19. Proceso LOM, cortesía de custompartnet.com .....................................61 Ilustración 20. Figura "Radiolara" mediante D-SHAPE, cortesía de d-shape.com .......62 Ilustración 21. Estructura fractal, cortesía de treehugger.com ..........................65 Ilustración 22. Aligeración de turbina, cortesía de mfginamerica.com .............66 Ilustración 23. Objetos multimaterial, cortesía de objet.com .............................67 Ilustración 24. Mecanismo de ruedas engranadas. cortesía de usminc.com ....69 Ilustración 25. Intercambiador de panal cerámico. .............................................80 Ilustración 26. Radiador de panal Fiat. Cortesía de www.faculty.virginia.edu ..81 Ilustración 27. Maquinaria para el doblado de la chapa ......................................82 Ilustración 28.Cizalla para el corte de la chapa ...................................................82 Ilustración 29. Unión de chapas por parejas. ......................................................82 Ilustración 30. Apilado de las chapas formando el conjunto. ............................83 Ilustración 31. Conjunto después del soldado por inmersión. ...........................83


10

ÍNDICE DE TABLAS

PÁGINAS

Tabla 1. Visión histórica AM .................................................................................30 Tabla 2. Clasificación AM ......................................................................................38 Tabla 3. Procesos partiendo de tubos .................................................................86 Tabla 4. Procesos partiendo de plancha. .............................................................87 Tabla 5. Procesos AM ............................................................................................87 Tabla 6. Relación aspecto e impacto ambiental ..................................................91 Tabla 7. Ecoindicadores de materiales. ...............................................................96 Tabla 8. Ecoindicadores de procesos productivos ........................................... 100 Tabla 9. Ecoindicadores de energías ................................................................. 102 Tabla 10. Ecoindicadores de transporte ............................................................ 103 Tabla 11. Ecoindicadores de desecho y reciclaje ............................................. 106 Tabla 12. Tabla tipo ecoindicadores. .................................................................. 108 Tabla 13. Ecoindicador radiador a partir de tubos. ........................................... 110 Tabla 14. Ecoindicadores radiador a partir de plancha .................................... 112 Tabla 15. Ecoindicadores radiador AM .............................................................. 113


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12

1.- INTRODUCCIÓN Y PLANTEAMIENTO.

1.1.- Introducción.

Se entiende la fabricación como la producción de objetos gracias a la ayuda de

medios mecánicos. Con la llegada de la Revolución Industrial a finales del siglo

XVIII se cambió por completo la forma de ver la manufacturación; se pasó a dejar la

artesanía apartada para poder utilizar procesos de mecanización y fabricación en serie

gracias, por ejemplo, a la aplicación de la máquina de vapor en la producción. Se

considera además que ésta es la primera revolución industrial, basada en la

adquisición de energía a través del carbón, una Segunda a finales del siglo XIX con la

utilización del petróleo y la electricidad, e incluso una Tercera cuando se habla del

uso de energía nuclear combinada con las anteriores (mediados siglo XX). El resto de

innovaciones se podrían considerar como una revolución tecnológica (robotización,

energías renovables,…).

Existen hoy en día gran cantidad de medios mecánicos diferentes que trabajan

de formas completamente distintas entre ellos. Básicamente se podrían clasificar en

tres grandes grupos, a saber: por mecanizado de material, por conformación de

material y por adición de material (objeto este último del estudio llevado a cabo). Se

entienden los dos primeros como los procesos de fabricación convencionales ya que

son los que más tiempo llevan instaurados en nuestra sociedad.

La fabricación por mecanizado de material es aquella en la cual se parte de un

trozo de material o una pieza sin terminar y el modelado se realiza mediante la

sustracción de material. Esta fabricación se puede llevar a cabo mediante diferentes

procesos que se pueden agrupar en procesos de arranque de viruta y procesos de

abrasión. En función de las herramientas usadas se realizarán diferentes operaciones

(pulido, taladrado, desbastado, fresado, torneado…).

La fabricación por conformado de material se refiere a la obtención de

geometrías en una pieza mediante la deformación de la misma. En este sector se

puede incluir el moldeo ya que no es más que la deformación de material mediante

calor para poder rellenar un molde, aunque también puede considerarse una categoría


13

a parte. Al igual que en la fabricación por mecanizado se pueden distinguir diferentes

procesos según las tecnologías utilizadas; de esta forma, se puede hablar de

fundición, pulvimetalurgia, moldeo por inyección, soplado (en procesos de moldeo) y

laminación, forja, extrusión, estirado, conformado (en procesos de deformación

plástica).

La fabricación aditiva, o Additive Manufacturing (AM), se entiende como una

fabricación en la cual se hace uso de una serie de tecnologías que, en un proceso

automático, producen objetos tridimensionales directamente desde un modelo digital

mediante la deposición de material de una forma muy precisa. Una característica de

este tipo de tecnologías es la innecesaridad de un utillaje especializado durante el

proceso de fabricación.

Existe una amplia variedad de tecnologías en este campo; no se puede estar

ante una nueva Revolución Industrial ya que no se debe entender como tal al no

variar las fuentes de sustracción de energía; pero sí se trata de una revolución

tecnológica, ya que se tiene la posibilidad de realizar piezas de geometrías con

altísimo grado de dificultad prescindiendo de utillajes; idílicamente, esta manera de

entender la fabricación se podría ver como una tecnología que reproduce cualquier

objeto que se desee siempre que éste se pueda dibujar.

1.2.- Objetivo.

El objetivo principal de este proyecto es dar a conocer las ventajas que

presentan estos métodos de fabricación de carácter novedoso frente a los

convencionales, ya que su implantación garantiza un valor añadido a los objetos

fabricados, supone una fabricación prácticamente sin residuos (no se parte de un

exceso de material), aumenta en un alto grado la concepción de diseños novedosos

con geometrías hasta ahora inalcanzables o muy costosas,… y otras ventajas que se

enumerarán más adelante.

Se concebirá una pieza (en este caso un intercambiador de calor de tipo panal

de abeja) que se proyectará teniendo en cuenta su fabricación mediante métodos

convencionales y mediante métodos aditivos de forma simulada. Se finalizará con un


14

apartado de conclusiones en el cual se dejarán patentes las ventajas y desventajas que

presentan estos métodos de fabricación.

Se tendrán en cuenta los siguientes aspectos:

- Coste de fabricación.

- Funcionalidad.

- Valoración con criterios de ecodiseño.

1.3.- Motivación.

Este proyecto se centra en las posibilidades de los procesos de fabricación

aditivos ya que es una opción a tener en cuenta a la hora de fabricar un determinado

objeto que se tiene en mente. La fabricación aditiva elimina barreras que se presentan

en otros procesos sobre todo en el ámbito de la geometría; de esta forma, piezas que

se fabrican mediante otros métodos para poder realizar un conjunto final, podrían ser

suprimidas para, directamente, realizar el conjunto final. Se abre ante nosotros un

amplio abanico de simplificación y diseño en la fabricación, tanto de prototipos como

de piezas finales. También se debe tener en cuenta la posibilidad de realizar

fabricaciones híbridas para poder aprovechar las ventajas que presenta cada tipo de

proceso ya que, aunque revolucionarios, los procesos aditivos no se caracterizan por

su velocidad, pudiendo ser preferible partir de una pieza previamente mecanizada por

ejemplo. En nuestro caso particular no existe la posibilidad de contemplar una

fabricación híbrida del conjunto, sería contraproducente.

Además de la facilidad para llevar a cabo este radiador de panal de abeja con

tecnologías aditivas, también se aprovecharán las ventajas que presentan estas

tecnologías mediante la inclusión en el diseño convencional de unas aletas para

mejorar el funcionamiento del intercambiador, aspecto que no supondría un gran

sobrecoste en términos generales, pero que supone una gran diferencia en términos de

eficiencia del intercambiador.

Por otra parte, si se echa un vistazo al cariz que va tomando la mentalidad de

la sociedad actual, se observa que cada vez cobran más importancia los diseños

personalizados, objetos que marquen la diferencia frente al resto; y, mediante este


15

tipo de tecnologías y la implantación del escaneado 3D, se pueden conseguir artículos

fabricados específicamente para las necesidades o el gusto de un individuo sin que

ello suponga un sobrecoste apreciable en el valor final del producto. Se hace

referencia a este aspecto ya que cada vez se va extendiendo más esta mentalidad que

casi parece dar más valor al diseño que a la funcionalidad. En este caso en particular

se ha escogido el radiador de panal de abeja para automóviles ya que es un artículo

prácticamente descatalogado en el sector debido a la complejidad constructiva que

presenta (barrera que no preocupa especialmente a la hora de fabricar mediante

métodos aditivos).


16

2.- DESCRIPCIÓN DE LAS TECNOLOGÍAS.


La fabricación aditiva (AM) se ha clasificado como unos de los tres procesos

de fabricación, esta clasificación que se propone diferencia los procesos sustractivos,

los procesos de conformado (donde se han introducido las técnicas de moldeo así

como las que son denominadas usualmente como conformado) y los procesos

aditivos. Se debe aclarar que existen más procesos a parte de estos que se clasificarán

como procesos de unión (aquí se introducen los ensamblajes, soldaduras, pegados,

etc).

Existe una gran variedad de técnicas diferentes dentro de los procesos

aditivos, pero todos ellos permiten la obtención de piezas desde un archivo CAD 3D;

quizás por esta variedad se han dado múltiples nombres a las técnicas aditivas, como

Direct Manufacturing, Additive Layer Manufacturing o e-manufacturing entre otros.

Los procesos de AM no son destacados por su alta velocidad de fabricación y,

por lo tanto, no se instauran para grandes volúmenes de producción. Se deben usar

teniendo en cuenta dónde supone una ventaja su aplicación, no siendo necesaria una

fabricación íntegra en AM pudiendo complementar ésta con otros procesos de

fabricación.

Se presenta a continuación una visión general de algunas diferencias en el

proceso de fabricación según su procedencia:

En procesos convencionales la fabricación de una pieza compleja exige un

aumento de la complejidad en el proceso de fabricación lo que se traduce en un

sobrecoste. En el caso de procesos aditivos un aumento de la complejidad de la pieza

no se tiene por qué traducir en un aumento de dificultad en el proceso de fabricación;

generalmente un aumento de la complejidad se refleja en ahorro de material y por lo

tanto de tiempo. Las complejidades añadidas a un diseño se transforman en

dificultades a nivel CAD de la pieza.

Si se echa un vistazo a procesos de moldeo existen factores a tener en cuenta

como los ángulos de desmoldeo, huecos interiores en piezas, líneas de partición,

acabados superficiales, situación de canales, mazarotas,… Todos estos factores han


17

de estar definidos claramente en un proceso de moldeo siguiendo las pautas

pertinentes; si se llevan estos problemas al ámbito de la fabricación aditiva se observa

que no ha de prestarse atención a ninguno de esos factores.

En la fabricación de un elemento en ocasiones se precisa de la unión de varias

piezas para conformar el producto final; muchos de estos elementos se fabrican a

parte por la imposibilidad de su integración, desde un principio, al conjunto. La

fabricación aditiva permite fabricar eso que se ha considerado como un conjunto

como si fuese una pieza individual.

Estas son algunas particularidades de los métodos de fabricación aditivos en

comparación a los métodos convencionales. En el capítulo siguiente se ahonda más

en detalles específicos de cada método.

Estos procesos de fabricación aditiva surgen primeramente con el nombre de

Prototipado Rápido (Rapid Prototyping, RP) ya que en un primer momento se

concibieron estas tecnologías con el fin último de la realización de prototipos. En

1987 se da a conocer el primer proceso de AM, un proceso de rapid prototyping de

estereolitografía (SL) propiedad de una empresa norteamericana llamada 3D Systems.

Esta estereolitografía se realiza gracias a la solidificación de capas de resina

fotosensible por la mediación de un láser. Una vez comercializado el primer sistema

de prototipado en EE.UU., surgieron empresas japonesas (NTT y Sony/D-MEC) que

también tenían algo que decir en este asunto con sus propias máquinas de

estereolitografía en los años 1988 (NTT) y 1989 (Sony/D-MEC). Estas novedades no

llegaron a calar en Europa hasta que en 1990 la empresa alemana EOS (Electro

Optical Systems) desarrolla su sistema “Stereos”. Posteriormente se inician las

aplicaciones de nuevas tecnologías, FDM (Fused Deposition Modeling, de la empresa

americana Stratasys) en la que se realiza la extrusión de un filamento que se funde en

un cabezal de fusión, SGC (Solid Ground Curing, de la israelí Cubital), que trabaja

con resina fotosensible pero solidifica cada capa en una sola operación gracias a una

máscara de tinta electrostática en un vidrio, y LOM (Laminated Object

Manufacturing, de la estadounidense Helisys), la cual trabaja cortando hojas de papel


18

con un láser (actualmente trabaja con termoplásticos también); todas ellas surgen en

1991.

En 1992 brotan los sistemas de sinterización SLS (Selective Laser Sintering,

de la empresa americana DTM), este método funde polvos metálicos mediante un

láser, pudiendo de esta forma obtener matricería directamente.

A partir de 1992 se empiezan a desarrollar nuevas tecnologías de forma

bastante continua. En el siguiente apartado se recoge información de avances en el

sector aditivo desde su nacimiento hasta nuestros días.

2.2.- Visión histórica.

Año Tecnología/máquina Procedencia Características/aclaraciones

1987 Estereolitografía

(SL)

3D Systems

(EEUU)

primera máquina SL, resina fotosensible

a UV

1988

3D Systems

(EEUU)

primeras resinas acrílicas, en

colaboración con Ciba

Estereolitografía

(SL)

DuPont

(EEUU) máquina SL

Estereolitografía

(SOUP)

NTT/CMET

(Japón) máquina SL

Estereolitografía

(SCS)

Sony/D-MEC

(Japón) máquina SL

Asahi Denka

Kogyo (Japón) primera resina epoxy para CMET

1990 estereolitografía

(Stereos)

Electro Optical

Systems

(Alemania)

resina fotosensible a luz visible

1991

Fused Desposition

Modeling (FDM)

Stratasys

(EEUU)

primera máquina extrusión de hilo,

termoplástico

Solid Ground Curing

(SGC) Cubital (Israel)

primera máquina de solidificación por

máscara, polímeros líquidos sensibles a

UV

Laminated Object

Manufacturing

(LOM)

Helisys

(EEUU) corte y pegado de hojas de papel

1992

Selective Laser

Sintering (SLS)

DTM (3D Sys.,

EEUU)

primera máquina de sinteriazado

selectivo con láser

Soliform Teijin Seiki

(CMET, Japón)

basado en tecnología "Somos" de

DuPont (fusión de polímeros con láser)

Allied Signal resinas vinílicas para SL

1993 Direct Shell Soligen inyección de polvos cerámicos con


19

Production Casting

(DSCP)

(EEUU) aglutinante, inventado por el Instituto

Tecnológico de Massachusetts

3D Systems

(EEUU)

primera resina epoxy de 3DSys en

colaboración con Ciba

Estereolitografía Denken (Japón) primera máquina de bajo coste y

ubicable en una mesa de trabajo

1994

ModelMaker

Sanders

Prototype

(EEUU)

deposición de céridos mediante una

cabeza de inyección

estereolitografía Meiko (Japón) pequeña máquina destinada a joyería

Solid Center Kira Corp.

(Japón)

corazón de impresora láser, toner, y una

cuchilla x-y para imitaciones de madera

con papel

EOSINT (SLS)

Electro Optical

Systems

(Alemania)

Primera máquina europea de tecnología

SLS

1996

1996

Personal Modeler

2100

BPM Tech.

(EEUU)

cesa a finales de 1997, desposición de

materiales céreos mediante cabeza

impresora

Estereolitografía

Modeling (Somos)

Aaroflex

(EEUU)

comercialización de máquinas con la

tecnología DuPont en EEUU

Fused Desposition

(Genisys)

Stratasys

(EEUU)

basado en procesos aditivos

descubiertos por IBM

Actua 2100 3D Systems

(EEUU)

comercialización de máquinas,

inyección de materiales céreos

Z402 Z Corp (EEUU)

máquina con sistema de inyección MIT,

materiales basados en almidón o yeso

con aglutinante líquido

1997

Laser Additive

Manufacturing

(LAM)

AeroMet

(EEUU)

laser de alta potencia con polvos de

aleaciones de titanio

1998

FDM

Beijing Yinhua

Rapid

Prototypes

(China)

gran aumento de venta de productos

FDM

Laser Engineered Net

Shaping (LENS)

Optomec

(EEUU)

basado en polvos metálicos con

tecnología de los Laboratorios

Nacionales Sandia

1999

ProMetal RTS-300

Extrude Hone

(Ex One,

EEUU)

basado en tecnología MIT

Estereolitografía

(Somos) DSM (EEUU) compra maquinaria Somos de DuPont

Controlled Metal

Buildup (CMB)

Röders

(Alemania)

basado en la tecnología del Instituto

Láser de Fraunhofer

Selective Laser Fockele und fusión selectiva de polvos de acero


20

Melting (SLM) Schwarze

(Alemania)

2000

2000

Laminated Object

Manufacturing

(LOM)

Toyoda

Machine Works

(Japón)

primera máquina LOM en Japón

Rapid Tool Maker

(RTM)

Sanders Design

(EEUU) vende tecnología a Alemania

3D color printer

Buss Müller

Technology

(BMT,

Alemania)

impresión 3D en color, tecnología de

polvos+aglutinante

Quadra

Objet

Geometries

(Israel)

inyección y solidificación de UV

fotopolímeros usando 1536 boquillas

(precursor de polyjet)

PatternMaster

Sanders

Prototype

(EEUU)

máquina usada para producir patrones

precisos de cera

Direct Metal

Deposition (DMD)

Precision

Optical

Manufacturing

(EEUU)

proceso de revestimiento láser para

fabricar/reparar piezas con metal en

polvo

Z402C Z Corp (EEUU) primera impresora 3D a color comercial

Prodigy (FDM) Stratasys

(EEUU) produce piezas en plástico ABS

Sanders

Prototype es

Solidscape

cambia nombre debido a confusión con

Sanders Design

Teijin Seiki

(CMET, Japón)

cambia nombre a CMET tras la

adquisición de su tecnología

2001

OptoFrom 3D Systems

(EEUU)

tecnología francesa, usa cerámicas,

metales y otros materiales en forma de

pasta fotosensible

desktop machine Solidimension

(Israel)

lamina finos folios de PVC, no

consiguen vender máquinas hasta 2004

Ultrasonic

Consolidation

Solidica

(EEUU)

mediante presión y ultrasonidos se

realiza una soldadura capa a capa; cada

capa se mecaniza con una fresadora

CNC

Aaroflex and

Cubital desaparecen del mercado

FDM Titan Stratasys

(EEUU)

producción en policarbonato, ABS,

polifenilsulfona y mezcla

policarbonato/ABS

3D Systems

(EEUU)

compran completamente DTM y RPC

(pequeña empresa suiza)

Perfactory machine Envision Tec polímeros acrílicos y procesado láser


21

(Alemania) digital (DLP), solidifica la capa entera

de una vez

Z810 Z Corp (EEUU)

fabricación 500x600x400 mm usando

seis cabezas impresoras de 300 chorros

cada una

Quadra Tempo

Objet

Geometries

(Israel)

versión mejorada de la anterior Quadra

DirectSteel 20V-1

Electro Optical

Systems

(Alemania)

polvo metálico de 20 micras en capas de

20 micras

EOSINT 380

Electro Optical

Systems

(Alemania)

sinterizado láser de mayor velocidad

Concept Laser

GmbH

(Alemania)

YAG (itrio-aluminio-granate) láser

funde polvos de acero inoxidable

Estereolitografía Uniontech

(China) venta de máquinas en China

GS1500 Generis GmbH

(Alemania)

técnica de inyección que funde núcleos

de arena para la fabricación de moldes

para fundición

RTS300 ProMetal

(EEUU) primera RTS300 en Europa

Rapid Solidification

Process (RSP)

RSP Tooling

LLC (EEUU)

preoceso de rociado metálico

descubierto por INEEL (Laboratorios

de Idaho)

2002

Dimension Stratasys

(EEUU)

deposición de ABS (sucesora de

Prodigy)

Perfactory y

Bioplotter

EnvisionTec

(EEUU) comercialización de máquinas

FDM,

estereolitografía y

sinterizado láser

Wuhan Binhu

Mec. &

Electrical

(China)

comercialización de máquinas

Phenix 900 Phenix Systems

(Francia)

usa la fase sólida de sinterización para

realizar piezas de metal y cerámica

DMD

Precision

Optical

Manufacturing

comercialización de maquinaria

2002 VLM300 Menix (Corea)

usa un hijo incandescente para el corte

de polyestireno con ángulos para

minimizar escalonamientos

NextDay Materialise Máquina de estereolitografía

2003 Zprinter 310 Z Corp (EEUU) similar al 3D con base de polvo de otras

compañías; sustituye a la Z400


22

Sony Precision

Tech America

(EEUU)

gracias a un acuerdo entre 3D Systems

y el departamento de justicia se venden

estereolitográficas Sony en América del

Norte

T612 Solidscape

(EEUU)

Sustituye a la PatternMaster por su

mayor velocidad y capacidad

volumétrica

Stratasys

(EEUU)

se une con Objet Geometries (Israel)

para la venta de maquinaria "Objet

Eden"en norteamérica hasta 2007

InVision 3D 3D Systems

(EEUU)

máquina similar a las objet, chorro y

solidificación de fotopolímeros

Wizaray Chubunippon

(Japón)

máquina de bajo coste para hacer piezas

acrílicas de 100x100x100 mm como

mucho

EOSINT M270

Electro Optical

Systems

(Alemania)

láser de fibra parecido al de CO2, usado

en EOSINT M250

TrumaForm DMD

505

Trumpf

(Alemania)

5 ejes, láser de 250 W y un cable de

fibra óptica para direccionar la luz sobre

puro metal en polvo, participación de

POM;

2004

Triplets (FDM) Stratasys

(EEUU)

"triplets" se refiere a 3 máquinas FDM

Vantage de diferente gama que trabajan

con ABS y policarbonato

Vanquish Envision Tec

(Alemania)

incorpora DLP (Digital Light

Processing, de Texas Instruments) para

solidificar fotopolímeros en una sola

operación

DSM (EEUU)

nuevos compuestos (nanocompuestos,

de alta elongación, gomas,

pirorretardantes y resistentes a altas

temperaturas

RX-1 ProMetal

(EEUU)

pequeña máquina (40x60x25 mm de

trabajo con metal) destinada a

educación e investigación

InVision HR

3D Systems

(EEUU)

InVision con alta resolución destinada a

joyería

Sinterstation HiQ

nuevos controles y opciones de escaneo

térmico para la mejora de la fabricación

rápida (RM)

resina para estereolitografía: Bluestone

nanocomposite

Formation Solidica

(EEUU)

nueva versión de la máquina de

consolidación por ultrasonidos

Viper HA (SL) 3D Systems

(EEUU)

destinada al sector dedicado a la mejora

de audición


23

2004

Objet

Geometries

(Israel)

Vero FullCure 800, plástico de altas

prestaciones de color opaco

EOSINT P385

Electro Optical

Systems

(Alemania)

trabaja con plástico en capas muy finas

M1

Concept Laser

GmbH

(Alemania)

fusión láser para metales

DigitalWax 010 y

020

Next Factory

(Italia)

usa un láser para materiales

fotopoliméricos

T66 Benchtop y

T612 Benchtop

Solidscape

(EEUU)

no necesita unidad de

acondicionamiento de aire, por lo que es

más ligera que el anteriores modelos

2005

Spectrum Z510 Z Corp (EEUU) impresión 3D en color de alta calidad,

tiene gran volumen de trabajo

Sinterstation Pro 3D Systems

(EEUU)

máquina de gran capacidad de

sinterizado láser con conducción de

polvos y reciclaje

SEMplice Aspect Inc.

(Japón) máquina de sinterizado láser

Valspar Corp.

(Suiza) compra la tecnología de DSM Somos

Contex

Scanning Tech.

(Dinamarca)

adquiere Z Corp.

Objet

Geometries

(Israel)

introducen la línea de materiales

flexibles FullCure Tango para PolyJet

systems

RedEye Stratasys

(EEUU) servicio para proveer a clientes (online)

Eden500V

Objet

Geometries

(Israel)

formato agrandado PolyJet

Zprinter 310 Plus Z Corp (EEUU) actualización de la Zprinter 310

Viper pro SLA 3D Systems

(EEUU)

más grande que la Viper con sistema

modular que permite funcionar con uno

o dos recipientes de resina

3D Systems

(EEUU)

nueva poliamida (DuraForm EX) para

la Sinterestation

Perfactory Envision Tec

(Alemania) actualización de la Perfactory

SLM Realizer 100 MCP

(Inglaterra)

fundido láser selectivo para

medio/micro aplicaciones

VX800 Voxeljet Tech

GmbH

sistema de polvo termoplástico que usa

tecnología 3DP (usada por Zcorp,


24

(Alemania) proveniente de MIT)

AeroMet

(EEUU)

cesa sus operaciones (al parecer hacer

partes de titanio para el sector

aeroespacial no era rentable)

2006

2006

Speed Part

(Suecia)

lámparas infrarrojas proyectan luza a

través de una máscara para sinterizar

polvos (10 segundos por capa)

Stratasys

(EEUU)

firma un acuerdo con Arcam (Suecia)

para ser el único distribuidor de EBM

(fusión por haz de electrones)en

norteamérica

Soligen

(EEUU) cesa el negocio tras 12 años

Eden 350/350V/250

Objet

Geometries

(Israel)

actualización de las Eden

InVision DP 3D Systems

(EEUU)

incluye un escáner 3D así como la

máquina para el sector dental

Vantage X Stratasys

(EEUU) actualización de la anterior Vantage

EOS(Alemania) introducción de materiales de acero y

cromo-cobalto

Dimension 1200 Stratasys actualización de la anterior Dimension

3D printer

Desktop

Factory

(EEUU)

máquina a un precio de unos 5000 € de

luz halógena y tambor de pintura para

plástico en polvo

DSM (EEUU)

NanoTool, nanopolímeros de alta

resistencia al calor

ProtoGen OXT

18120 y O-XT 18420

trabajo con SL sobre materiales

parecidos al ABS con alta precisión

Acura 60 3D Systems

(EEUU)

trabaja con un fotopolímero parecido al

policarbonato

TrumaForm LF Trumpf

(Alemania)

construcción en lecho de polvo por la

fusión selectiva con un disco láser de

Trumpf

Stratasys

(China)

apertura de una oficina de la empresa

americana en Shanghai

Formiga P100

Electro Optical

Systems

(Alemania)

sinterizado láser diseñado desde cero

EOSINT P390/P730

Electro Optical

Systems

(Alemania)

máquinas de alto rendimiento

estereolitografía Next Factory

(Italia)

máquina con mejoras en velocidad y

capacidad

Meiko (Japón) cesa sus operaciones


25

LENS Optomec

(EEUU)

Tecnología para la reparación (y

fabricación) de piezas y herramientas

prolongando su vida útil

Maxus Materialise

(EEUU)

Máquina FDM, trabajo en ABS

Titan Máquina FDM menor que la Maxus,

pero más precisa

2007

V-Flash 3D 3D Systems

(EEUU)

usa una nueva tecnología de

transferencia de película y fotografías

flash

Dimension Elite Stratasys nueva versión de la Dimension

D66/R66 Solidscape

nuevas máquinas T66: D66 para el

sector dental, R66 para el sector de

joyería

Zprinter 450 Z Corp (EEUU)

primera impresora 3D a color con

precio inferior a 40000 $, extracción y

reciclado de polvos automático

DSM (EEUU)

DMX-SL 100, material de altaq

resistencia a impactos

WaterClear Ultra, material con

propiedades parecidas al ABS,

resistencia al agua y claridad mejorada

Huntsman

(EEUU)

71640, resina para lásed HeCd que

ofrece baja viscosidad y resitencia a

impactos

3D Systems

(EEUU) Acura 55, resina que imita el ABS

Advanced

Laser Materials

(EEUU)

poliamida para sinterizado láser de

propiedades piroretardantes

(propiedades similares al Nylon 11)

composite poliamida con alto grado de

reciclaje

Mammoth Materialise

(EEUU)

Máquina con capacidades superiores a 2

metros

2008

EOS+Trumpf Acuerdo para unir fuerzas en lo que se

refiere a sinterizado láser.

EOS

(Alemania)

Nueva poliamida de alta resistencia a

impactos, PrimePart DC; e Inconel 718

resistente a altos esfuerzos

Uso de EOSINT P 390 para fabricar el

motor de un avión no pilotado mediante

sinterizado plástico.

EOSINT P800 EOS

(Alemania)

Primera máquina AM de sinterizado

láser con materiales como PEEK HP3 o

cerámica de vidrio

Dental Lab DP

System

3D Systems

(EEUU) Nueva máquina para el sector dental


26

2008

ProJet CPX3000 Nueva impresora 3D de alta resolución

para patrones en cera.

iPro(tm) 9000 XL

(SLA)

Nueva máquina SLA con mayor

capacidad y precisión.

iPro(tm) 8000 SLA Máquina más asequible con parecidas

prestaciones a la 9000 XL

Dimension 1200 es

Stratasys

Nueva máquina para trabajar en

ABSplus, un 29% más rápida y un 50%

más de capacidad

ABS-M30i, nuevo termoplástico de alta

resistencia y biocompatible

Gran venta de máquinas a Peugeot

Brasil

FDM 900mc

Nueva máquina que presume de un

99.9% de precisión respecto del modelo

CAD

Smoothing Station Sistema semiautomático que consigue

rugosidades de entre 30 y 60 μm

Presentación de prototipo de una

chopper a escala real fabricado

íntegramente con FDM

Zprinter 650 Z Corp (EEUU) Remodelación de la anterior, mayor

velocidad, precisión y gama de colores

DSM (EEUU)

Nuevos compuestos biomédicos

Dyneema

Purity y Arnitel para unión de

tendones/articulaciones

Huntsman

(EEUU)

Nueva resina negra y composite flexible

Araldite ® Digitalis

MEMS (micro-electro mechanical

system), tecnología que incorpora MLS

(MicroLightSwitching®)

Connex 500

Objet

Geometries

(Israel)

Nueva máquina ligada a SolidWorks

con operaciones multimaterial

Eden 350/500

Remodelación de maquinaria con

tecnología Optimax, menos fallos,

mayor automatización y durabilidad

Alaris 30 Nueva máquina de reducidas

dimensiones y económica

DDP Enviosion Tec

(Alemania)

Máquina para el mercado dental, Digital

Dental Printer

Materiales para machos de colada sin

porosidad

D76 Solidscape Nueva máquina para el mercado dental

Digital Dental P ExOne (EEUU) Máquina destinada al sector dental

Mammoth Materialise

(EEUU)

Aumento de capacidad y mayor

precisión (0.1 mm por capa), nuevo


27

material Protogen White

2009

EOSINT M 270

EOS

(Alemania)

Remodelación de la antigua M270,

fabricación de calidad con titanio

Material IN 718, resiste altas

temperaturas, grandes esfuerzos y posee

propiedades criogénicas

3D Systems

DuraForm FR100, material fuego-

retardante (rango V0)

V-Flash Nueva máquina para uso particular

(10000$)

sPro 60 SLS Nueva máquina para uso profesional

3D Systems

MQast, plataforma digital para pedido

de piezas en Al o acero inox. Por parte

de particulares

ProJet MP3000 3D Systems

(EEUU)

Nueva máquina para el sector dental

ProJet 5000 Máquina con formato ampliado

uPrint

Stratasys

Impresora 3D personal valorada en

14900 $, trabaja con ABSplus (40%

más resistente que el habitual)

FORTUS Renombramiento de la antigua gama de

maquinaria industrial FDM

ULTEM, nuevo termoplástico resistente

a esfuerzos, químicos y altas

temperaturas

Zprinter 350 Zcorp Nueva máquina monocroma de bajo

coste, 20000$

DSM Stanyl ForTii™, poliamida

flamaretardante y termo-resistente

Objet

(Geometries)

(Israel)

FullCure 85VeroGray mejora del

anterior material FullCure 800

Connex350 Versión más pequeña de la Connex500

18 nuevos materiales de diferentes

propiedades para usar con Connex

(multimaterial)

Perfactory Xede

Envisiontec

Remodelación de la antigua Perfactory

Aureus Máquina de fotopolimerización para

alta resolución y baja productividad

D76+

Solidscape

D76 mejorada con SCP (smooth

curvature printing)

preXacto Nueva familia de maquinaria dental con

tecnología SCP

Materialise Xtreme, material resistente a impactos.

2010 EOSINT P395 y

P760

EOS

(Alemania)

Mejoras de las P390 (mejor calidad) y

P730 (doble láser de sinterizado),

fabricación plástica


28

2010

EOSINT M270 Dual

EOS

(Alemania)

Aplicación nitrógeno o argón en el

sinterizado en metales (8 materiales a

elegir)

AlSi10Mg, aleación de aluminio para la

M270

PA2200, material para implantes óseos

EOSINT M280 Mayor velocidad, repetibilidad y

capacidad que su antecesora

NickelAlloy IN625, aleación de altas

prestaciones y PrimePart ST, plástico de

flexibilidad variable

ProJet DP3000 3D Systems

(EEUU)

Actualización de mayores prestaciones

que la anterior DP

RapMan 3.0 Pequeña y simple máquina de

prototipado rápido en ABS

HP Stratasys Stratasys fabrica impresora 3D para la

compañía HP

Zprinter 150 y 250

ZCorp

Pequeña máquina de carácter

profesional desde 12990€ y 21990€

(multicolor)

Zprinter 310+ Máquina de impresión 3D para el sector

educativo, 15000€

ZBuilder Ultra

Máquina de altas competidora con la

inyección en plástico; más barata y

equiparables resultados.

Objet24 y 30 Objet

(Israel)

Máquinas para piezas en sucedáneo de

plástico ABS por 19900€

Eden 260V Objet Destinada al sector dental con precisión

de 24micras

S-Max ExOne Máquina de grandes dimensiones,

modelado en arena

Materialise Nuevo compuesto NeXt de gran

resistencia a impactos

2011

EOS

PA 2221, polímero que hace reducir el

consumo de material en un 30% frente a

similares

EOSINT P800

Capaz de trabajar con polímeros de alto

rendimiento gracias a sus sinterizado a

385ºC

ProJet 6000

3D Systems

Primera máquina “crossover”,

manejabilidad de una impresora 3D y

resultados profesional SLA

ProJet HD3000+ Volumen de construcción mayor,

precisión de 16 micras

Acura CastPro, material para procesos

de moldeado


29

2011

RapMan 3.1

3D Systems

Actualización de la 3.0 por un precio de

1300$

Adquisición de la línea de SLA de

Huntsman

FORTUS 250mc

Stratasys

Nueva máquina FDM de concepto

“crossover”

Policarbonato (PC10) para soportes,

mejora su extracción

Zprinter 650 ZCorp Mejor resolución e incorporación de

color negro a su cabezal, cuatricromía

Connex500

Objet

Nueva máquina multimaterial de

características mejoradas

Eden 350V

Capeado de 16 micras, permitiendo una

fabricación continua sin supervisión de

72h

Connex260

Capaz de ofrecer 14 diferentes acabados

en una misma pieza, menor tamaño que

la 500

MED610, nuevo material biocompatible

transparente

RGD525 material para aplicaciones en

temperaturas de hasta 100ºC

Ultra2 EnvisionTec

Máquina de carácter industrial para

múltiples aplicaciones

Solidscape

plusCast, material específico para

operaciones de moldeo

Stratasys adquiere Solidscape

LENS 850R Optomec Fabricación en metal.

ExMicro Orion ExOne Para recubrimiento de superficies y

fabricación en metal

Materialise Tusk SolidGrey3000 alta rigidez y

resistencia a impacto

2012

EOS

CPM (Cookson precious metal) se alía

con EOS para fabricación con metales

preciosos, joyería.

3D Systems

Adquiere la empresa ZCorp

3DTouch Máquina con display táctil de fácil uso,

3000€ con 1, 2 o 3 cabezales

Cube Pequeña impresora 3D multicolor con

tecnología wifi para uso personal

ProJet 3500

Cabezales MJM (MultiJetModelling) y

9 nuevos materiales y 8

configuraciones, pantalla táctil

ZPrinter 850 Con mayor volumen y velocidad

Mojo 3D Stratasys Máquina low-cost por 9900$ de alta

precisión


30

Objet

Adquiere Stratasys

2012

Objet 30Pro Máquina económica multimaterial (7

diferentes) precisión de 28micras

Perfactory Micro Envision Tec Pequeña máquina con resolución de 1

micra

Tabla 1. Visión histórica AM

2.3.- Fases.

Aunque existe gran variedad de procesos diferentes en la fabricación aditiva,

todos ellos siguen un mismo patrón en cuanto a sus fases. En una visión rápida se

podría dividir el proceso en dos fases fijas y una ocasional a saber:

1. Fase de digitalización: correspondiente a las operaciones realizadas

con el fin de conseguir el modelo .stl para que se pueda proceder a

la comprensión por parte de la máquina de AM, todo el proceso de

creación de la pieza en modelo CAD 3D. También se agrupan aquí

las tareas de ingeniería inversa si se ha requerido.

2. Fase de fabricación: se correspondería con el proceso en el que la

máquina está haciendo físicamente las capas del producto. También

se considera parte de esta fase las labores de emplazamiento de la

pieza y, si procede, concepción y/o fabricación de soportes.

Esta fase puede ser directamente la última si la pieza no precisa de

una retirada de soportes o un acabado superficial mejor al ofrecido

por la máquina.

3. Fase de acabado: se agrupan aquí los procesos de finalización de la

pieza que agrupa tanto labores por exigencias de acabado superficial

como la extracción de los soportes. En algunas ocasiones incluso un

vaciado y un posterior rellenado con un material como cobre u

operaciones térmicas para una mejora de las propiedades de la

pieza.


31

Seguidamente se redacta de forma más detallada lo que sería el proceso de

fabricación, se pueden entender las fases como las tres citadas anteriormente o como

las expuestas a continuación:

- Primeramente se pasa por la fase de concepción del producto como en

cualquier otro proceso productivo. En este caso la concepción del producto se ha de

plasmar no en un plano en 2D como es habitual sino en un modelo de CAD en tres

dimensiones. Este modelo 3D es la figura final y se genera con un software como

puede ser Rhinoceros, AutoCAD, Catia, etc. Pero también se puede realizar este paso

con un proceso de ingeniería inversa. Estos procesos parten de una pieza física para

hacerle un escaneado tridimensional que se transforma en una nube de puntos y,

mediante métodos de ingeniería inversa, finalmente en un modelo CAD.

Ilustración 1. Concepción de modelo 3D.

- Una vez obtenida de una u otra forma el modelo CAD se transforma éste en

una malla formada únicamente por triángulos que se ajusta a las superficies

concebidas; este proceso hace que la información en un principio ajustada a

tangencias, radios, límites, etc. se transforme en una información matemática que sólo

contempla esos triángulos interrelacionados y la posición de sus vértices (cualquier

plano se puede definir por tres puntos, de ahí el modelo triangular). Este formato se


32

conoce como .stl (proveniente la abreviatura de Stereolithography, estereolitografía,

el que se puede considerar como precursor del resto de métodos de fabricación 3D) y

puede trabajar bajo un formato binario o ASCII; el código ASCII tiene el

inconveniente de que ocupa un mayor espacio. En este tipo de formatos también es

posible incluir la información de color.

Ilustración 2 triangulación de superficie

Debido a la gran cantidad de triángulos que se generan en el archivo formato

.stl el tamaño del fichero se amplía considerablemente, por lo que un fichero .stl

puede ser miles de veces mayor que el CAD original. Esta cuestión está directamente

relacionada con la precisión que se requiera; mayor precisión, mayor número de

triángulos y, en definitiva, un mayor tamaño del archivo. También está relacionada,

obviamente, con la complejidad presente en el modelo CAD. Es una tarea

imprescindible comprobar y corregir la malla de triángulos para evitar posibles

errores en la fabricación.

Un punto a tener en cuenta al trabajar con este tipo de formatos es que la

modificación de parámetros es bastante complicada ya que toda la información

geométrica se ha perdido para cambiarla por información matemática, para ello es

preferible regresar al fichero CAD 3D. Actualmente hay software capacitado para

realizar y modificar diseños de una forma parecida a la que se encontraría en un

software de CAD 3D.

- En la siguiente fase se emplaza virtualmente el objeto en un espacio, que es

la réplica del volumen de trabajo que tiene la máquina de AM, hasta orientar la pieza

correctamente. Una vez orientada la pieza se puede proceder al posicionamiento de

estructuras de soporte en zonas que sean de voladizo ya que no se puede hacer que

solidifique el material en el aire. Es uno de los problemas que tienen alguno de los


33

procesos de AM. Generalmente se dispone de software dedicado al diseño de estos

soportes, los cuales se integran en el fichero .stl original para poder proceder a la

siguiente fase.

Ilustración 3. Emplazamiento de piezas y soportes. - A continuación se puede dar el paso de “capear” toda la pieza a partir del

modelo .stl, aquí se obtienen capas tanto de la pieza como de los soportes. Estas

secciones se realizan a un espesor de capa determinado según la precisión que se

necesite; este rebanado o slicing se hace en la totalidad de la pieza desde la posición

inferior (posición definida en el paso anterior).

Como en otras fases de fabricación aquí también intervienen determinados

software concebidos para esta tarea. Es en esta fase donde se fundamentan los

procesos de fabricación aditiva, gracias a este paso se consigue simplificar una

geometría 3D en un apilamiento de geometrías 2D (aunque obviamente la capa tiene

un cierto grosor, puede considerarse despreciable frente al resto de medidas) es la

transformación de una ardua tarea en una sucesión de tareas sencillas (ya que la

complejidad geométrica se reduce a la creación de contornos cerrados en los que hay

o no material).

Se debe aclarar que en el transcurso de esta operación se pierde cierta

información asociada a la geometría; esto es debido al grosor de capa. El hecho de


34

realizar una capa implica que el borde de cada capa sea vertical, por lo tanto cualquier

geometría que no sea completamente vertical respecto al corte no se reproducirá con

su forma original sino que se formará mediante un escalonado de capas. Este

escalonamiento será tanto más acusado cuanto menos inclinación respecto a la

horizontal presente el plano.

Ilustración 4 elipse seccionada (a menor espesor de capa mayor precisión geométrica)

- La última fase en la fabricación es la realización de las operaciones por la

máquina de AM, este proceso se realiza de diferentes formas según la tecnología

aditiva elegida, pero todas ellas siguen el mismo proceso a la hora de fabricar: se crea

la capa y a continuación se adhiere a ella la inmediatamente superior una tras otra

hasta la completa fabricación del objeto.

-Tras este proceso se retira la pieza junto con los soportes fuera de la cuba de

fabricación. Los soportes se cortan o arrancan y, de haber lugar, se recoge el material

de aporte no empleado. Una vez “limpia” la pieza se puede llevar a cabo un

postprocesado en que se le dará el acabado superficial requerido, un tratamiento

térmico, un infiltrado de material de aporte,…según los requerimientos especificados

por el cliente o uso final.

2.4.- Clasificación de técnicas aditivas.

Como en cualquier ámbito, cuando se habla de una clasificación hay que fijar

una característica en la que centrarse para poder diferenciar los aspectos a catalogar

teniendo un mismo criterio.

Una forma de clasificar los procesos de fabricación aditiva podría ser teniendo

en cuenta el material que se usa, separando de esta forma materiales poliméricos,

céridos, metales,…


35

También se realiza en ocasiones una clasificación en la que se tiene en cuenta

el propósito de las piezas que se fabrican, es decir, su aplicación; de esta forma se

diferenciarían los procesos destinados a la realización de moldes (RC, Rapid

Casting), prototipos (RP, Rapid Prototyping), punzones o cavidades para máquinas

(RT, Rapid Tooling) y productos finalizados (RM, Rapid Manufacturing). Esta

clasificación algunas veces se ve modificada introduciendo el Rapid Casting en la

categoría de Rapid Tooling.

Otra forma más de llevar a cabo la clasificación es desde el punto de vista de

cómo se lleva a cabo el aporte de material. Esta clasificación es de las más utilizadas

al hablar de procesos de fabricación aditiva.

- Lecho en polvo:

- Sinterizado Láser Selectivo (SLS) o EBM (electro beam melting)

- Sinterizado térmico de polímeros.

- Impresoras 3D (3DP).

- Lecho Líquido:

- Estereolitografía (SL).

- Inyección:

- Deposición de hilo fundido (FDM).

- Polyjet.

- Boquilla:

- Revestimiento láser (Laser Cladding).

También existen métodos de fabricación aditiva no contemplados aquí ya que

trabajan con la adición de láminas de papel o cartón que se van cortando y pegando.

A parte de estas clasificaciones hay una que llama especialmente la atención

ya que tiene en cuenta dos puntos de vista diferentes para la agrupación de los

procesos de fabricación aditiva. Se tiene en cuenta por una parte el método de aporte

de material, y por el otro, la forma de aporte de energía. Esta forma de clasificar los

procesos puede dar una información extra que no se contempla en otros tipos de

clasificación referida a la rapidez del proceso. En primer lugar se clasificarán en

punto, línea y lecho según el método de aporte de material:


36

- Punto: en este caso se usan sistemas que aportan el material punto a punto.

Se podría asemejar a un plotter; el mecanismo que aporta el material se mueve gracias

a un sistema de dos ejes que se desplaza en la zona de trabajo, pudiendo describir

trayectorias rectas o curvas en un plano xy.

- Línea: estos sistemas van aportando el material en líneas o conjuntos de

puntos alineados gracias a inyectores con múltiples canales. El aplicador efectúa

barridos a lo largo de la zona de trabajo depositando material donde se requiere

(selectivamente) gracias a la coordinación de esa multitud de canales que funcionan

independientemente.

- Lecho: se trata de una aportación de material en exceso; se añade material en

una cantidad igual al espesor de capa que rellena toda la superficie de trabajo para,

posteriormente, ser consolidado únicamente en las posiciones requeridas. Estos

sistemas disponen de un “recoater”, que puede variar siendo una cuchilla, una tolva,

un rodillo,…, gracias al cual se aportan y/o alisan las capas de material sobrante. Son

denominados habitualmente sistemas de lecho completo.

Como se ha indicado anteriormente se tendrá en cuenta la forma de aporte de

energía. El aporte de energía es de vital importancia ya que tras la fabricación de una

capa se lleva a cabo una segunda, tercera, etc. hasta acabar la pieza por completo;

esas capas han de estar sólidamente unidas ya que las características mecánicas de la

pieza dependen en gran medida de ello. Además la calidad final también está

estrechamente relacionado con este aporte energético, así como otro tipo de

características como porosidad, resistencia eléctrica,…

- Sistemas 0D: la energía está condensada en un único punto. De esta forma la

consolidación depende de un solo punto que tiene que moverse por toda la superficie

que está destinada a formar la pieza propiamente.

- Sistemas 1D: en este caso la energía se transmite en forma de líneas que van

variando su longitud según se va haciendo el barrido.

- Sistemas 2D: se trata de la consolidación del material de una misma capa de

un solo golpe, en una sola operación. Se pueden diferenciar dos tipos de sistemas 2D,

a saber: en un sistema de lecho completo la energía se presenta en forma de máscara;

en cambio, en un sistema en el que se ha depositado el material selectivamente se

aplica a toda la capa, ya que no hay material sobrante como en lecho completo.


37

Este aporte de energía se suele realizar de dos formas diferentes: mediante

calor, que permite la fusión de metales y termoplásticos así como la polimerización

de ciertos plásticos, o mediante radiación ultravioleta, con lo que se consigue un

proceso de curado de materiales fotosensibles (generalmente polímeros).

Existe un elemento común a todos los sistemas, éste es el encargado del

movimiento de la superficie de trabajo una distancia igual al espesor de capa. El

material que corresponde a la primera capa del objeto se adhiere sobre una plataforma

en sistemas de aporte selectivo, en sistemas de aporte masivo (lecho) se cubre la

plataforma enteramente. Esta “plataforma de construcción” desciende el espesor

correspondiente a la capa después de realizar la primera. Debido a esta característica

las piezas tendrán unas dimensiones máximas correspondiendo con el área de la

plataforma así como la carrera máxima que ésta puede recorrer. Se trata de un

elemento que debe disponer de una altísima precisión ya que un error minúsculo

puede repercutir de manera bastante visible en el resultado final de la pieza (cuantas

más capas, mayor error se recoge) y además está el factor del peso de la pieza, más

acentuado en sistemas de lecho completo ya que todo el volumen de trabajo está lleno

de material, llegando en algunos casos a representar un peso de varias toneladas.

Como se mencionó antes, mediante la combinación del método de aporte de

material y el método de aporte de energía se puede uno hacer a la idea de la rapidez

del proceso; lógicamente un aporte de material punto a punto será más lento que uno

en línea y lecho, y un aporte de energía punto a punto (0D) será más lento que uno de

línea (1D) o de máscara (capa completa, 2D) Lógicamente si se realiza un aporte de

material en lecho completo no se puede realizar un aporte de energía desfocalizado;

en cambio, la realización de la capa por medio de un aporte de material de manera

selectiva hace que se pueda utilizar una fuente de energía desfocalizada.

El coste de una máquina de AM está directamente relacionado con la fuente

de energía a utilizar así como con los sistemas de posicionamiento; y, por otra parte,

la precisión y reproducción geométrica de la pieza tienen que ver con la calidad de los

sistemas que posicionan el material en la situación deseada y los que aportan la

energía necesaria en cada posición. Por lo tanto a mayor calidad de máquina mayor

calidad en los resultados, como era de esperar.


38

Según esta clasificación doble se puede realizar un cuadro como el mostrado a

continuación para encuadrar las diferentes tecnologías aditivas. Se aclara que en este

informe se tendrán en cuenta los procesos principales de AM.

Aporte de material

Punto Línea Lecho

Aport

e de

ener

gía

0D (punto)

Laser

Cladding,

FDM

-

SLA, SLS,

EBM,DMLS,

(SLM, Laser

Cusing)

1D (línea) - Polyjet 3DP, MLS

2D (capa

entera) - - DLP, SMS

Tabla 2. Clasificación AM

A continuación se exponen uno a uno los procesos mencionados en el cuadro:

- Laser Cladding (revestimiento láser, punto 0D): este tipo de tecnologías

se pueden ver como una evolución de los procesos de soldadura. La fabricación del

objeto se lleva a cabo mediante una boquilla que alimenta la instalación con el

material a fundir (pudiendo ser en forma de polvo o de varilla) de forma que se

posiciona en el lugar requerido según los criterios de diseño. En ese mismo punto se

aplica la energía en forma de láser o plasma intensa y concentradamente. Al ponerse

en contacto el material con la energía proveniente de la fuente éste se funde sobre la

base (primera capa solamente) o la capa anterior y se solidifica de forma

prácticamente inmediata. Al tener tanta intensidad la fuente de energía se debe

proteger el resto de la estructura construida para evitar deformaciones; esto se

consigue gracias a la proyección de una atmósfera de gas inerte en las inmediaciones

del punto de fusión. Este proceso fue concebido en un primer momento para la


39

reparación de piezas de gran tamaño, también es usada para mejorar las propiedades

mecánicas así como para dar una mayor resistencia a la corrosión a piezas metálicas.

Estos procesos no siempre se componen de las mismas partes móviles por lo

que cabe diferenciar tres tipos:

Cabezal móvil y mesa fija: dispone de un cabezal que puede moverse

en determinadas direcciones, pero presenta limitaciones a la hora de

realizar geometrías difíciles.

Cabezal fijo y mesa móvil: se trata de un cabezal de alimentación en

posición vertical hacia abajo fija, con lo que la mesa de construcción

está anclada a un cabezal móvil que permite describir las diferentes

geometrías. Se trata de un sistema en el que la parte móvil además es

la que sujeta todo el peso de la pieza por lo que la mesa ha de tener alta

precisión y resistencia.

Cabezal y mesa móviles: es la composición más acertada para la

realización de piezas con intrincadas geometrías, más esto se traduce

en un aumento de la complejidad en el ámbito de programación ya que

son dos partes móviles a controlar. En estos casos se debe hacer un

estudio para decidir de cuánta movilidad se precisa por parte de la

mesa y cuánta por parte del inyector.

Las limitaciones que se encuentran en este tipo de procesos son las mismas

que se encuentran en un proceso de soldadura habitual ya que básicamente es una

soldadura punto a punto automatizada. Estos procesos se encuadran en fabricación

aditiva ya que, aunque no se realizan capas de adición iguales o similares una encima

de otra, sí es cierto que el proceso consta de la adición de material en los lugares

donde se requiere y que el aporte de material se realiza por capas aunque no sea de

una forma continua.

El laser cladding es la mejor forma de realizar revestimientos en una

superficie sin importar su geometría, ya que aumenta la vida útil de la pieza en 6 o 7

veces la original.


40

Las partes de piezas realizadas mediante este tipo de procesos no tienen

ninguna fisura ni porosidad, al fundirse adquieren una gran compactación.

A continuación se muestra una imagen de un proceso habitual de laser

cladding en el que se está añadiendo un reborde al eje de un engranaje cónico

helicoidal.

Ilustración 5 Laser cladding. Cortesía de GNClaser

En la siguiente ilustración se muestran diferentes formas de aporte de material

según una varilla (wire) en el apartado a); mediante chorro de polvo en el apartado b);

chorro de polvo y doble inyector simétrico al láser c); y un cabezal con sistema de

refrigeración e inyector de gas inerte d). Resulta lógico pensar que el cuarto sistema

es el que proporciona unos resultados de mayor calidad, ya no solo por poseer un

inyector cónico coaxial al láser, sino porque además dispone de un sistema de

refrigeración para evitar el calentamiento y obstrucción de los inyectores, así como

otro conducto para inyectar gas inerte y evitar la propagación del fundido en las áreas

próximas al punto exacto.

Ilustración 6 Diferentes inyectores laser cladding


41

- FDM, Fused Deposition Modeling (modelado por deposición de

fundición, punto 0D): en este método se pasar un hilo de termoplástico por el

interior de un inyector calefactable (generalmente se usa ABS, pero es posible la

fabricación con termoplásticos diferentes variando la temperatura del cabezal así

como con determinadas ceras, como son las destinadas a la formación de patrones).

Este proceso se comercializó por primera vez en 1991 por parte de la casa Stratasys

que alimentaba su máquina con ABS. El termoplástico en cuestión avanza a lo largo

de la boquilla calentándose hasta llegar a su fusión, seguidamente se deposita sobre la

mesa o capa anterior adhiriéndose a ella por estar fundido y solidificándose por la

mera diferencia de temperaturas.

Una característica de este tipo de procesos es la posibilidad de elegir colores

diferentes; existen máquinas con diferentes cabezales, cada uno de ellos con una

carga de hilo plástico de diferente color y/o propiedades.

En el caso del FDM existe la posibilidad de que en ocasiones sean necesarias

estructuras de soporte por la presencia de voladizos. Estos soportes obviamente están

realizados con el mismo material que el resto de la pieza, esto hace que al realizar la

extracción de dichos soportes queden marcas en la pieza definitiva. Como se ha

mencionado antes, existen máquinas de FDM en las cuales se puede realizar una

pieza con materiales diferentes; por ello el ingenio ha dado con una solución para

esos soportes: en vez de realizarlos con el mismo material se fabrican con uno de

propiedades diferentes. De esta forma se realiza una fabricación selectiva y la

eliminación de material de soporte es más fácil. Un aspecto a tener en cuenta a la hora

de realizar estructuras de soporte es que si se fabrica un soporte en una cavidad éste

ha de ser extraído posteriormente, por lo que si se realiza una oquedad interior el

soporte se quedará en su interior. Se ilustra en la siguiente página lo descrito:


42

Ilustración 7 FDM selectivo. Cortesía de custompartnet.

Como muestra el esquema la máquina dispone de dos bobinas diferentes (la de

color claro corresponde al material en el que se realizarán las partes de soporte y la de

color oscuro se identifica con el material de fabricación de la pieza propiamente

dicho). Como se observa se dispone de un cabezal de extrusión doble en el que se

integran los dos hilos de material que son dirigidos mediante unas ruedas conductoras

hacia el licuador (liquifier, lugar donde se producen las altas temperaturas para la

fusión del material de aporte) para finalmente salir por el inyector.

El punto débil de estos procesos es el hecho de que son bastante lentos en

comparación a otras técnicas de fabricación aditiva; también la calidad superficial

está limitada si se asemeja a otros procesos. Las piezas finalizadas tienen un tacto

más bien rugoso.

- Polyjet (línea 1D): en el caso de la máquina Polyjet se hace uso de una serie

de resinas líquidas que son sensibles a la radiación ultravioleta. Esta tecnología fue

desarrollada en Israel en el año 2000 bajo en nombre de “Quadra” por la empresa


43

Objet Geometries, el nombre hace pensar en el número cuatro, el número de

inyectores que posee precisamente. La novedad es la inclusión de 384 boquillas en

cada inyector. Cada boquilla deposita resina líquida fotosensible. Dispone de un

cabezal móvil según los ejes xy de alta precisión, lleva a cabo una impresión similar a

la que se da en una impresora de chorro de tinta convencional: un movimiento de

derecha a izquierda y varios barridos de arriba a abajo; la mesa de fabricación

también dispone de alta precisión ya que cada capa de material tiene un espesor

aproximada de unos 16 micrómetros. Este cabezal móvil está equipado con unos

emisores de luz ultravioleta a cada lado del cabezal con lo cual instantes después de

realizar la deposición de material éste solidifica.

Además de este gran número de boquillas también dispone de otras boquillas

integradas en el cabezal principal con material que se usará para las estructuras de

soporte. Estas boquillas realizan la deposición de material al mismo tiempo que el

resto por lo que la capa fabricada se puede componer de resinas diferentes. Los

materiales usados para realizar las estructuras de soporte suelen tener un grado de

dureza bajo (materiales blandos) para que su extracción sea más fácil, ya sea

mediante un método manual o con chorro de agua. Como se ha dicho anteriormente

estos procesos de incorporación de soportes con materiales diferentes al del modelo

permiten que prácticamente no se advierta la anterior presencia de soportes en la

pieza.


44

Ilustración 8. Cabezal de Polyjet y esquema (derecha). Cortesía de undoprototipos.com y objet.com.

En el esquema de la derecha se pueden apreciar los dos tipos de material

empleados (“support material” referido al material de soporte, y “model material”

referido al material de la pieza en sí). Este proceso consigue un acabado de gran

calidad pudiendo realizar paredes de un grosor aproximado a 0.5 milímetros. Es

debido a esta gran precisión por lo que se utiliza para realizar piezas de pequeño

tamaño y/o gran nivel de detalle, asimismo tiene gran repercusión en la fabricación de

patrones para moldes. El acabado que presentan las superficies es ligeramente rugoso.

Se debe de informar de la aparición en 2008 de una máquina de fabricación

multimaterial. Presentada por la misma casa (Objet Geometries) la novedosa Polyjet

Matrix introduce una diferencia que radica en lo siguiente: las combinaciones de

materiales descritas anteriormente se referían a los de la pieza final y las estructuras

de soporte; en este caso se habla de que la pieza final disponga de varios materiales

en su composición a parte del destinado a estructuras de soporte. Esta tecnología no

solo proporciona una composición multimaterial sino que además permite la mezcla


45

de estos diferentes materiales en proporciones variables, esta diferenciación permite

un cambio progresivo en las propiedades de la pieza final según los requerimientos

especificados. Se podría usar un material rígido en una zona destinada a soporte, y un

material flexible en una zona que esté expuesta a golpes por ejemplo. De igual forma

es posible que interese realizar partes del objeto con materiales transparentes y otras

opacas. Todo ello se realiza sin la necesidad de adherentes ni sistemas de sujeción

entre los distintos materiales.

- SLA, Stereolithography (estereolitografía, lecho 0D): es considerada esta

tecnología como la pionera en cuanto a lo que el prototipado rápido se refiere. Hubo

una primera patente en el año 1986, elaborada por Chuck Hull; pero la primera

máquina fue lanzada por 3D Systems, empresa norteamericana, en 1987. Mediante

esta tecnología se puede trabajar con resinas en estado líquido (pudiendo variar su

composición para variar las propiedades del objeto final según la necesidad). Este

tipo de resinas han de ser fotosensibles a la luz ultravioleta ya que el fraguado se

realiza mediante el uso de un láser. El láser posee movilidad en un plano xy, de forma

que va dibujando, por decirlo así, las zonas que deben convertirse en parte de la pieza.

Este proceso se lleva a cabo, recordando la clasificación, mediante aporte de material

en lecho completo; esto quiere decir que toda la superficie no afectada por el haz láser

seguirá presentando las propiedades habituales del polímero. En este caso el polímero

se encuentra en una cuba de fabricación en estado líquido. En el fondo de la cuba se

encuentra, al igual que en los anteriores procesos de fabricación, la plataforma de

construcción que descenderá una distancia equivalente al espesor de capa (las capas

suelen presentar un grosor de unas 100 micras). Tras el descenso de la plataforma de

fabricación se debe rellenar el espacio que ha quedado vacío con más material de

aporte, por lo que existe un nivelador o “recoater” que se encarga de, una vez

rellenado con polímero líquido el espacio, eliminar el exceso de material. Este exceso

se crea debido a la viscosidad de las resinas líquidas, la eliminación de este paso

supondría una mala reproducción del modelo CAD 3D concebido en un primer

momento.

A continuación se presenta un esquema de un proceso de estereolitografía

típico. El rayo láser pasaría a través de unas lentes para conseguir la potencia deseada


46

y llega hasta un espejo. El espejo es la parte móvil del sistema de solidificación, que

oscila describiendo las trayectorias en el plano de fabricación previamente enrasado

por el recoater (Sweeper). Tras finalizar la pieza generalmente se limpia con alcohol

la superficie para eliminar restos de resina líquida. Posteriormente se suele realizar un

curado con luz UV ya que la pieza se encuentra en “estado verde”, no posee las

propiedades mecánicas requeridas.

Ilustración 9. Proceso SLA. Costesía de custompartnet.com

Es la tecnología más antigua y la más difundida igualmente. Este tipo de

máquinas permiten la fabricación de piezas con geometrías de alta complejidad y

pequeño espesor en multitud de resinas diferentes, éstas presentan por tanto distintas

propiedades (biocompatibilidad, opacidad, flexibilidad,…). El acabado superficial de

las piezas es equiparable al que se conseguiría con un centro de mecanizado. Un

punto desventajoso para estos procesos tiene que ver con la naturaleza de estas

resinas ya que su exposición continuada determinadas fuentes de radiación, como por

ejemplo la solar, hace que se produzca un proceso de curado continuo que se hace

notar de forma inmediata en las características mecánicas de la pieza. Para evitar

posibles fallos en el proceso de fabricación de un objeto las principales características


47

que se deben tener en cuenta a la hora de escoger el fotopolímero se podrían resumir

en las siguientes:

Alta reactividad a la radiación láser.

Viscosidad estable y controlable.

Limitada volatilidad.

Limitada toxicidad.

Baja contracción.

Bajo nivel de energía de activación.

Alta reactividad a la radiación láser.

Buenas propiedades mecánicas después de la polimerización.

Dependiendo de la geometría de la pieza es posible que se precise de

estructuras de soporte como sucede en otros procesos. El sistema de lecho completo

hace que los soportes sean del mismo material que el resto de la pieza por lo que la

extracción de los mismos deja una marca que hay que lijar posteriormente. Otro

aspecto importante en estos procesos, ya que no se llega a un curado completo de las

piezas, es el conocimiento de la cantidad de material que pueden soportar las capas

inferiores sin deformarse.

El tamaño de la pieza está restringido al tamaño de la cuba, pero en la

actualidad existen máquinas, como la Materialise proveniente de Bélgica, con un

entorno de trabajo de 2100 x 700 x 800 mm.

Ilustración 10 Figura humana en máquina Materialise.


48

- SLS, Selective Laser Sintering (sinterizado láser selectivo, lecho 0D):

esta tecnología tiene su primera aparición corre por parte de la Universidad de Texas

a finales de los ochenta (aunque la patente pertenece a Ross Housholder y está

fechada en 1979). Gracias a la Universidad de Texas se funda la empresa DTM

Corporation que comercializa su primera máquina en 1992 (esta empresa será

posteriormente absorbida por 3D Systems). Esta tecnología se desarrolla en Europa, y

más concretamente en Alemania, en 1994; la empresa EOS GmbH (Electro Optical

Systems) lanza al mercado su primera máquina SLS, la EOSINT-P. Desde su

aparición en 1989 no ha parado de crecer; su primer lanzamiento fueron unas resinas

fotosensibles en 1990, y, actualmente, esta empresa puede considerarse líder mundial

en el campo del sinterizado.

Es un proceso es muy parecido a la estereolitografía. Se utilizan polímeros en

polvo que son sensibles a la luz proveniente de un láser, este láser suele usar CO2 es

ajustado para fundir el material. El rayo láser, al igual que ocurría en el proceso de

estereolitografía, es dirigido hacia el punto exacto de fusión por medio de un espejo

que oscila según la posición demandada, dibujando cada capa.

La cuba de fabricación dispone de otras dos cubas más a cada lado rellenas

con material de aporte; cada vez que la plataforma de fabricación (Build piston)

desciende el nivel correspondiente a una capa, la plataforma de aporte (powder feed

piston) se eleva para que un recoater cilíndrico (Leveling roller) extienda una nueva

capa de polvo polimérico sobre la cuba de fabricación. La doble plataforma de aporte

es una idea para que el posible material de aporte sobrante tras el barrido del recoater

vaya directamente a formar parte del material de aporte del lado opuesto; con cada

capa fabricada el recoater hace el recorrido en sentido contrario al anterior,

aprovechando el material de aporte de cada plataforma. Esquema del proceso en

siguiente página, ilustración 12.

Tras concluir la fabricación de la pieza la cuba debe pasar por un proceso de

enfriamiento que no puede ser brusco de ninguna manera, un enfriamiento brusco

produciría deformaciones en la pieza de la misma forma que sucede en una inyección

de plástico. Es una desventaja de este proceso de fabricación ya que el enfriamiento

puede requerir un tiempo de enfriamiento próximo al que se ha empleado para la

fabricación, un duro golpe en detrimento de la productividad del sistema.

http://encyclopedia2.thefreedictionary.com/Selective+Laser+Sintering


49

Ilustración 11. Esquema SLS. Cortesía de custompartnet.com

Por otro lado, hay que señalar también que el hecho de fabricar con

este lecho en polvo hace que sea posible una fabricación “aérea”. Con esto se quiere

decir que, a diferencia de los procesos descritos anteriormente, en SLS no es

necesaria la inclusión de estructuras de soporte ya que el propio polvo de polímero es

lo suficientemente consistente como para aguantar el peso de una capa. Por lo tanto,

gracias a esta característica, se eliminan todos los defectos asociados a la aparición de

estructuras de soporte como es el caso de oquedades con geometrías intrincadas;

aunque no se puede lograr un espacio interior hueco, ya que éste se encontraría

repleto de material polimérico en polvo. Por ello se puede considerar el proceso de

SLS como el sistema que reproduce de una manera más fiel el concepto de tecnología

de fabricación aditiva en cuanto a ventajas. Esto le confiere un sitio asegurado en

aplicaciones reales de fabricación en serie, permite la fabricación de innumerables

geometrías como mecanismos, muelles, elementos roscados,…

En este tipo de procesos se ofrecen grosores de capa de 100 micras,

aunque ya existen máquinas, como la presentada por Electro Optical Systems (EOS)

en 2010, con una altura mínima de capa de 60 micras. El acabado superficial de las


50

piezas no es tan rugoso como en FDM, pero tampoco se asemeja a la calidad

prácticamente de fresado que posee la estereolitografía.

Interesa describir algunos de los polímeros. Suelen ser poliamidas,

generalmente la poliamida 12, polímeros disponibles en la naturaleza en el caso de la

lana o la seda, pero también de origen artificial a base de incluirles materiales como

fibra de vidrio o carbono, aluminio, etc. con características específicas: las hay

resistentes como el nylon, de muy alta resistencia a tracción como el kevlar, de alta

resistencia al fuego y con capacidad de reflejo del sonido de alta frecuencia e

incremento de las frecuencias medias y bajas en el caso del nomex,… Un polímero de

particular importancia es el PEEK, que tiene un elevado precio. Este material, poliéter

éter ketona, tiene una alta resistencia a altas temperaturas pudiéndose fabricar un

extrusor, recubierto con PEEK, del mismo material que el que se desea extruir sin que

el extrusor se desvirtúe. También en el sector médico de implantología es usado por

sus propiedades sustituyendo huesos y piezas dentales. Es apropiado para la

fabricación de rodamientos, anillos para los cilindros, válvulas, etc. así como para

aplicaciones en espacios con UHV, vacío ultra alto (presión<10-7 Pa; Patm=101300

Pa).

Otra forma de fabricación se trata de usar el polímero como aglutinante

de polvo metálico (pequeñas esferas de de metal unas 100 micras de diámetro); la

pieza finalizada se expone a temperaturas superiores a 900 ºC fundir el polímero y

reemplazarlo con una colada de bronce u otro metal para la mejora de propiedades.

Ilustración 12 Bloque motor fabricado por SLS


51

- EBM, Electro Beam Mealting (fusión por haz de electrones, lecho 0D):

la empresa que está detrás de esta tecnología es ARCAM con origen en Suecia, su

primera máquina con esta tecnología fue desarrollada en 1997. El proceso EBM está

diseñado para la fabricación de piezas metálicas, y es bastante similar a un sinterizado

láser, pero la fuente de energía es en este caso un cañón que bombardea electrones a

una velocidad próxima a la de la luz. Cuando el haz de electrones choca contra la

superficie de polvo metálico desprende su energía en forma de calor que hace posible

la fusión del polvo metálico. Esta potencia de haz de electrones se dirige mediante

campos electromagnéticos, gracias a la supresión de espejos en el sistema se

consiguen estas altas velocidades. El lecho que contiene la cuba de fabricación está

formado por metal en forma de polvo, las partículas tiene un tamaño que varía entre

la 45 y 100 micras. Como las partículas de polvo metálico poseen esta dimensión tan

reducida al impactar el haz de electrones con tanta fuerza parte de la energía se

transforma en energía cinética; lo que implica que las partículas producen una

pequeña nube de polvo alrededor. Esta situación limita la fabricación de pequeños

detalles, en otras palabras, la cantidad mínima de polvo a emplear en cada fusión está

limita. De la misma manera que en el resto de manufacturas en lecho de polvo, la

fusión por haz de electrones necesita un recoater para repartir una delgada capa de

material de aporte sobre la plataforma de fabricación y las sucesivas capas fabricadas.

En el caso de ciertas piezas se puede necesitar un soporte para que la pieza pueda ser

fabricada correctamente, esto es necesario cuando se ha de evacuar una cantidad de

calor en exceso por la potencia de incidencia del haz de electrones. Los soportes

posteriormente se retirarán por lo que es conveniente situarlos adecuadamente; es

decir, si la pieza va a tener que mecanizarse después de finalizada en alguna zona,

sería favorable añadir el soporte en esa zona para no tener que mecanizar otras partes.

Antes de comenzar cada capa y después de que el recoater realice su función,

la capa de polvo metálico se precalienta mediante el haz de electrones, dependiendo

del material usado tendrá una u otra temperatura; este precalentamiento es importante

por dos motivos: en primer lugar gracias a ello se consiguen eliminar posibles

tensiones residuales generadas en la pieza durante la fusión del polvo, sin tensiones

residuales el objeto final enfriado no diferirá geométricamente del recién construido.

Y en segundo lugar, gracias a este precalentamiento la masa de polvo se encuentra en


52

un estado de semisinterizado, con lo cual se presenta la gran ventaja comentada

anteriormente para los procesos de SLS: no se requieren estructuras de soporte.

Todo el proceso tiene lugar al vacío y gracias a ello es posible trabajar con

aleaciones de aluminio o titanio de gran pureza. Además de estar al vacío, la cámara

de fabricación se encuentra precalentada, como se comentó anteriormente, a unos 600

– 800 ºC. Esto otorga unas mejores características mecánicas a las piezas fabricadas,

pero por otro lado obliga a respetar un tiempo de enfriamiento para que se pueda

retirar el material que sobre así como las mismas piezas; esto supone una limitación

en la productividad. Otra limitación que se ha de tener en cuenta es que, debido a las

características del proceso, sólo se pueden emplear materiales conductores.

Contra estas desventajas la empresa ARCAM ha desarrollado una nueva

tecnología denominada MultiBeamTM

. Esta tecnología cambia el modelo para pasar

de 0D a una producción en 1 o 2D indistintamente; su ventaja radica en la utilización

de métodos electrónicos para dividir el haz de electrones en multitud de haces de una

menor potencia. De esta forma se pueden fundir varias zonas al mismo tiempo con

una cantidad de energía controlada en cada punto. Al disminuir esa nube de polvo de

aporte se consigue una mayor calidad en lo que al acabado superficial y detalle se

refiere sin que la productividad se vea afectada.

Ilustración 13. Proceso de fabricación de una capa mediante MultiBeamTM (precalentamiento,

perfilado y finalización)

- SLM, Selective Laser Melting (fusión laser selectiva, lecho 0D): en 1992

la empresa estadounidense DTM (posterior 3D Systems) lanza la primera máquina de

fabricación láser selectiva. Dos años más tarde, en 1994 en Alemania, la empresa

Electro Optical Systems (EOS GmbH) lanza su propia máquina de SLM. En estos

procesos se hace uso de una arena o material cerámico conjuntamente con un ligante.

De esta forma el láser solamente funde el ligante, sin afectar a las partículas de arena


53

o cerámica, por ello el distintivo de proceso “selectivo”. Con este método únicamente

se pueden conseguir piezas en estado verde, no finalizadas. Aunque las piezas con

arena como material pueden ser usadas como machos de fundición directamente.

El proceso es muy similar a cualquiera de lecho en polvo ya que simplemente

se dispone de un láser, un juego de lentes y espejos para dirigir el rayo láser, un

recoater para nivelar la superficie y aportar material y una cuba de fabricación para

contener la pieza y el material sobrante.

A parte de la arena y materiales cerámicos, DTM también aplica esta

tecnología con el uso de polvos metálicos y ligante; las piezas verdes obtenidas son

sometidas a un tratamiento de calor en el que se consigue un curado de las estructuras

metálicas y la eliminación del ligante. El resultado es una pieza de estructura metálica

y porosa. Este esqueleto metálico se vuelve a rellenar con materiales como el bronce,

así se consigue una pieza con una composición de dos metales diferentes. Como se

puede imaginar el resultado no es muy satisfactorio ya que aumentando el nivel de

operaciones se aumenta la posibilidad de imprecisiones y además se alarga el proceso

de forma significativa. Por ello la fabricación SLM evoluciona hasta que se introduce

por parte de la europea EOS GmbH el proceso DMLS descrito a continuación.

- DMLS, Direct Metal Laser Sintering (Sinterizado metálico láser directo,

lecho 0D): como se ha explicado anteriormente, la empresa alemana EOS GmbH

desarrolla en los mismos años 90 un proceso en el que el ligante y el material de

aporte son ambos metales. Esto se consigue gracias a la variación de los puntos de

fusión por las diferentes propiedades de cada material. La máquina realiza una mezcla

homogénea del ligante (que puede ser bronce por ejemplo dado su bajo punto de

fusión) y el metal de aporte (por ejemplo acero o níquel). Se aplica una capa con el

recoater y se procede al fundido. La capa quedaría “dibujada” en bronce, pero esta

capa de bronce encierra a su vez partículas de acero. Con esto se elimina el paso de

eliminación del ligante no metálico, supone un ahorro de tiempo importante así como

una ganancia en la precisión.


54

Ilustración 14. Proceso de fabricación DMLS

Pasados unos años la empresa alemana presenta al mercado una nueva

generación de máquinas en las que se dispone de un láser de estado sólido (su fuente

de radiación procede de un sólido como por ejemplo Rubí o Neodimio) y método

óptico (supone que el material sólido es excitado mediante una fuente óptica

convencional, lámparas u otros lásers). Esta radiación gracias a la longitud de onda

que posee, se introduce en metal provocando su fusión. Gracias a este avance se

puede fabricar con aleaciones habituales como aceros inoxidables, aceros de

herramienta, aleaciones al cromo o titanio, aluminio, hastelloy (aleación para

aplicaciones en ambientes con alta corrosión y temperaturas, es una superaleación).

Las piezas resultantes tienen unas propiedades muy similares a la que se conseguirían

con un proceso no aditivo con el mismo material de fabricación. Esta tecnología

tiene el apelativo de DMLS por parte de la empresa Electro Optical Systems, pero

mantiene otro nombre para otro grupo alemán Concept Laser GmbH, denominándose

Laser Cusing.

En este tipo de procesos se puede conseguir un grosor de capa de alrededor de

40 micras con lo cual los resultados tienen una gran precisión respecto al modelo

inicial. Un inconveniente de este tipo de proceso es la necesidad de soportes para la

sujeción de la pieza, el soporte de posibles voladizos y la evacuación de zonas con

posibles sobrecalentamientos para la reducción de tensiones internas en la pieza.


55

Estos soportes al estar realizados con el mismo material de la pieza son difíciles de

extraer y suponen un aumento significativo en el coste de pieza por el

postpreocesado, pulido, y demás operaciones que se puedan necesitar.

- 3DP, 3D Printing (impresión 3D, lecho 1D): el término de 3D printing está

ligado a multitud de tecnologías diferentes. En este documento se entiende como una

fabricación mediante lecho y solidificado en línea (1D), pero en ocasiones se

encuentran tecnologías que varían su nombre (por ejemplo tecnologías designadas

como “rapid manufacturing” que pasan a denominarse “3D printing”) sin variar un

ápice la tecnología. Esto es debido al atractivo que suscita el término; en el ámbito

del mercado da a entender que este tipo de tecnologías son simplemente algo tan

sencillo, fácil y limpio como una impresora habitual de papel, aunque pudiendo

reproducir las impresiones en tres dimensiones.

La primera empresa en desvelar este tipo de fabricación aditiva fue la

estadounidense Z Corporation (ahora propiedad de otra empresa estadounidense, 3D

Systems desde Enero de 2012) en 1995 gracias a la tecnología del MIT

(Massachusetts Institute of Technology). La empresa estadounidense Extrude Hone

lanza su máquina 3DP en 1999 y las alemanas Buss Müller Technology Voxeljet

Tech GmbH en los años 2000 y 2005 respectivamente.

El nombre dado a esta tecnología no sorprende para nada cuando se descubre

que se trata básicamente de la misma usada en una impresora; las impresoras 3D usan

inyectores habituales en impresoras de chorro de tinta. Obviamente el material que

ostentan estos cartuchos no es tinta, sino que es un aglutinante líquido el cual se va

depositando en las posiciones deseadas sobre el lecho de polvos contenido en la cuba

de fabricación. Tras la deposición del material aglutinante el recoater con forma de

rodillo distribuye una nueva capa de material. Cuando el recoater distribuye la

siguiente capa el material aglutinado previamente tiene un alto grado de humedad, lo

que hace que parte del polvo superficial se fije parcialmente. Se trata de composites

con propiedades completamente diferentes según la necesidad.

http://web.mit.edu/


56

Ilustración 15 Proceso de 3DP. Cortesía de custompartnet.com

Con estas tecnologías Z Corp. (3D Systems) ofrece grosores de capa de 100 a

90 micras por lo que, aunque no sea un grosor exagerado, no ofrece tanta resolución

como otros procesos de fabricación aditiva. Las piezas obtenidas, aunque sean

composites de alto rendimiento, no tienen propiedades mecánicas comparables a los

metales por ejemplo, aunque hoy en día poseen propiedades nada envidiables. Pero

por otra parte este sistema cuenta con la ventaja de ser bastante rápido, generalmente

unas 4 capas por minuto. Otra de sus ventajas es la incorporación de cartuchos con

color. Inicialmente supuso la impresión de objetos en 3 dimensiones con colores

diferentes pero sin una mezcla de los mismo; actualmente disponen de un sistema de

cuatricromía (lo que supone el uso de colores cian, magenta, amarillo y negro para

conseguir la tonalidad deseada). La superficie de las piezas resulta con un acabado

rugoso.

- MLS, Micro Light Switches (micro conmutadores de luz, lecho 1D): este

proceso no tiene un recorrido histórico lejano ya que su primera aparición fue

prácticamente en 2009. El lanzamiento corresponde a la empresa Huntsman que

cuenta con un gran reconocimiento en todo el mundo por su tecnología Araldite, la


57

cual está bajo el mando de 3D Systems. Véase de izquierda a derecha y de arriba

hacia abajo el sistema Micro Light Switches. La carcasa que contiene todo el sistema

de luz, partiendo de un cableado de fibra óptica controlado digitalmente se lleva la

señal hasta cada punto (16 puntos distribuidos en dos filas paralelas, cada punto

contiene 5 hexágonos con 500 puntos de luz independientes). En total el sistema

dispone de 40000 micro obturadores.

Ilustración 16. Sistema MicroLightSwitches. Cortesía de Huntsman.com

Los obturadores, que actúan de forma independiente, forman una máscara

lineal que va recorriendo la superficie a una velocidad constante. Los materiales

utilizados en este caso son resinas, la cuba de fabricación se rellena con un lecho

líquido de resina por lo que es necesario el uso de estructuras de soporte, lo que

supone un necesario postprocesado para eliminarlas así como todos los

inconvenientes anteriormente descritos. Las propiedades de las resinas, al igual que

los composites, limitan su uso en determinadas aplicaciones donde intervienen

mayormente materiales metálicos.

Por otra parte, el acabado superficial es liso y se consiguen grosores de capa

de 50 micras y nivel de detalle plano de 10 micras; aunque cuanto mayor sea la

precisión requerida la velocidad de barrido será tanto menor.

- DLP, Digital Light Processing (máscara DLP, lecho 2D): la alemana

Envision Tec no es la empresa pionera en este sector ya que en 1991 la empresa


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israelí Cubital presenta su tecnología Solid Ground Curing, que se basaba en una

máscara de rayos UV para la solidificación de materiales fotosensibles. Envision Tec

lanza en 2001 su primera máquina de solidificación por máscara de polímeros

acrílicos, pero hasta 2004 no llega la tecnología de Texas Instruments, una empresa

especializada en fabricación de proyectores, lentes y espejos de reducidas

dimensiones y alta resolución. Cada pixel contiene un cuadrado de 16 microespejos,

con este sistema un proyector puede conseguir un total de 1024 tonalidades diferentes

en un solo pixel. Esta tecnología hace posible controlar la potencia de luz a aplicar en

cada pixel en el caso de requerirlo la pieza. Utiliza resinas fotosensibles en estado

líquido que se acumulan en una cuba de fabricación. Se dispone de dos tipos de

proceso DLP diferenciándose en el sentido de movimiento de la plataforma de

fabricación.

La denominada Perfactory trabaja en sentido contrario al resto de procesos

antes descritos, con esto se quiere decir que la plataforma de construcción tras la

creación de una capa asciende en vez de descender. Gracias a esta distribución no es

necesaria la presencia de un recoater. Una máscara de luz es proyectada en el fondo

de la cuba de fabricación para solidificar una capa, a continuación la plataforma de

construcción se eleva el equivalente a una capa, dejando el grosor de la misma en

estado líquido para la siguiente exposición a la máscara de luz. Se debe tener en

cuenta que el fondo de la cuba de fabricación es completamente transparente ya que

sino no sería posible la proyección de la máscara. Como ya se ha comentado, estos

sistemas no disponen de recoater; ello es debido a que la zona a exponer a la luz se

encuentra sumergida en el líquido, por lo tanto no es necesario un nivelado.


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Ilustración 17.Perfactory, cortesía de EnvisionTec.com

Por otra parte la PerfactoryXtreme y Xede también incorporan la tecnología

de Texas Instruments pero en este caso la fabricación se realiza el sentido contrario

(lo que se podría conocer como el sentido habitual de construcción, o por lo menos el

más extendido). El proceso es básicamente el descrito anteriormente para otros

procesos de lecho; tras la exposición a la luz ultravioleta una nueva capa es

distribuida por un recoater. La diferencia radica en que la exposición de luz se hace

sin la necesidad de un barrido, se proyecta la imagen correspondiente a la capa sobre

la superficie de tal forma que se consiguen velocidades de unas cinco capas por

minuto, el tiempo de fabricación sólo depende del número de capas dejando apartado

el factor que se refiere a la cantidad de material que se precisa solidificar en cada

capa.


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Ilustración 18.PerfactoryXede, cortesía de EnvisionTec.com

Con estas tecnologías se consiguen unos acabados superficiales lisos y

grosores de capa de hasta 25 micras y una precisión xy de unas 75 micras, gracias a la

resolución de 2400 x 1920 pixeles.

A parte de estos procesos también es interesante hacer referencia a los

procesos LOM (Laminated Object Manufacturing) así como a las impresoras D-

SHAPE:

- LOM, Laminated Object Manufacturing (fabricación por laminado de

objetos): esta tecnología fue desarrollada por la empresa norteamericana Helisys en

1991; inicialmente se concibió para la fabricación mediante láminas de papel aunque

actualmente trabaja con láminas de materiales diferentes. En el año 2000 Helisys cede

su tecnología a la japonesa Toyoda y unos meses más tarde el inventor del LOM

(Michael Feygin) anuncia la creación de una nueva empresa llamada Cubic Tech.

Con este sistema se consiguen grosores de capa de hasta 50 micras y altas

velocidades de fabricación. Dispone de una bobina de alimentación y otra de recogida

con el material de aporte enrollado en las mismas. Una vez posicionado el material un

rodillo calefactado recorre la superficie para aplicar presión sobre la capa anterior y

pegar la nueva (la lámina de material de aporte presenta su base impregnada con un

termoplástico que, al pasar el rodillo caliente, se funde contra la parte superior de la


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anterior capa). Durante esta fase la plataforma de fabricación se eleva ligeramente

para aumentar la presión incidente entre las capas y el rodillo. Un láser corta la

superficie dibujando la silueta de la capa y, una vez acabada, la plataforma de

fabricación desciende el equivalente a una capa separando el recorte del rollo de

material y dejando cabida a la nueva capa. La nueva capa se reparte gracias al avance

de las bobinas que contienen la plancha de material.

Ilustración 19. Proceso LOM, cortesía de custompartnet.com

- D-SHAPE (lecho 1D): esta tecnología sigue la forma de fabricación descrita

por en impresoras 3D, pero con la peculiaridad de que usa un lecho en polvo de arena.

Esta empresa tiene sede en el Reino Unido y el resultado de sus productos tiene un

gran parecido a la piedra, con unas características mecánicas similares al mármol. La

arena utilizada tiene una serie de ligantes para la consolidación de la arena. Fue

inventada por el italiano Enrico Dini.

Otra gran peculiaridad de este tipo de impresoras es su superficie de trabajo;

se trata de una enorme máquina que permite construcciones de 6 x 6 metros en el

plano xy por una altura de hasta nueve metros. Debido a este gran volumen de


62

fabricación se podría hablar de una máquina de fabricación aditiva para la

construcción de edificios. Por otra parte destacar que esta fabricación permite realizar

multitud de objetos en un material parecido al mármol que anteriormente eran

inconcebibles, se presenta la posibilidad de fabricar mecanismos en “piedra”. La

superficie final presenta un color grisáceo con un veteado atractivo a la vista debido a

las sucesivas capas. El acabado final resulta con precisiones de 10 milímetros, lo cual

en una superficie de 36 metros cuadrados es una nimiedad. Otro punto a favor es

precisamente la fabricación en lecho ya que se tornan innecesarias las estructuras de

soporte, el polvo tiene la suficiente consistencia como para sostener las capas.

Existe una diferencia reseñable respecto a las impresoras 3D referido a la

parte de los cabezales; no se usan cabezales estándar de impresión sino que en este

caso un brazo recorre toda la superficie linealmente. Este brazo posee un gran número

de electroválvulas que se activan selectivamente depositando el ligante con base

acuosa.

Ilustración 20. Figura "Radiolara" mediante D-SHAPE, cortesía de d-shape.com


63

2.5.- Ventajas.

Como se ha comentado anteriormente la fabricación aditiva permite la

construcción de prácticamente cualquier objeto que se pueda reflejar en un modelo

CAD 3D. A pesar de la posibilidad de complicar la geometría en un alto grado ello no

repercute en un encarecimiento del proceso. En un proceso convencional de

fabricación la adición de geometrías intrincadas se traduce en una planificación de

fabricación difícil, un mayor número de operaciones, así como la posibilidad de

necesitar de la actuación de más de una máquina. Todo esto conlleva un mayor gasto

en mano de obra, utillajes, tiempo,… en definitiva, un encarecimiento del valor final

del objeto.

La fabricación aditiva permite variaciones de grosor a lo largo de paredes, la

posibilidad de fabricar canales internos en piezas macizas, geometrías con grandes

irregularidades, etc. Además gracias a los procesos de digitalización 3D se pueden

conseguir productos con gran ergonomía. Todos estos problemas geométricos en

métodos convencionales se solucionan mediante la adición de mecanismos, partes

divididas, aproximaciones,… Además los procesos de fabricación aditiva pueden,

simplemente, realizar geometrías imposibles para otros procesos de fabricación. Esta

ventaja se extrapola a todas las fases de la fabricación industrial: en primer lugar para

el desarrollo de nuevos productos gracias a la posibilidad de materializar el diseño en

un prototipo. También en la realización de piezas como moldes y patrones para el

sector de la matricería. Y asimismo se pueden realizar productos finalizados.

Las principales ventajas asociadas a la fabricación aditiva (AM) respecto a

otro tipo de procesos se pueden agrupar en las siguientes:

- Gran facilidad para realizar geometrías complejas: es a simple vista la

ventaja más evidente de todas. Gracias a esta cualidad lo que en un proceso

convencional supone un encarecimiento del producto en fabricación aditiva no lo

supone en ningún lugar. Además en ocasiones una mayor complejidad puede incluso

suponer un abaratamiento del producto, esto puede sonar raro pero se puede ilustrar:

se supone, por ejemplo, un modelo de anatomía como un cráneo, si ese cráneo se

realiza con todas sus cavidades (hueco para el cráneo, cuencas de los ojos, cavidades


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nasales,…) será más barato que uno en el que no se hayan tenido en cuenta todas esas

geometrías, ya que supone un ahorro de material correspondiente a esas cavidades.

Esta peculiaridad en la infinidad de formas fabricables hace posible una

reinvención en el diseño de todo lo concebido bajo criterios de comportamiento del

producto; es decir, existen objetos fabricados de una determinada forma por la

imposibilidad de realizarlos de otra, o simplemente geometrías que se sabe son

preferibles a otras pero debido a una simplificación por el abaratamiento no se llevan

a cabo. Se abre un amplio abanico de creatividad ante los ingenieros y diseñadores sin

las limitaciones de los sistemas convencionales bajo el lema de “si se puede dibujar,

se puede fabricar”.

A tener en cuenta especialmente es el tema relacionado con las geometrías

fractales (formas geométricas que se repiten a escalas diferentes formando un

complejo). La importancia de estas geometrías radica en un mayor acercamiento a las

formas presentes en la naturaleza, permitiendo un aligeramiento de material y

optimizado de la funcionalidad; es la base de muchos sistemas biológicos. Nombrar

aquí la investigación TERMES, en la cual se estudia al detalle la geometría de los

termiteros. Este proyecto intenta descifrar el secreto innato que guardan las termitas

bajo los grandes termiteros que se exponen a grandes cambios de temperatura y, sin

embargo, mantienen unas propiedades ambientales interiores prácticamente

invariables. Mediante escaneados de la zona y reconstrucciones con tecnologías

aditivas se pretende proyectar un termitero y analizarlo; esta investigación supone un

paso importantísimo contra los sistemas artificiales de ventilación basándose en la

naturaleza. La investigación tiene aquí un campo muy prometedor que puede

desembocar en una revolución en el concepto de fabricación y usos de los productos.


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Ilustración 21. Estructura fractal, cortesía de treehugger.com

- Aligeración de productos: al poder construir los objetos capa a capa se

presenta la posibilidad de integrar geometrías internas a las piezas. De esta forma se

pueden variar piezas macizas, ya sea para aligerar peso o ahorrar material; a parte de

la fabricación de estructuras internas también está la posibilidad de crear piezas con

densidades diferentes. La creación de formas huecas en una fabricación convencional

se lleva a cabo habitualmente con técnicas de moldeo; este tipo de procesos requieren

de una detallada planificación de la disposición del molde y sus partes, colocación de

mazarotas y extracción de la pieza finalizada. También se pueden conseguir este tipo

de piezas mediante otros métodos con el inconveniente de que se precisa un posterior

ensamblaje de todas las partes que componen el objeto final, por lo tanto se deben

planificar las partes de que constará la pieza, el método de ensamblaje así como un

cuidado dimensional especial en las zonas de unión.

A la hora de fabricar aditivamente estas restricciones y complicaciones se

evaporan, un diseño CAD 3D se materializa sin ningún problema (aunque hay que

tener en cuenta, según el tipo de proceso aditivo usado, que es posible que sea

necesario incluir estructuras de soporte). Por lo tanto se pueden realizar piezas huecas

o con niveles de porosidad diferentes según las necesidades de la pieza. Por ejemplo

herramientas manuales o eléctrico-electrónicas fabricadas habitualmente por


66

fundición de manera que resultan macizas, estos diseños se tornan incómodos si

hablamos de herramientas de gran volumen, y su fabricación en materiales más

ligeros suele traducirse en un aumento del precio final; ahora bien, gracias a los

procesos de fabricación aditiva, las zonas menos solicitadas de una determinada

herramienta se pueden fabricar con el mismo material pero alta porosidad, lo que se

traduce en una disminución de peso, una ayuda para trabajos manuales tediosos así

como para la disminución del gasto energético de maquinaria al disponer de

estructuras aligeradas.

Ilustración 22. Aligeración de turbina, cortesía de mfginamerica.com

- Productos multimaterial: no todos los procesos de fabricación aditiva

presentan esta peculiaridad. Destacamos aquí la empresa pionera en este sector: Objet

Ltd. No solo se habla de modificaciones en la porosidad del material sino que se trata

de materiales completamente diferentes. Esto supone una ventaja en primer lugar si se

desea fabricar un objeto que debe presentar comportamientos diferentes según partes;

como es el caso de un teléfono móvil en el que la carcasa debe presentar una alta

rigidez y resistencia a impactos y, en cambio, el teclado ha de tener una cierta

flexibilidad. En el caso concreto del móvil además se elimina el paso del montaje

carcasa-teclado ya que se fabrican ambas partes a la vez. Supone una ventaja, en

segundo lugar, si en el proceso se requieren estructuras de soporte, ya que se pueden

fabricar éstas en un material diferente para que su extracción sea mucho más sencilla.

Se subraya aquí la aplicación al sector médico ya que permite fabricar

modelos prácticos con la diferenciación de texturas carne/hueso mediante el uso de


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materiales con textura de silicona para la piel y otro con textura más dura que asemeja

el hueso. Además de la diferenciación de materiales, en el caso del hueso se puede

incluso asemejar la estructura interna a la de uno real por la ventaja comentada

anteriormente de la porosidad variable.

Ilustración 23. Objetos multimaterial, cortesía de objet.com

Existen procesos no aditivos de fabricación mediante los cuales se puede

hacer fabricación multimaterial mediante operaciones de sobremoldeo en las que se

realiza una cobertura a una pieza ya fabricada, pero hay determinadas geometrías

imposibles de fabricar con estos procesos y la zona de unión entre los diferentes

materiales habitualmente presenta problemas debido al desigual comportamiento de

los materiales.

Otras opciones habituales a esta fabricación multimaterial sugerirían el uso de

adhesivos o uniones, lo cual no puede considerarse una fabricación multimaterial

propiamente dicha.

- Innecesaridad de gestión de desechos: esta ventaja se desprende de la

naturaleza de los procesos de fabricación aditiva, ya que su principio es partir de una

cantidad de material cero hasta completar el 100% del material de la pieza, mientras

que en los procesos sustractivos se parte de material en exceso (más del 100% del de

la pieza) para poder, mediante la extracción de material, completar la pieza.

Todos los residuos generados en operaciones de arranque de material deben de

ser gestionados y eso supone un coste añadido; además las operaciones de taladrado,

desbastado, fresado, etc. precisan de líquidos refrigerantes como son las taladrinas.

Estos refrigerantes poseen entre sus componentes aceites, biocidas y metales pesados,


68

todos ellos tóxicos para el medio ambiente y/o para el personal encargado de

manejarlos, por ello están catalogados como Residuos Tóxicos y Peligrosos por el

Real Decreto 833/1988.

Así pues, la fabricación aditiva se puede concebir como una fabricación

“limpia”. En los procesos de lecho completo si es cierto que se parte de una cantidad

de material superior a la requerida, pero únicamente pasa a ser parte de la pieza el que

se agrupa; el resto del material es reutilizado ya que sus propiedades siguen estando

prácticamente intactas.

- Ergonomía: esta ventaja se desprende de la primera (la facilidad para realizar

geometrías complejas). Como prácticamente cualquier forma es posible sin que esto

suponga un encarecimiento en la fabricación, las piezas a fabricar pueden ser

modeladas con las formas anatómicas que se precisen. Se puede dar un paso más allá

y pensar en una fabricación 100% para el individuo; se ilustra con un ejemplo: se

supone un individuo que desea adquirir un artículo de dimensiones tan específicas

como pueden ser unos guantes, la mano se expone a un escaneado digital que

conforma una superficie. Después el modelado del guante se realizaría en base a esa

superficie consiguiendo de esta forma un artículo hecho a medida sin que ello

suponga un añadido de dificultad.

Llegados a este punto la curiosidad incita a pensar sobre cuántos artículos de

uso cotidiano no se hacen con forma ergonómica por el sobrecosto que esto supone

en un proceso de fabricación convencional.

- Producción directa de mecanismos: debido a que se pueden fabricar distintas

geometrías en una misma pieza, por ello también se pueden fabricar mecanismos

como podría ser un rodamiento incluyendo sus cojinetes y sus bolas, sin la necesidad

de un posterior montaje.

Una ventaja que se desprende de esta fabricación directa de mecanismos es la

reducción de errores de montaje ya que se eliminan procesos de ensamblaje y con

esto se reducen a su vez inventarios y manipulación de piezas intermedias al producto

final.


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Ilustración 24. Mecanismo de ruedas engranadas. cortesía de usminc.com

- Disminución del “time to market”: este tiempo de mercado se refiere al

intervalo temporal desde que un producto se concibe hasta que sale al mercado. Esta

fase tiene que ver con toda la fase de diseño y prototipado. La ventaja se presenta

debida principalmente a esa facilidad para la fabricación de prototipos, esto permite

un entendimiento directo entre los participantes en la concepción del producto; si

precisa modificaciones simplemente se ha de modificar el diseño CAD y fabricar de

nuevo. Y en el caso de fabricar no prototipos, sino el producto final, el time to market

se limitaría al tiempo destinado al diseño del producto exclusivamente.

- Innovación del campo de fabricación: haciendo referencia a lo comentado

anteriormente, la particularidad de poder fabricar utensilios con tal libertad en el

diseño sin importar el coste, hace posible la creación de multitud de nuevas

estructuras de usos todavía por descubrir. Se puede entender además como un

acercamiento de lo matemático y lo tangible, ya que se pueden representar modelos

matemáticos en formato digital (CAD) para posteriormente poder representarlos

físicamente de una forma fiel.


70

Por otro lado también hay que destacar que el hecho de fabricar a partir de un

archivo digital permite cambiar muy fácilmente los parámetros del modelo en caso de

que fuese necesario por cualquier error cometido o modificación de diseño. Esta

operación se realiza de forma rápida y completamente digital. Pero en cuanto a

rapidez la principal ventaja es que ese modelo diseñado puede mandarse vía internet

al otro lado del globo para su producción inmediata, todo ello en unos segundos.

Asimismo, el almacenamiento de millones de modelos .stl puede realizarse de forma

ordenada y sencilla en una unidad de almacenamiento tan nimia como un pendrive

USB, evitando el problema del fin de existencias ya que mantener un diseño

descatalogado simplemente ocupa un pequeño espacio de la unidad de memoria USB.

Una aproximación más de la fabricación a las nuevas tecnologías.

Otra innovación se puede considerar la innecesaridad de utillajes en la

fabricación de un objeto. Una fabricación sin utillajes supone el ahorro en coste de la

elaboración del utillaje específico, el tiempo invertido en ello, operaciones de

mantenimiento e inspecciones. Y, de no poder prescindirse de utillaje (producción de

grandes series), las técnicas de fabricación aditiva hacen posible la obtención de

moldes, punzones,… con diseños complejos.

- Fabricación en series cortas: esto es tanto una ventaja como una desventaja

para estas tecnologías. La ventaja vendría en cuanto a que se permite producir

unitariamente sin un aumento en el coste de fabricación.

Igualmente esta característica va en detrimento de la fabricación aditiva ya

que por lo general los productos se fabrican en grandes lotes, y, aunque rápidas, las

tecnologías aditivas no son equiparables en productividad a los procesos tradicionales

de grandes cadenas de fabricación.

- Precios bajos para uso particular: se menciona aquí una impresora 3D de la

casa 3D Systems, nombrada “Cube 3D printer” la cual tiene un precio de lanzamiento

de 1300$. Ofreciendo una fabricación en material plástico reciclable de bastante

resistencia y un volumen de construcción de 14 cm3. Las capas presentan un grosor

de 0.25 mm, lo cual no es una alta precisión para determinados usos, pero el precio

parece bastante acorde a lo ofrecido.


71

Esta posibilidad de adquirir tecnología aditiva abre las puertas a numerosos

diseñadores que deseen comunicar sus ideas con prototipos pudiendo fabricarlos y

modificarlos ellos mismos en su propio domicilio.

2.6.- Limitaciones.

Aunque sobre el papel las tecnologías aditivas parecen una opción mucho más

viable que los procesos de fabricación habituales, esto no se lleva a cabo en la

realidad. A continuación se especifican algunos de los puntos débiles de AM. Estas

limitaciones son las que marcan los retos de futuro para el sector de la investigación y

desarrollo tecnológico que se dedican a la fabricación aditiva, con lo que se quiere

decir que estos puntos débiles pueden considerarse temporales, salvables.

- La velocidad frente al acabado: se sabe que la velocidad es un inconveniente

general en todos los procesos de fabricación aditiva; además de ser una desventaja, la

velocidad condiciona en gran medida el acabado. Cuanto mejor se desee el acabado

superficial (en una misma máquina), más lento será el proceso. Este es uno de los

aspectos que más limita la expansión de AM en el sector de la industria.

Es muy fácil entender la relación entre la velocidad y el acabado: las piezas

fabricadas aditivamente están basadas en una serie de capas, el espesor de la capa es

lo que se nota como rugosidad en la superficie por lo tanto cuanto mejor acabado

superficial se desee, menor espesor de capa se requiere. Por lo tanto cuanto mejor

acabado superficial se quiera, mayor número de capas se deberán fabricar, lo que

hace que se ralentice el proceso.

En cuanto a lo que se refiere al acabado entendido como un postprocesado de

la pieza fabricada, decir que se encuentran problemas: el tacto arenoso del sinterizado

hace que las operaciones de acabado resulten muy abrasivas para la pieza

perjudicando su vida útil, también provoca un corte discontinuo de la herramienta;

además debido a lo complicado de las geometrías es difícil tarea sujetar la pieza y

postprocesar en el lugar requerido.


72

- Restricción de tamaño: como se ha explicado anteriormente, el tamaño

máximo de las piezas está directamente relacionado con el tamaño de la plataforma o

cuba de fabricación. En la actualidad ya existen máquinas con tamaños máximos de

fabricación de unos 8 m3 en metal, e incluso otras como la D-Shape con un tamaño

máximo de 216 m3 en imitación pétrea. Este problema en tamaño máximo de pieza

viene impuesto por el tamaño de la máquina, por lo tanto el reto en este aspecto tiene

que ver con idear un sistema que permita fabricar una pieza de grandes dimensiones

sin que se necesite para ello una máquina exageradamente grande.

Además del tamaño máximo también existe una restricción en el tamaño

mínimo de pieza. Esta restricción se debe a factores como el diámetro mínimo que

puede solidificar un haz de luz láser sin afectar a partículas colindantes, el espesor

mínimo de la capa fabricada o el diámetro que presenta el material pulverizado (si el

grano es muy grueso es más fácil de manipular, pero se limita la calidad de detalle; y

si el grano es muy fino se aumenta la calidad del detalle, pero al ser mucho más

volátil se hace más complicada su manipulación).

- Materiales: existe una amplia gama de materiales para su uso mediante

técnicas aditivas pero dicha gama es mucho más pequeña a la existente en procesos

convencionales. Además de estas restricciones en tipo de material también es un

punto en contra el coste de los materiales; los materiales manipulados para su uso de

forma aditiva resultan más caros que sus similares en técnicas convencionales. Por

consiguiente, al ser la gama de materiales más escasa y la gama disponible más cara

que en otros procesos, hace que la expansión e implantación de AM sea más difícil.

Si la tecnología no se va instaurando el abaratamiento de los materiales no es posible

por la baja demanda.

Sin embargo también es cierto que, aunque un mismo material es más caro en

AM que en procesos convencionales, en AM no se desperdicia material por lo que

supone un ahorro que en ocasiones puede desembocar en un balance de precio/pieza

mejor que en otros procesos.

En el caso de usar materiales en polvo una característica en contra es su

manejo: la mayoría de las máquinas han de cargarse de material de aporte mediante

un operario, al igual que el material no usado el cual ha de cribarse para su


73

reutilización. En el caso de querer fabricar una pieza de diferente material en la

misma máquina, es necesaria una limpieza de todo el sistema (operación realizada

también por un operario).

- Extracción de piezas metálicas: cuando se lleva a cabo una la fabricación de

una pieza metálica en su plataforma de construcción la primera capa se encuentra

soldada a la misma. Una vez acabada la pieza se debe pasar a su extracción de la

placa; esta operación se realiza mediante un serrado de la superficie, acción muy

laboriosa. Conjuntamente se tiene el mismo problema cuando se van a extraer los

soportes de la propia pieza, estas estructuras no se fabrican macizas porque supone un

aumento de tiempo de fabricación así como un desperdicio de material. A la hora de

separar la pieza se usan métodos de mecanizado o serrado, esto infiere directamente

en el acabado final de la pieza y hace que sea necesario un estudio de la situación

óptima, grosor, inclinación,… de las estructuras de soporte para que el proceso sea lo

más económico y rápido posible sin afectar a la forma de pieza concebida

inicialmente.

Esta desventaja es más apreciable cuanto menor sea el tamaño de la pieza.

Además de tener un tamaño menor, es habitual fabricar varias piezas a la vez para el

abaratamiento del coste/pieza; por consiguiente la separación se hace mucho más

ardua pudiendo incluso equivocar la sección de separación por haber efectuado una

extracción deficiente entre conjunto fabricado y plataforma de fabricación.

- Nueva tecnología: al ser AM una fabricación, dentro de lo que cabe,

novedosa y no del todo extendida, se dispone de un conocimiento limitado. Se

entiende con esto una menor cantidad de informes, comparativas,… que analicen los

procesos de fabricación aditivos de una forma rigurosa. Un aspecto importante es

repetibilidad del proceso, en piezas metálicas se debe ahondar más en los efectos

térmicos de dilatación y compresión de la pieza final durante su fabricación y el

posterior enfriado, pudiéndose necesitar operaciones de sobredimensionado; algo

parecido al conocimiento que se posee en el sector de moldeado. De la misma manera

se encuentra este problema con las propiedades físicas como la elasticidad, tensión de

rotura, dureza,… que son propiedades con unos límites inquebrantables en depende


74

qué aplicaciones. Asimismo, como se comentó anteriormente, se posee un

desconocimiento en la materia de los soportes (densidad, posición,…). También el

comportamiento anisotrópico (conductividad, elasticidad, magnetismo, dilatación

térmica, pleocroísmo y cristalización) de los materiales es una asignatura pendiente si

tenemos en cuenta la posibilidad de fabricar piezas que posean diferentes densidades

en su cuerpo.

Por otra parte, aunque al diseñar un producto se realice libremente con un

software CAD, estos software están diseñados desde el punto de partida de una

fabricación sustractiva o de conformado; por ejemplo a la hora de fabricar una pieza

que contenga discontinuidades en su densidad el software de diseño no suele disponer

de una solución. A esto se le puede sumar la preparación mental de diseñadores de

ámbito industrial, que han sido instruidos desde los cimientos de los métodos de

fabricación convencionales, pasando seguramente por alto soluciones inconcebibles

para métodos sustractivos o conformativos.

- Productos multimaterial, reciclado: ya se ha mencionado anteriormente la

ventaja de poder fabricar productos multimaterial, pero esto a su vez tiene su

inconveniente y es que el reciclado se convierte en una difícil labor si ambos

materiales no son compatibles desde el punto de vista del reciclaje; y más si estos

materiales se encuentran en una unión mediante la variación de cantidad de uno u otro

material gradualmente.

- Costes con AM: aunque anteriormente se ha mencionado la ventaja de poder

disponer de una máquina de fabricación aditiva por un módico precio admisible para

un particular, cuando se habla de fabricación en grandes cantidades se despliegan

varios costes específicos de AM: una máquina de AM de altas prestaciones supone

una inversión considerable, a ello hay que sumarle el personal especializado en AM

para definir la estrategia de fabricación, el procesado y postprocesado y también el

mantenimiento de cabezales o láser.

- Difusión de modelos: al necesitar únicamente la fabricación aditiva de un

archivo .stl para poder crear una pieza, se hace necesario un control especial sobre la


75

difusión de ficheros. No es en sí una desventaja ya que permite una apertura al

mercado mundial de una manera muy sencilla gracias a las tecnologías de

telecomunicaciones; un simple click permite mandar en tiempo real un diseño para su

fabricación directa.

Con la extensión de las tecnologías aditivas se puede aventurar a pensar en

una compra vía internet de diseños por parte de usuarios particulares los cuales

dispongan de una máquina de fabricación aditiva. Ello implica tener que hacer una

revisión y control sobre las leyes de propiedad intelectual.

2.7.- Fabricación híbrida.

Se trata de una opción que aprovecha lo mejor de cada proceso de fabricación.

Como se ha dicho anteriormente, el acabado superficial que presentan los procesos de

fabricación aditiva no es tan preciso como el conseguido con procesos de rectificado

por ejemplo. Por otra parte se sabe que una pieza fabricada por tecnologías de

arranque de viruta genera un desperdicio de materia prima. Así pues, se podría

plantear un sistema en el que las tecnologías aditivas se encarguen de la fabricación

del modelo (sin necesitar excesos de material para su modelado) y el acabado

superficial corra por cuenta de tecnologías de arranque de viruta (mejorando el

acabado superficial generado aditivamente).

Los procesos de AM también se pueden aprovechar para el modelado de

punzones con geometrías complicadas que sean difíciles de producir de otra forma.

En el campo del moldeo también encontramos una interesante opción para

aplicar la fabricación híbrida. Ya se ha hecho referencia a esa ventaja específica de la

fabricación aditiva referida a la facilidad para realizar geometrías intrincadas, cosa

que habitualmente en procesos de moldeo es una opción poco viable por la dificultad

que supone. Aunque disponga de esta ventaja, la productividad de una máquina de

AM no es comparable a la que se podría conseguir con procesos convencionales. Por

lo tanto un aprovechamiento de ambas características ventajosas de ambos procesos

es lo propio. Se realizaría la pieza macho mediante fabricación aditiva, aprovechando

su facilidad para generar geometrías difíciles, y el proceso de llenado de moldes de

forma convencional, aumentando la productividad del sistema. Asimismo es posible


76

usar AM no para fabricar el macho, sino directamente para fabricar los distintos

elementos del molde, siendo más fácil la creación y montaje del mismo.

Por consiguiente, es importante realizar una comparativa entre procesos

convencionales y aditivos para solventar cómo fabricar una pieza de forma óptima. Se

han llevado a cabo estudios en los que se realiza una comparativa entre un proceso de

fabricación en inyección de plástico y uno aditivo generando las mismas geometrías.

Se muestran unas gráficas a continuación en las cuales se puede observar, desde el

punto de vista de los costes unitario y total en comparación con el volumen de

producción, las diferencias que presentan dichos procesos.

En la primera gráfica se hace referencia al coste total en función del número

de piezas. Se ve que en el comienzo la fabricación AM presenta la ventaja de no

necesitar molde, lo cual supone un coste inicial cero; en cambio, la inyección en

plástico precisa de un molde que supone un precio desde el que parte la recta. Por lo

tanto para un volumen de fabricación pequeño es conveniente usar procesos aditivos,

pero a la hora de fabricar en grandes cantidades la inyección sale más rentable. De

aquí se desprende un límite de producción Q por encima del cual es preferible

inyección y por debajo AM. A la vista del bajo coste de la fabricación de una pieza

mediante AM, y teniendo en cuenta que la recta de coste total de la inyección tiene

una pendiente menor, se debería usar AM para la creación del molde e inyección para

la producción (si es superior a Q) para un proceso óptimo. De esta forma se

conseguiría un abaratamiento de amplitud ΔQ comparando con la gráfica inicial. A la

hora de lanzar un nuevo producto al mercado se posee una gran incertidumbre acerca

de su aceptación en la sociedad, por ello una inversión en un molde podría suponer

importantes pérdidas si el producto no tiene gran aceptación.


77

En el caso de la gráfica de coste unitario en comparación con el volumen de

producción, se observa que en el caso de la inyección de plástico la inversión inicial

es considerable, lo cual nos indica que no es apropiado para pequeños volúmenes de

fabricación; pero la curva hace que el abaratamiento transcurra de forma exponencial

hasta un coste mucho más pequeño a medida que se producen más unidades. En el

caso de la fabricación aditiva el coste unitario es siempre el mismo continuamente.

Así se llega a otro punto Q que marca el límite de unidades bajo las que un proceso

aditivo o de inyección es más económico.


78

Además de los costes de producción también se ha de tener en cuenta otro

factor referido al valor del producto, y éste es el valor añadido. Las piezas generadas

mediante AM tienen un valor añadido mucho mayor que las fabricadas mediante la

inyección. Esto se debe a las posibilidades ventajosas de AM como personalización

de piezas, reducción de peso, mejora en el diseño, ergonomía,… Muchas de estas

ventajas no son apreciables a simple vista, por ello la creación de nuevos diseños

debe partir de cero y no de modelos fabricados convencionalmente, sujetos a

limitaciones, ya que de un rediseño no podría resultar una solución tan innovadora o

no convencional.


79


80

3.- DESCRIPCIÓN DEL ANÁLISIS A REALIZAR.


Con el fin de poder hacerse una idea de las ventajas y limitaciones de este tipo

de procesos de fabricación, se procede con una simulación de la fabricación una

pieza. Se trata de un intercambiador de calor aire-agua; en concreto un radiador

“honeycomb”, de estructura de panal de abeja. Esta pieza ha sido escogida por lo

laborioso de su fabricación mediante técnicas convencionales. Actualmente la

aplicación de este tipo de estructura hexagonal es usada en hornos metalúrgicos y, en

general, en procesos tecnológicos de disipación de altas temperaturas al aire (HTAC

technology). Estas aplicaciones precisan de un diseño en panal de abeja usando para

ello materiales cerámicos, pero sin una estructura interna hueca entre las celdillas.

Ilustración 25. Intercambiador de panal cerámico.

Los radiadores de panel de abeja comenzaron a usarse en la aeronáutica y la

automoción a principios del siglo XX, pero en la actualidad únicamente pequeños

fabricantes siguen creando este tipo de radiadores para usuarios que desean algo

diferente al resto, dando aire “retro” a flamantes automóviles de inspiración antigua.

El proceso de fabricación es laborioso y los resultados a efectos prácticos de

intercambio de calor no son mejores que los conseguidos con un radiador

convencional. En este tipo de intercambiadores el aire circula libremente por el


81

interior de unos orificios hexagonales mientras que una corriente continua de agua

envuelve interiormente los conductos. Existen dos diferentes formas de llevar a cabo

la fabricación de estos radiadores convencionalmente:

- mediante la fabricación de pequeños tubos individuales a los que luego se les

somete a un proceso de deformado en los extremos ensanchándolos y dándoles la

característica forma hexagonal. Posteriormente esos tubos se reúnen apilándolos y

sujetándolos con un soporte exterior. Para garantizar la estanqueidad del recinto por

el que fluye el líquido, se someten los extremos a un baño de soldadura que penetra

por capilaridad una porción de los mismos, dejando libre el paso interior entre tubos.

Ilustración 26. Radiador de panal Fiat. Cortesía de www.faculty.virginia.edu

- El proceso de fabricación usado por alguna empresa de radiadores en la

actualidad (como es el caso de la pequeña empresa australiana FTRS especializada en

radiadores para automóviles estilo “vintage”) se basa en el doblado de láminas de

metal que encajan para formar el entramado. Se incluyen procesos de doblado y corte

de chapa así como un proceso de soldado de las uniones entre planchas de chapa y el

soporte exterior. Es una fabricación de carácter artesanal en este caso. La mayoría del

proceso viene ilustrado con fotografías, y además se puede ver un resumen de todo el

proceso completo en dos vídeos disponibles en la página web del fabricante

http://www.ftrs.com.au/honeycomb/make_a_core.php.

http://www.ftrs.com.au/honeycomb/make_a_core.php


82

Ilustración 27. Maquinaria para el doblado de la chapa

Ilustración 28.Cizalla para el corte de la chapa

Ilustración 29. Unión de chapas por parejas.


83

Ilustración 30. Apilado de las chapas formando el conjunto.

Ilustración 31. Conjunto después del soldado por inmersión.

Como se ha comentado anteriormente, el proceso de fabricación de este tipo

de radiadores es más laborioso (mediante técnicas convencionales) que el de

radiadores convencionales. Debido al coste de fabricación frente a los resultados

obtenidos, este tipo de radiadores ha caído en desuso, hay que añadir la dificultad que

presenta el soldado de todas las uniones entre tubos para garantizar la ausencia de

fugas. En el entorno de la fabricación aditiva la única dificultad reside en el diseño

CAD 3D del intercambiador, ya que no existen impedimentos geométricos a la hora

de realizar la fabricación física del elemento.

3.2.- Procesos a ejecutar.

A continuación se reflejan procesos que se deberían tener en cuenta, según el

tipo de fabricación, a la hora de producir el intercambiador íntegramente:

a. Desde el punto de vista de la fabricación convencional: precedentemente se

apuntaba a dos diferentes formas de llevar a cabo la fabricación del radiador

de panal de forma convencional: partiendo de tubos individuales y partiendo

de una plancha metálica.


84

- Partiendo de tubos individuales: si se considera este método de fabricación

se deberían llevar a cabo una serie de operaciones que se detallan

seguidamente. En primer lugar la fabricación de los tubos que se podría

hacer mediante técnicas de fundición generando barras macizas para un

posterior punzonado para realizar el hueco, o mediante un doblado de una

chapa rectangular juntando ambos lados y soldándolos. Esos tubos,

fabricados propiamente o adquiridos a un tercero, se ensanchan en sus

extremos mediante un proceso de deformado con una matriz de forma

hexagonal. Simultáneamente se fabrica la carcasa exterior del radiador,

que constará de cuatro planchas de metal cortadas en sus extremos de tal

forma que encajen los tubos. Una vez obtenido el conjunto completo se

deben soldar todas y cada una de las uniones que existen entre los

hexágonos y la carcasa para garantizar la estanqueidad.

- Partiendo de una plancha: se debe señalar que mediante este método las

celdillas del panal están separadas por filas; es decir, el agua circula por su

interior de manera lineal sin rodear por completo los falsos tubos por los

que discurre el aire. Por otra parte, el proceso es menos laborioso que el

anterior siguiendo un proceso como el detallado a continuación: una chapa

enrollada en una bobina alimenta a una prensa que va dando forma a la

chapa, resultando de esta operación lo que sería el perfil de media fila de

celdillas. A continuación se corta a la medida de la longitud del radiador.

Se van uniendo las láminas de material por parejas mediante otra prensa,

formando de esta manera la cara superior e inferior de dos filas de celdillas

por las que circulará el aire. Entre ambas láminas se introduce una tercera

orientada al contrario, de tal forma que se crea una estructura con dos filas

de hexágonos. Estas estructuras se van apilando hasta completar la altura

del radiador, formando entre ellas los conductos por los que circulará el

agua. Se somete al conjunto a un baño de soldadura por ambas caras para

sellar los conductos; asimismo se deben soldar las juntas de cada extremo.

Una vez terminadas estas operaciones se arma y suelda la carcasa que

rodeará al conjunto.


85

b. Desde el punto de vista de la fabricación aditiva: en el caso de procesos

aditivos las operaciones a realizar se resumirían en: primeramente hacer el

diseño CAD 3D del conjunto en cuestión. Ese modelo se pasa a formato .stl y,

con un software apropiado, se orienta la pieza apropiadamente para realizar el

dividido por secciones que efectuará la máquina. Se proyectan, de haber lugar,

las estructuras de soporte necesarias y se procede a la fabricación. Al finalizar

el proceso de fabricación se deben eliminar, si se ha realizado en lecho de

polvo, los restos de material que se hayan en la cavidad interior del radiador

por donde circulará el agua.

3.3.- Operaciones a realizar.

Para la fabricación del radiador partiendo de los tubos:

Pieza Nº piezas

Operación Máquina Utillaje

Tubo hexagonal

4511 Cortar tubo en unidades

Sierra

Ensanchar extremos Prensa -Sujeción tubo -Matriz hexagonal

Carcasa

Plancha lateral

2 Cortar a medida Sierra

Cortar silueta lateral Láser -Sujeción plancha

Doblar laterales Dobladora

Plancha inferior


Cortar silueta lateral hexagonal

Láser -Sujeción plancha

Cortar agujero salida de agua



Plancha superior




Cortar agujero entrada de agua


Doblar laterales


86

Conjunto 1 Ordenar tubos

Situar carcasa -Gatos de sujeción

Soldar unión de carcasa

Soldador -Gatos de sujeción

Soldar tubos y unión con carcasa

Baño de soldadura

-Gatos de sujeción

Eliminar escoria

Tabla 3. Procesos partiendo de tubos

Para la fabricación del radiador partiendo de una plancha:

Pieza Nº piezas

Operación Máquina Utillaje

Plancha Prensar con forma hexagonal

Prensa -Matriz

Cortar a medida Cizalla

Sellado de extremos Prensa

Insertar de 3ª plancha

Carcasa

Plancha lateral


Cortar silueta lateral Láser -Sujeción plancha


Plancha inferior




Cortar agujero salida de agua



Plancha superior




Cortar agujero entrada de agua


Conjunto 1 Ordenar y presionar planchas

-Gatos de sujeción

Situar carcasa -Gatos de sujeción

Soldar unión de carcasa

Soldador -Gatos de sujeción

Soldar tubos y unión con carcasa

Baño de soldadura

-Gatos de sujeción

Eliminar escoria


87

Tabla 4. Procesos partiendo de plancha.

En el caso de la fabricación aditiva:

Pieza Nº piezas Operación Máquina Utillaje

Conjunto 1 Modelado 3D

Ordenador Software diseño 3D

Pasar a formato .stl

Ordenador Software de modelado

Orientar y rebanar pieza

Ordenador Software de modelado

Fabricar en máquina

Máquina AM

Eliminar soportes y/o material no compactado

Pistola de aire a presión

Tabla 5. Procesos AM

Como se puede observar, el proceso de fabricación aditiva consta de un menor

número de operaciones a realizar, es un proceso más sencillo y, por lo tanto, se

asegura un menos número de posibles errores al fabricar.

En el caso de la fabricación partiendo de tubos, además de necesitar planos

previos (aspecto antes no tenido en cuenta), se ha de fabricar una matriz fabricada

específicamente para el ensanchado hexagonal de los tubos, también se debe tener

posesión de sierras para cortar las planchas de metal que formarán la carcasa

exterior, de una prensa para el ensanchado de los tubos (equipada con la matriz antes

descrita), una máquina de cortado láser o, en su defecto, una sierra que permita cortar

la silueta requerida y los orificios de entrada y salida del agua, un grupo de soldadura

para unir las piezas de la carcasa y ésta a los tubos y otro grupo de baño de soldadura

para garantizar la estanqueidad entre tubos.

Para la fabricación partiendo de plancha de metal también se precisa de los

planos correspondientes, una prensa con una matriz definida para dar forma a la

plancha de metal, una cizalla para cortar las planchas a la medida del radiador, una

prensa específica para el cerramiento entre parejas de planchas, una sierra para el

cortado de las planchas que formarán la carcasa así como una máquina de corte láser

para formar la silueta que encajará en los bordes del entramado hexagonal y los


88

orificios de entrada y salida de agua. Un grupo de soldadura para unir las juntas de la

carcasa y un equipamiento de soldadura por inmersión para el sellado de todo el

radiador por ambas caras.

Para la fabricación aditiva se debe disponer de un software de modelado en

3D para diseñar el radiador, un software apropiado para pasar el formato CAD a

formato .stl comprensible por la máquina en cuestión y, por último, la máquina de

fabricación aditiva conveniente, capaz de trabajar con material metálico (en este caso

aluminio).

Por otra parte, en el caso del proceso aditivo, se aprovechan las ventajas que

presenta este tipo de fabricación mediante la inserción de unas aletas que recorren los

conductos del aire desde un extremo al otro; por lo tanto el radiador de panal

fabricado aditivamente parte con la ventaja de una mayor eficiencia energética. No se

contempla la posibilidad de hacer esta misma modificación en los otros dos tipos de

radiador por la complejidad de esta operación, ya que se deberían fabricar placas

unidas por soldadura que se introducirían en todos y cada uno de los agujeros del aire

y además deberán soldarse a los orificios. La inclusión de este paso en los procesos

de fabricación convencionales supondría un gran aumento en el coste y el tiempo, que

echaría abajo directamente el plantear fabricar el radiador por estos procesos.

El material escogido para la fabricación es aluminio por su conductividad,

resistencia y baja densidad. La mayoría de radiadores se fabrican con este material o

aleaciones del mismo; también se usa cobre en algunos, pero tiene un precio más alto

que el aluminio ya que prácticamente lo cuadriplica. Empresas como Electro Optical

Systems u Optomec ofrecen fabricación en aluminio; en el caso de Electro Optical

Systems se ofrece la máquina EOSINT M280, con un grosor de detalle de 80 micras a

velocidad máxima. Por parte de la casa Optomec se ofrece la LENS 850R que trabaja

con una amplia variedad de metales y aleaciones. También la empresa esTechnology

ofrece maquinaria para el trabajo en aleaciones de aluminio con su gama M2

CONCEPT laser.


89


90

4.- CRITERIOS DE ECODISEÑO.


En el ecodiseño de un producto se incluyen todas las características de un

proceso de fabricación, y se analizan las fases del ciclo de vida del producto en

cuestión, teniendo en cuenta no sólo los criterios habituales como pueden ser el coste,

la funcionalidad, la calidad, el diseño artístico o la seguridad, sino también el impacto

ambiental que conlleva el producto. Se trata de un diseño destinado a la mejora, o

más bien el mantenimiento, del medio ambiente; definiendo impacto ambiental como

cualquier cambio en el medio ambiente, sea adverso o beneficioso, resultante en todo

o en parte de las actividades, productos y servicios de una organización.

De esta manera, los criterios a tener en cuenta en el ecodiseño se basan en el

menor “coste” para el medio ambiente y afecta a todas las fases habituales en un

proceso convencional de diseño de un producto; así mismo, está presente en el

proceso de desarrollo de la idea, en su concepción, se deben valorar los aspectos de

carácter medioambiental desprendidos de cada posible estrategia de fabricación

(metodología, materiales, residuos,…). De esta forma se puede incluso fijar un tope

en el impacto ambiental basándose en una técnica de cuantificación del daño

ambiental como es la de los ecoindicadores.

Tratando el medio ambiente como un criterio de mucho peso en el diseño del

producto o la mejora de uno ya existente se consigue una sostenibilidad en el proceso;

para ello se ha de llegar a un equilibrio entre los recursos naturales, las tecnologías

disponibles y el coste, se quiere decir que un producto ha de concebirse bajo estos

criterios teniendo en cuenta el medio ambiente (entendiendo por medio ambiente

como “el entorno en el cual una organización opera, incluyendo el aire, el agua, la

tierra, los recursos naturales, la flora, la fauna, los seres humanos y sus

interrelaciones”, según la norma ISO 14001) pero también satisfaciendo las

necesidades del consumidor.

También se debe definir el término aspecto ambiental, ya que es un dato de

partida fundamental para entender el ecodiseño. La norma ISO 14001 propone la

siguiente definición: “elemento de las actividades, productos o servicios de una


91

organización que puede interactuar con el medio ambiente”. Los aspectos ambientales

son los encargados de los impactos ambientales, se podría entender como causa-

efecto (aspecto-impacto). Para una mejor comprensión se adjunta un cuadro

explicativo con los aspectos ambientales más habituales así como sus consecuentes

impactos:

Tabla 6. Relación aspecto e impacto ambiental

Echándole un vistazo al cuadro se puede observar que hay determinados

aspectos ambientales que generan un mismo impacto ambiental y que también un

mismo agente ambiental puede derivarse en varios impactos ambientales; por lo

tanto, dependiendo de qué tipo de aspecto ambiental se varíe, diferentes impactos

ambientales se verán involucrados. Cada organización debería realizar este tipo

diseños con el fin de: reducir el gasto energético, minimizar en consumo de materias

primas, asegurar un fácil reciclado de sus productos, usar materiales inocuos para el

medio ambiente y los seres vivos, a ser posible, usar materiales reciclados y/o

reciclables además de biodegradables, reducir la degradación del medio ambiente,

evitar directamente el uso de determinados aditivos y materiales, reducir la

complejidad de los productos (menor número de piezas), disminuir la producción de

residuos, reutilizar o reciclar el producto tras completar su ciclo de vida por parte de

la empresa, disminuir la cantidad de materiales en un mismo producto, usar

ASPECTO AMBIENTAL

Consumo de material

Consumo de agua

Consumo de energía

Generación de emisiones atmosféricas

Consumo de sust. Peligrosas

Generación de residuos peligrosos

Generación de vertidos

Generación de ruido y vibración

Generación de residuos urbanos

IMPACTO AMBIENTAL

Efecto invernadero

Reducción capa de O3

Lluvia ácida

Smog

Contaminación de suelo

Disminución de recursos

Deterioro de salud

Contaminación del agua


92

materiales de fácil limpiado, reutilización y reparación, reducir la cantidad de

embalajes usados,… Teniendo como objetivo final el uso de materiales menos

impactantes, de fabricación más limpia y que tengan un impacto mínimo durante su

vida útil y al finalizarla (reciclado).

Por otra parte el consumo de materias primas sigue unas normas que fijan un

límite en cuanto a su consumo controlado:

- Las materias primas renovables no deben explotarse a un ritmo superior al de

su generación, lo cual es completamente lógico si uno se para a pensarlo.

- Los contaminantes no deben de producirse a una velocidad superior a la de

su reciclado o neutralizado ya que se llegaría a una saturación del medio ambiente.

- Los recursos no renovables no deben usarse en demasiados ámbitos,

sustituyéndolos por recursos renovables en cuanto sea posible.

Por lo tanto, las empresas deben realizar diseños sostenibles a lo largo del

tiempo sin que se comprometa la salud del medio ambiente, pero también

desempeñando la función para la que han sido llevados a cabo, todo ello evaluando el

daño que produce la creación, vida útil y reciclado del mismo. Del ecodiseño se

deprende que un producto se puede mejorar en niveles de impacto ambiental siempre

y cuando su diseño se pueda modificar; es decir, un producto completamente definido

no tiene la opción de ser mejorado mediante la implantación de un proceso de

ecodiseño.

4.2.- Factores motivantes.

Existen múltiples factores motivantes para la realización de un ecodiseño. Se

comenzará determinando los factores motivantes externos:

- El gobierno (regulación y legislación): se trata de adelantarse al

cumplimiento de una legislación susceptible de ser modificada en cualquier

momento, ya que, cada vez más, el medio ambiente es un factor a tener en cuenta.

Implantación de sistemas de etiquetado ecológico o ecoetiquetado ya sea de tipo I

(declara que el producto está certificado por un organismo independiente respetando

unos niveles medioambientales mínimos según la ISO 14024), tipo II (una

autodeclaración por parte del fabricante del producto a partir de la ISO 14021) o tipo


93

III (documento de declaración ambiental en el que la empresa muestra la información

de las prestaciones ambientales del producto gracias a un análisis del ciclo de vida del

producto, ISO 14025).

- El mercado: referido a la demanda de clientes; cada vez más existe una

creciente sensibilización de la opinión pública con temas de medio ambiente. Por una

parte los clientes industriales que declaran exigencias medioambientales a

suministradores, y por otra, los clientes finales que exigen criterios medioambientales

a los productos consumidos.

- Competidores: preguntarse qué está haciendo la competencia en relación a

este tema. Se sabe que el factor de medio ambiente afecta a una venta exitosa;

determinadas empresas deciden trabajar en ecodiseño tras comprobar las ventajas de

sus rivales.

- Sociedad: existen varios sectores interesados en la implantación de sistemas

que disminuyan en impacto ambiental de los productos como son organizaciones

ecologistas o simplemente organizaciones vecinales, aparte de iniciativas a nivel

estatal o europeo. Asimismo con la mejora del producto fabricado se consigue una

mejora de la imagen cara al público de la empresa.

- Organizaciones sectoriales: la pequeña y mediana empresa también ha de

seguir criterios de ecodiseño ya que en ocasiones se exigen criterios ambientales por

parte de asociados. Existe además apoyo al desarrollo de iniciativas innovadoras de

este tipo por parte de organizaciones que lideran proyectos de investigación.

- Suministradores: deben implantar avances tecnológicos que permitan una

mejora de la relación con el medio ambiente, examinando posibles innovaciones de

cara a productos. Asumir criterios de ecodiseño puede asegurar el éxito de proyectos.

A continuación se exponen los factores motivantes internos:

- Mejora de la calidad del producto: gracias a la implantación de un ecodiseño

se permite aumentar la calidad del producto en cuanto a funcionalidad, fiabilidad,

durabilidad y posibilidad de reparación. También supone aumento de la calidad

entendida como la calidad ambiental.

- Imagen mejorada: tanto la imagen del producto como la de la empresa se ven

mejoradas, gracias a un ecodiseño se ayuda a la difusión de forma correcta de logros

ambientales conseguidos en un mercado de “marketing verde”.


94

- Reducción de costes: permite la reducción de costes a largo plazo gracias a

la optimización del consumo, pero también de manera inmediata reduciendo costes

directos.

- Innovación: gracias al desarrollo de nuevos conceptos de producto enfocados

desde puntos de vista diferentes, facilitando de esta forma la innovación. Y la

innovación desemboca en la concepción de sistemas alternativos al propio producto.

- Responsabilidad medioambiental: la responsabilidad recae en cada miembro

de una empresa, pero el interés por el ecodiseño ha de estar implantado desde la

cúspide de la empresa, de manos de la gerencia. Por parte de los empleados señalar

que el ecodiseño mejora la seguridad y salud laboral, aumenta la motivación y

gratifica el saber que se trabaja teniendo en cuenta el medio ambiente.

4.3.- El sistema de ecoindicadores (ecoindicator99).

El ecoindicador es una herramienta de uso sencillo con la que se refleja de

manera cuantitativa el impacto ambiental.

Su aparición corre por cuenta de una agrupación multidisciplinar de industrias

de diferentes sectores, centros de investigación independientes y el gobierno de

Holanda. Proponían como objetivo la evaluación del impacto ambiental debida a las

actividades industriales llevadas a cabo teniendo en cuenta como impactos la lluvia

ácida, la merma de la capa de ozono, el efecto invernadero, la disminución de la

biodiversidad en ecosistemas, la creación y smog y la disminución de recursos

naturales.

Llevado a cabo dicho estudio de evaluación, se obtienen varias tablas que

expresan mediante números el impacto ambiental en función de la cantidad o

volumen de cada material o proceso. Como unidad de medida se utilizan los

milipuntos (mPt) comparable únicamente consigo misma, pues es una medida propia

del sistema de ecoindicadores. El significado de estos milipuntos equivale a que un

punto (1Pt) representa una centésima parte de la carga ambiental de un ciudadano

medio en Europa.

El ecoindicador que presenta un determinado proceso o material se extrae del

análisis de su ciclo de vida. Un resultado mayor o menor indica un mayor o menor


95

impacto ambiental. Los ecoindicadores vienen clasificados teniendo en cuenta

diferentes criterios (materiales, producción, transporte,…) y su cuantía se expone en

las tablas mostradas a continuación:

- Tabla de materiales: ecoindicador referido al kg de material, teniendo en

cuenta su extracción, procesado y transporte (mPt x kg).

Material Indicador Descripción

Hierro Fundido 240 Hierro Fundido con >2% de Carbón

Acero de

Convertidores 94

Bloques de material que sólo contienen acero

primario

Acero de Arco

Eléctrico 24

Bloques de material que sólo contienen chatarra

(acero secundario)

Acero 86 Bloques de material que sólo contienen 80%

de hierro primario y 20% de restos

Acero de Alta

Aleación 910

Bloques de material que sólo contienen 71%

de acero primario, 16% Cr, 13% Ni

Acero de Baja

Aleación 110

Bloques de material que sólo contienen 93%

de acero primario, 5% de restos y 1% de

materiales de aleación

Aluminio 100%

Reciclado 60

Bloques de material que sólo contienen materiales

secundarios

Aluminio 0%

Reciclado 780

Bloques de material que sólo contienen materiales

primarios

Cromo 970 Bloques de material que sólo contienen

materiales primarios

Cobre 1400 Bloques de material que sólo contienen


Plomo 640 Bloques de material que contienen 50%

de plomo secundario

Níquel Enriquecido 5200 Bloques de material que sólo contienen


Paladio Enriquecido 4600000 Bloques de material que sólo contienen


Platino 7000000 Bloques de material que sólo contienen


Rodio Enriquecido 12000000 Bloques de material que sólo contienen



96

Zinc 3200 Bloques de material que sólo contienen materiales

primarios (baño de calidad)

Tabla 7. Ecoindicadores de materiales.

- Tabla de procesos productivos: se refiere al procesado de los distintos

materiales y sus tratamientos. Se incluye en proceso en sí y la energía necesaria para

llevarlo a cabo (mPt).

Proceso Indicador Descripción

Curvado-Aluminio 0,000047 Una hoja de 1 mm de espesor y 1 m de ancho,

curvada a 90º

Curvado-Acero 0,00008 Una hoja de 1 mm de espesor y 1 m de ancho,

curvada a 90º

Curvado-RVS 0,00011 Una hoja de 1 mm de espesor y 1 m de ancho,

curvada a 90º

Soldadura Fuerte

(Plata, Cobre o Latón) 4000

Por kg de cobresoldadura, incluyendo

material de cobresoldado (45% de plata, 27%

de cobre, 25% de latón)

Laminado en Frío de

Rollos 18 Reducción de 1 mm en cada bandeja de 1 m2

Cromado Electrolítico 1100 Por m2, de 1 mm de espesor, doble cara, datos

poco fiables

Galvanizado

Electrolítico 130

Por m2, de 2,5 mm de espesor, doble cara,

datos poco fiables

Extrusión-Aluminio 72 Por kg

Fresado, Torneado,

Perforación 800

Por dm3 de material eliminado sin producción

de material de desecho

Prensado 23 Por kg de material deformado sin incluir las

partes no deformadas

Solado por Puntos -

Aluminio 2,7

Por soldadura de 7 mm de diámetro, ancho de

la lámina: 2 mm

Corte/Estampación -

Aluminio 0,000036 Por mm2 de superficie de corte


Acero 0,00006 Por mm2 de superficie de corte


RVS 0,000086 Por mm2 de superficie de corte


97

Laminado 30 Por kg producido de láminas fuera del material

del bloque

Zincado de Bandas 4300 (Baño de zinc sedzimir) por m2, de

20-45 mm de espesor, incluyendo el zinc

Galvanizado en

Caliente 3300 Por m2, espesor de 100 mm incluyendo zinc

Baño de Zinc

(conversión um) 49 Por m2, espesor extra mm, incluyendo zinc

ABS 400

HDPE 330

LDPE 360

PA 6,6 630

PC 510

PET 380

PET Botellas 390 Para botellas

PP 330

PS (GPPS) 370 Uso general

PS (HIPS) 360 Gran impacto

PS (EPS) 360 Expandible

PUR

Absorción de

Energía

490

PUR Bloques de

Espuma

Flexible

480 Para muebles, camas, ropa

PUR Espuma

Dura 420

Para elaborar electrodomésticos, aislamientos,

materiales de construcción

PUR Espuma

Semirrígida 480

PVC Gran

Impacto 280

Sin estabilizador de metales (Pb o Ba) ni

plastificantes (veáse químicos)

PVC Rígido 270 PVC rígido con 10% de plastificantes

(estimación aproximada)

PVC Flexible 240 PVC flexible con 50% de plastificantes

(estimación aproximada)

PVDC 440 Para capas finas

Extrusión con

Soplado de Aire de

PE

2,1 Por kg de PE granulado, peros sin

producción de PE. Láminas para fabricar bolsas


98

Calandrado de

Láminas de PVC 3,7

Por kg de PVC granulado, pero sin producción

de PVC

Moldeado por

Inyección - 1 21

Por kg de PE, PP, PS y ABS pero sin

producción de material

Moldeado por

Inyección - 2 44

Por kg de PVC y PC, pero sin producción de

material

Granceado, Taladrado 6,4 Por dm3 de material procesado, pero sin

producción de material de desecho

Moldeado por

Presión 6,4 Por kg

Moldeado de PUR

por Inyección 12

Por kg, sin producción de PUR ni otros

posibles componentes

Soldadura

Ultrasónica 0,098 Por metro soldado

Moldeo o

Conformado en

Vacío

9,1 Por kg de material, pero sin producción del

mismo

Gomas EPDM 360

Vulcanizado con 44% de carbono, incluyendo

el

moldeado

Cartón de

Embalaje 69

Omisión de la absorción de CO2 en la fase de

dilatación

Papel 96

Contiene 65% de papel de deshecho,

omisión de la absorción de CO2 en la fase de

dilatación

Vidrio (Marrón) 50 Vidrio para envases que contiene un 61%

de vidrio reciclado

Vidrio (Verde) 51 Vidrio para envases que contiene un 99%

de vidrio reciclado

Vidrio (Blanco) 58 Vidrio para envases que contiene un 55%

de vidrio reciclado

Amoniaco 160 NH3

Argón 7,8

Gas inerte empleado en bombillas, soldadura

de metales reactivos como el

aluminio

Betonita 13 Para la arena de los gatos, porcelana, etc.

Negro de Humo

(Carbón Negro) 180 Empleado como colorante y relleno

Productos

Químicos

Inorgánicos

53 Valor medio de producción de químicos

inorgánicos


99

Productos

Químicos

Orgánicos

99 Valor medio de producción de químicos

orgánicos

Cloro 38 Cl2 producido mediante procesos de diagrama

(tecnología punta)

Dimetil p-

pathalate 190 Como plastificante para suavizar el PVC

Etinglicol /

Óxido de Etileno 330 Como disolvente artificial y limpiador

Fueloil 180 Sólo para producción. Sin combustión.

Gasolina Sin

Plomo 210 Sólo para producción. Sin combustión.

Diesel (Gasóleo) 180 Sólo para producción. Sin combustión.

H2 830 Gas hidrógeno. Empleado en procesos de

reducción

H2SO4 22 Ácido sulfúrico. Empleado para la

limpieza y mordentado

HCl 39 Ácido hidroclorhídrico. Empleado para

procesar metales y en limpieza

HF 140 Ácido fluorhídrico

N2 12 Nitrógeno. Empleado como atmósfera

inerte

NaCl 6,6 Cloruro de sodio

NaOH 38 Sosa cáustica

Ácido Nítrico 55 HNO3. Empleado para evitar la oxidación de

los metales (mordentado)

O2 12 Oxígeno

Ácido Fosfórico 99 H3PO4. Empleado en preparados y fertilizantes

Polipropilen

Glicol 200 Utilizado como anticongelante y disolventes

R134a 150 Sólo producción de R134. La emisión de

1 kg de R134 genera 7300 mPt

R22 240 Sólo producción de R22. La emisión de 1 kg de

R22 genera 8400 mPt

Silicato (Vidrio

Soluble) 60

Empleado en la fabricación de gel de

sílice (silica gel), detergentes y en la limpieza

de metales

Sosa 45 Na2CO3. Empleado en detergentes

Urea 130 En fertilizantes


100

Agua

Descarbonizada 0,0026

Sólo procesado. No se contemplan los

efectos en aguas subterráneas si los hubiera

Agua

Desmineralizada 0,026

Sólo procesado. No se contemplan los efectos

en aguas subterráneas si los

hubiera

Zeolita 160 Utilizada en procesos de absorción y en

detergentes

Barniz Alquídico 520 Producción y emisiones durante el

barnizado, conteniendo 55% de disolventes

Cemento 20 Cemento portland

Material Cerámico 28 Ladrillos, etc.

Hormigón sin

Refuerzo 3,8 Hormigón con densidad de 2200 kg/m3

Vidrio Templado

Revestido 51

Para ventanas. Cubierta de estaño, plata y

níquel (77 g/m2)

Vidrio Templado No

Revestido 49 Para ventanas

Yeso 9,9 Selanita. Empleada como relleno

Gravilla 0,84 Extracción y transporte

Cal (quemada) 28

CaO. Empleado para producir cementos.

También se puede utilizar como base

consistente.

Cal (hidratada) 21 Ca(OH)2 Empleado para fabricar mortero

Lana Mineral 61 Para aislamientos

Construcción Sólida 1500 Estimación para un edificio (cemento)

por m3 de volumen (bienes de equipo)

Construcción en

Metal 4300

Estimación para un edificio (cemento)

por m3 de volumen (bienes de equipo)

Arena 0,82 Extracción y transporte

Tableros de Madera 39 Madera europea (criterios FSC). Omisión de la

absorción de CO2 en la fase de crecimiento

Madera Maciza 6,6

Madera europea (criterios FSC). Omisión

de la absorción de CO2 en la fase de

crecimiento

Uso del Suelo 45 Ocupación como suelo urbano por m2 al

año

Tabla 8. Ecoindicadores de procesos productivos


101

-Tabla de energías: se refiere a los procesos de extracción de energía,

generación de combustibles, conversión energética y electricidad en general (mPt x

kWh)

Material Indicador Descripción

Briqueta de Carbón

(Estufas) 4,6

Combustión de carbón en un horno de

5-15 kW

Carbón para Hornos

Industriales 4,2

Combustión de carbón en un horno

industrial (1-10 MW)

Aglomerado de

Lignito 3,2

Combustion de lignito en un horno de 5-

15 kW

Gas (Calderas) 5,4 Combustión de gas en una caldera

atmosférica (<100 kW) con NOx bajo

Gas para Hornos

Industriales 5,3

Combustión de gas en una caldera

atmosférica (>100 kW) con NOx bajo

Petróleo (Calderas) 5,6 Combustión de petróleo en una caldera

10 kW

Petróleo para

Hornos

Industriales

11 Combustión de petróleo en un horno industrial

Madera para

Combustión 1,6

Combustión de madera. Omisión de la absorción y

emisión de CO2

Placa solar de

fachada m-Si 9,7

Pequeña instalación (3 kWp) con células

monocristalinas, empleada en fachadas de

edificios

Placa solar de

fachada p-Si 14

Pequeña instalación (3 kWp) con células

policristalinas, empleada en fachadas de edificios

Techo solar m-Si 7,2 Pequeña instalación (3 kWp) con células

monocristalinas, empleada en techos de edificios

Techo solar p- Si 10 Pequeña instalación (3 kWp) con células

policristalinas, empleada en techos de edificios

Electricidad AV

Europa (UCPTE) 22 Alto boltaje (>34 kV)

Electricidad MV

Europa (UCPTE) 22 Voltaje medio (1 kV - 24 kV)

Electricidad BV

Europa (UCPTE) 26 Bajo voltaje (<1000 V)


102

Electricidad BV

Austria 18 Bajo voltaje (<1000 V)

Electricidad BV

Bélgica 22 Bajo voltaje (<1000 V)

Electricidad BV

Suiza 8,4 Bajo voltaje (<1000 V)

Electricidad BV

Gran Bretaña 33 Bajo voltaje (<1000 V)

Electricidad BV

Francia 8,9 Bajo voltaje (<1000 V)

Electricidad BV

Grecia 61 Bajo voltaje (<1000 V)

Electricidad BV

Italia 47 Bajo voltaje (<1000 V)

Electricidad BV

Países Bajos 37 Bajo voltaje (<1000 V)

Electricidad BV

Portugal 46 Bajo voltaje (<1000 V)

Tabla 9. Ecoindicadores de energías

- Tabla de procesos de transporte: se tienen en cuenta emisiones por

extracción, producción y consumo de combustible (mPt x tkm).

Transporte Indicador Descripción

Camión de

Reparto

<3,5 t

140

Transporte por carretera con 30% de carga, 33%

de gasolina sin plomo, 38% de gasolina con

plomo, 29% de diesel (38% sin catalizador). Media

europea incluyendo viaje de vuelta

Camión 16 t 34 Transporte por carretera con 40% de carga. Media




Camión 28 t

(Volumen) 8

Trasporte por carretera por m3km. Se emplea

cuando el factor determinante es el volumen y no la

carga



Utilitario W-

Europa 29 Transporte por carretera por km

Transporte por

Ferrocarril 3,9

Transporte por tren, 20% diesel y 80% mediante

trenes eléctricos


103

Buque Cisterna

Fluvial 5

Transporte marítimo con 65% de carga. Media

europea incluyendo el viaje de vuelta

Buque Cisterna

Oceánico 0,8



Buque Carguero

Fluvial 5,1



Buque Carguero

Oceánico 1,1



Transporte Aéreo

Medio 78

Transporte aéreo con 78% de carga. Media de todos

los vuelos

Transporte Aéreo

Continental 120

Transporte aéreo en un Boeing 737 con carga del

62%. Media de todos los vuelos

Transporte Aéreo

Intercontinental 80

Transporte aéreo en un Boeing 747 con carga del

78%. Media de todos los vuelos

Transporte Aéreo

Intercontinental 72

Transporte aéreo en un Boeing 767 o MD con carga

del 71%. Media de todos los vuelos

Tabla 10. Ecoindicadores de transporte

- Tabla de procesos de eliminación/reciclaje de materiales (mPt x kg).

Material Indicador

Descripción (Valores de

Reciclaje de Mat.

Primarios)

Total Proceso

Prod.

Elim.

Reciclado de

PE -240 86 -330

Si no se mezcla con otros

plásticos

Reciclado de

PP -210 86 -300

Si no se mezcla con otros

plásticos

Reciclado de

PS -240 86 -330 Si no se mezcla con otros plásticos

Reciclado de

PVC -170 86 -250 Si no se mezcla con otros plásticos

Reciclado de

Papel -1,2 32 -33 El reciclado evita producir papel virgen

Reciclado de

Cartón -8,3 41 -50 El reciclado evita producir cartón virgen

Reciclado de

Vidrio -15 51 -66 El reciclado evita producir vidrio virgen

Reciclado de

Aluminio -720 60 -780 El reciclado evita producir aluminio virgen


104

Reciclado de

Metales de

Hierro

-70 24 -94 El reciclado evita producir acero virgen

Incineración de

PE -19

Este indicador puede utilizarse para HDPE

y LDPE

Incineración de

PP -13

Incineración de

PUR 2,8

Este indicador puede utilizarse para todos

los tipos de PUR

Incineración de

PET -6,3

Incineración de

PS -5,3

Producción de energía relatibamente baja,

también puede usarse para ABS, HIPS,

GPPS, EPS

Incineración de

Nylon 1,1 Liberación de energía relativamente baja

Incineración de

PVC 37 Liberación de energía relativamente baja

Incineración de

PVDC 66 Liberación de energía relativamente baja

Incineración de

Papel -12

Gran liberación de Energía. Emisiones de

CO2 no contempladas

Incineración de

Cartón -12

Gran liberación de Energía. Emisiones de

CO2 no contempladas

Incineración de

Acero -32

40% de separación magnética para

reciclado, eliminado el hierro crudo (media

europea)

Incineración de

Aluminio -110

15% de separacion magnética para

reciclado, eliminado aluminio primario

Incineración de

Vidrio 5,1

Se trata de un material casi inerte. El

indicador se puede aplicar a otros

materiales inertes

Vertederos de

PE 3,9


105

Vertederos de

PP 3,5

Vertederos de

PET 3,1

Vertederos de

PS 4,1

Este indicador también puede aplicarse a

los vertederos de ABS

Vertederos de

Espuma EPS 7,4 Espuma de PS, 40 kg/m3

Vertederos de

Espuma 20

kg/m3

9,7 Vertederos de espuma tipo PUR con 20

kg/m3

Vertederos de

Espuma 100

kg/m3

4,3 Vertederos de espuma tipo PUR con 100

kg/m3

Vertederos de

Nylon 3,6

Vertederos de

PVC 2,8

Se excluye el filtrado de estabilizadores del

metal

Vertederos de

PVDC 2,2

Vertederos de

Papel 4,3

No se consideran las emisiones de CO2 y

metano

Vertederos de

Cartón 4,2

No se consideran las emisiones de CO2 y

metano

Vertederos de

Vidrio 1,4



materiales

inertes

Vertederos de

Acero 1,4



materiales inertes

Vertederos de

Aluminio 1,4



materiales

inertes

Vertederos de 1

m3

de Volumen

140

Volumen del vertedero por m3, empleo de

restos voluminosos, como espuma y

derivados


106

Residuos

Urbanos de

PE

-1,1

Residuos

Urbanos de

PP

0,13

Residuos

Urbanos de

PET

1

Residuos

Urbanos de

PS

2 No aplicable a espumas

Residuos

Urbanos de

PA 6,6

3,1

Residuos

Urbanos de

PVC

10

Residuos

Urbanos de

PVDC

16

Residuos

Urbanos de

Papel

0,71

Residuos

Urbanos de

Cartón

0,64

Residuos

Urbanos de

Acero ECCS

-5,9 Sólo válido para acero primario

Residuos

Urbanos de

Aluminio

-23 Sólo válido para aluminio primario

Residuos

Urbanos de

Vidrio

2,2

Basuras domésticas

Papel 0,13 44% de separación

Cartón -3,3 44% de separación

Vidrio -6,9 52% de separacion

Tabla 11. Ecoindicadores de desecho y reciclaje


107

Para la evaluación del impacto de un producto se ha diseñado una plantilla en

la que se introduce la información de las fases de producción, vida útil y desecho del

producto.

En la fase de producción se tendrá en cuenta la producción de las materias

primas, el procesado de las mismas y su transporte. En la fase de la vida útil se tendrá

en cuenta la energía necesaria para el funcionamiento del producto así como el

transporte hasta el cliente. En la fase de desecho del producto se introducirán los

materiales que puedan ser reciclados o su consiguiente eliminación por incineración o

envío a un vertedero. Todos los milipuntos de cada fase se sumarán para obtener el

ecoindicador total del producto analizado. Este es el valor que se debe comparar para

la elección de un diseño u otro en el ámbito del ecodiseño. Se deberán priorizar las

implementaciones en procesos que produzcan un alto grado de milipuntos frente a los

que no aportan gran cuantía al valor final.

A la vista de la gran cantidad de procesos y materiales diferentes existentes

hoy en día es posible encontrarse con un proceso no especificado en las tablas, ya

que, al ser un método más bien novedoso, todavía no está definido al 100%. A la hora

de evaluar un proceso, si no se dispone de dicho proceso tabulado, se deberá escoger

el que más se le asemeje. También se debe tener en cuenta que, según la norma ISO

14042, los indicadores de valor como son dichos ecoindicadores no deben usarse para

la clasificación de productos de cara al público, pudiéndose usar en la intimidad de la

empresa únicamente.

A continuación se muestra la tabla resumen propuesta para ordenar y poder

cuantificar el impacto ambiental de un producto:

Producto Proyecto

Fecha Autor

Notas y conclusiones


108

Producción (Materiales, procesos y transporte)

Material o Proceso Cantidad Indicador Resultado

Total

Uso (Transporte, energía y materiales auxiliares)


Total

Desecho (Para cada tipo de material)


Total

TOTAL (todas)

Tabla 12. Tabla tipo ecoindicadores.


109

4.4.- Ecodiseño del radiador de panal.

Se llevará a cabo un análisis que permita clasificar cuantitativamente los

radiadores según el daño que infrinjan al medio ambiente mediante el uso de

ecoindicadores.

Primeramente se analizará el radiador de panal de abeja formado mediante

tubos individuales haciendo referencia a los pasos seguidos para su fabricación:

1. Obtención de los tubos de Aluminio a la medida requerida: cada barra tiene un

volumen de 590,27 mm3 y como densidad de Al ρAl = 2712 kg/m

3. Un total de

4511 tubos.

2. Deformación de los tubos en sus extremos.

3. Corte de chapa de Al para formar la carcasa a medida.

4. Doblado de chapa de la carcasa.

5. Soldado de todos los componentes: tras el montaje la cantidad de aluminio

usada es de 8,034 kg.

Todo ello se muestra en el siguiente cuadro resumen de ecoindicadores,

incluyendo el proceso de transporte de los tubos y planchas de aluminio a una

distancia de 100 km y su embalado en cartón.



Aluminio 8,034 kg 780 6477,12

Corte de tubos 7,15 kg 72 514,8

Deformado de tubos 3,31 kg 23 76,13

Laminado cubierta 0,886 kg 30 26,58

Producto: Radiador tipo

panal de abeja. Proyecto: Estudio técnico de técnicas de fabricación

rápida aditiva bajo criterios de ecodiseño

Fecha: Autor: Manuel Porras Rodríguez

Notas y conclusiones: fabricación a partir de tubos


110

Corte cubierta 14355 mm2 0,000036 0,51678

Doblado cubierta 4 m 0,000047 0,000188

Soldado entre tubos (baño soldadura)

2000

Soldado cubierta 506 2,7 1366,2

Total 10461,34



Argón (para soldado) 2 kg 7,8 15,6

Camión de reparto<3,5t 100km 0,8034 tkm 140 112,476

Cartón embalaje 8,034 kg 69 554,346

Total 682,42



Reciclado Al 8,034 kg -720 -5784,48

Total -5784,48

Total 5359,28

Tabla 13. Ecoindicador radiador a partir de tubos.

Los procesos tenidos en cuenta para la fabricación a partir de tubos son los

siguientes:

1. Obtención de las planchas de Aluminio a la medida requerida: se han

necesitado 135 planchas en total, trabajando con Al 1350.

2. Deformación de las planchas en la prensa.

3. Corte de las planchas a la medida correspondiente a la longitud del radiador.


111

4. Corte de las chapas que formarán la carcasa.

5. Doblado de laterales de las chapas de la carcasa.

6. Soldado por inmersión del conjunto de planchas.

7. Soldado para la unión del conjunto de planchas a la carcasa y unión de ésta.

Para la fabricación del radiador de panal de abeja a partir de planchas de

aluminio se tendrán en cuenta los siguientes ecoindicadores, también se ha tenido en

cuenta un supuesto transporte de los materiales a una distancia de 100 km,

suponiendo también un embalado en cartón de los materiales.



Aluminio 6,16 kg 780 4804,8

Laminado planchas 4,92 kg 30 147,6

Prensado planchas 4,43 kg 23 101,89

Laminado cubierta 1,24 kg 30 37,2

Corte cubierta 30306,4 mm2 0,000036 1,09

Doblado cubierta 4 m 0,000047 0,000188

Soldado entre tubos (baño soldadura)

2000

Soldado cubierta 680 2,7 1836

Total 8928,58


panal de abeja. Proyecto: Estudio técnico de técnicas de fabricación



Notas y conclusiones: fabricación a partir de plancha


112



Argón (para soldado) 2 kg 7,8 15,6

Camión de reparto<3,5t 100km 0,616 tkm 140 86,24

Cartón embalaje 6,16 kg 69 425,04

Total 526,88



Reciclado Al 6,16 kg -720 -4435,2

Total -4435,2

Total 5020,26

Tabla 14. Ecoindicadores radiador a partir de plancha

Y por último, para la fabricación del radiador de panal de abeja a partir de

métodos aditivos únicamente se tendrá en cuenta el proceso de obtención del

aluminio ya que no existen procesos de fabricación intermedios. De igual forma que

en los anteriores casos se ha tenido en cuenta el proceso de transporte del material

desde un supuesto lugar de suministro a 100 km.


panal de abeja.

Proyecto: Estudio técnico de técnicas de fabricación



Notas y conclusiones: fabricación aditiva, aunque la aleación de trabajo sea

AlSi10Mg, se tratará como Al 5050 ya que su densidad se asemeja, 2680 kg/m3.


113



Aluminio 9,11 kg 780 7105,8

Total 7105,8



Camión de reparto<3,5t 100km 0,911 140 127,54

Cartón embalaje 9,11 69 628,59

Alimentación láser (<1000V) 26 26

Total 782,13



Reciclado Al 9,11 kg -720 -6559,2

Total -6559,2

Total 1328,73

Tabla 15. Ecoindicadores radiador AM

Como se puede observar el ecoindicador presente en la fabricación aditiva es

bastante menor que en el resto de métodos de fabricación; alrededor de unos 4000

milipuntos menos, prácticamente un 75% menos de impacto sobre el medio ambiente.

Este es un aspecto muy a tener en cuenta de cara al futuro viendo la gran destrucción

que produce el ser humano y el gran derroche de materias primas; aunque, como se

verá en la evaluación del presupuesto, la fabricación aditiva tiene un precio

muchísimo más elevado que el resto.


114

5.- BIBLIOGRAFÍA.

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ANÁLISIS TÉCNICO-ECONÓMICO DE TÉCNICAS DE … · 2012-11-15 · Análisis técnico-económico de técnicas de fabricación aditiva para aplicación en diferentes sectores industriales