Punto de pivote: impresión 3D versus moldeo por inyección

Jul 17, 2023

Sara Goehrke | 03 de noviembre de 2022

La impresión 3D apareció por primera vez en los titulares como una tecnología mitad Star Trek, mitad hombre común y corriente que llevó la ciencia ficción a la mesa de la cocina. Los informes de los medios de comunicación posicionaron la tecnología como un proceso en el que “cualquiera puede hacer cualquier cosa”. Como era de esperar, no existe tal proceso con la precisión de pulsar un botón. Las percepciones dominantes se atenuaron, descartando la tecnología.

Sin embargo, la impresión 3D actual es indiscutiblemente un conjunto industrial, con una eficiencia de nivel de producción alcanzable. Junto con los procesos, han madurado las formas en que nos referimos a la tecnología. La “impresión 3D” o la “creación rápida de prototipos” original ya no son la frase que se utiliza en la mayoría de los laboratorios profesionales; ahora, “fabricación aditiva” o, más informalmente, FA, es la terminología de referencia, que coloca estos procesos capa por capa directamente en el ámbito de la fabricación.

Lo que hace aproximadamente una década eran promesas exageradas ahora son resultados: la producción, la escala, la calidad, la validación y el volumen son ahora realidades de uso final.

En algunos casos.

Como ocurre con cualquier herramienta en una caja de herramientas, los matices son vitales para la aplicación adecuada de la solución al desafío. Cuando lo único que tienes es un martillo, al fin y al cabo, todo parece un clavo. La caja de herramientas actual es sustancialmente más sólida, lo que nos deja con opciones y los medios para tomar decisiones informadas: ¿Cuándo necesito un martillo? ¿Cuándo necesito algo más?

Más concretamente: ¿cuándo necesito moldeo por inyección y cuándo necesito impresión 3D?

Probado y verdadero, el moldeo por inyección (IM) se ha mantenido firme durante décadas. Patentado a finales del siglo XIX, el IM tuvo un auge décadas más tarde, cuando la Segunda Guerra Mundial exigió una producción de alto volumen y bajo costo. Difícilmente se puede decir que se haya desacelerado desde entonces. Casi omnipresente en los entornos de fabricación modernos, la mensajería instantánea quizás se describa mejor como el diablo que conoces; tiene sus problemas y limitaciones, pero es familiar y generalmente confiable. Sin embargo, ¿podría la mensajería instantánea ser desplazada por la recién llegada AM?

Escala, velocidad, uniformidad: el moldeo por inyección cumple los requisitos adecuados para una producción de gran volumen. Capaz de manejar de manera confiable una gran variedad de materiales, el moldeo por inyección ofrece previsibilidad y calidad.

Además, cuanto más se utiliza el proceso, más piezas se producen y más rentable resulta la solución.

Si bien una configuración de mensajería instantánea puede ser una gran inversión inicial, el retorno de la inversión es enorme a medida que su uso aumenta. De hecho, una investigación revisada por pares indica que "el moldeo por inyección es la mejor manera de producir en masa componentes poliméricos pequeños y precisos con formas complejas".

El moldeo por inyección es un proceso de fabricación bien comprendido y de referencia, pero, naturalmente, no está exento de limitaciones. La curva de aprendizaje y el gasto de configurar una instalación de mensajería instantánea son importantes, al igual que el tiempo necesario para producir un nuevo diseño.

Por muy conocido que sea, el diseño del proceso de fabricación de IM es largo y, a menudo, no lineal. Como tecnología basada en moldeo, IM se basa en moldes removibles, lo que sofoca la capacidad de diseñar para un bajo número de piezas y geometrías internas complejas. Además, la creación de esos moldes puede agregar semanas o meses al cronograma de producción.

En general, IM puede producir de manera confiable piezas con calidad conocida y en grandes cantidades, pero lleva un tiempo. Cuando se requieren tiradas de productos de uso final de menor volumen, el moldeo por inyección puede agregar tiempo y costos de moldeo que contrarrestan el retorno de la inversión deseable.

Con la llegada al mercado de nuevas soluciones que demuestran sus afirmaciones, el moldeo por inyección está a punto de perder parte de su dominio en la producción.

El nuevo chico en el bloque de producción, la impresión 3D, puede ser un encuentro emocionante: nuevas formas, formas complejas, producción de alto valor y bajo volumen, todo construido capa por capa con estándares cada vez más exigentes. Ideada desde el siglo XIX, con patentes modernas que se remontan a la década de 1980, la impresión 3D replantea la fabricación desde la primera capa. Una mayor supervisión, estándares y validación están haciendo que la tecnología se traslade más al mundo de la producción y, finalmente, comience a cumplir lo que habían sido promesas iniciales exageradas.

Con capacidades en polímeros, metales, pastas e incluso biomateriales, hay pocas áreas de materiales que la impresión 3D no haya comenzado a explorar. Naturalmente, existe un gran abismo entre la exploración en el laboratorio y la aplicación en el mundo real, y ese es un abismo que la impresión 3D ha comenzado a salvar de manera ordenada.

La producción en masa con impresión 3D está avanzando en áreas donde comercialmente tiene sentido, siendo los audífonos el área más importante de adopción temprana y generalizada. Los consumidores caminan con zapatos con entresuela impresa en 3D, comprados en tiendas minoristas o con plantillas personalizadas hechas para adaptarse a sus pies a través de una aplicación de teléfono inteligente. Los productos médicos, como prótesis y aparatos ortopédicos, también se pueden fabricar específicamente para el usuario. Producida junto con técnicas tradicionales, la impresión 3D complementa un proceso general para crear productos de uso final de próxima generación.

Los beneficios de la fabricación aditiva para la producción son muchos. Se pueden incorporar estructuras internas complejas directamente en una sola pieza terminada, ya que el producto completo se produce al mismo tiempo, lo que reduce el número de piezas y los puntos débiles de conexión. El aligeramiento, como por ejemplo con estructuras reticulares o simplemente reduciendo el número de piezas, es deseable en industrias que se preocupan por el peso, como la aeroespacial y la automotriz, donde cada gramo importa. Un tiempo de comercialización más rápido también es una consideración primordial, ya que las impresoras 3D pueden localizar la producción. Es importante destacar que la impresión 3D también evita la necesidad de herramientas, eliminando una etapa que requiere mucho tiempo en muchos procesos de fabricación. Cada vez salen al mercado más materiales validados, trayendo materiales familiares a un nuevo establo.

Además, la producción de puentes muestra cada vez más su valor a medida que la impresión 3D comienza lo que el moldeo por inyección puede terminar a escala. Especialmente crucial durante los primeros días de la pandemia de COVID-19, cuando el equipo de protección personal (EPP) y las piezas necesarias para los ventiladores escaseaban y la demanda actual era alta, la impresión 3D se intensificó para equipar a los profesionales médicos y a los pacientes con lo que necesitaban. necesario mientras IM aumentaba para satisfacer una demanda más amplia. Algunos siguen en uso, ya que la impresión 3D puede haber mejorado la eficacia de los dispositivos de prueba.

La fabricación aditiva sigue siendo una tecnología incipiente, a pesar de su reciente crecimiento y maduración. Adoptar la tecnología por primera vez requiere una curva de aprendizaje importante, ya que los diseñadores de productos bien versados ​​en DFM tienen un nuevo conjunto de habilidades que adquirir en DfAM: diseño para fabricación aditiva. Los sectores reacios al riesgo donde la validación es fundamental y las nuevas instalaciones son costosas en términos de capacitación e inversión dudan en adoptar antes de comprender un retorno de la inversión completo. A menudo, la adopción depende de un único líder interno, y los departamentos que utilizan AM tienden a funcionar como una especie de startup dentro de una empresa establecida.

Para todos los nuevos materiales que llegan a la fabricación aditiva (con gigantes como Arkema, BASF, Evonik, Henkel, Sabic y muchos más sumergiéndose en las aguas de la impresión 3D), la cartera general es exponencialmente más pequeña en comparación con lo que está disponible para la fabricación tradicional.

Las normas, si bien cobran cada vez más importancia, también están rezagadas. Muchos posibles adoptantes ni siquiera pueden considerar la impresión 3D, ya que la defensa y otras organizaciones bajo mandato gubernamental tienen un alcance limitado de los procesos sobre la mesa. Hasta que se reconozcan más estándares y llegue más apoyo de todos los niveles (como con la iniciativa AM Forward 2022 del presidente Biden que amplía su alcance a nivel nacional, local e internacional), la adopción seguirá siendo menor de lo teóricamente posible.

En muchos sentidos, la AM sigue siendo una cantidad desconocida. Menos materiales, menor adopción, menos capacitación y velocidades absolutas por pieza más lentas se combinan en una fórmula difícil de adopción. La percepción de que algunos "grandes jugadores" mantienen su inversión en AM y la utilizan en secreto como una "salsa secreta" secreta competitiva también frena la capacidad de muchos proveedores de AM de promocionar sus mayores historias de éxito.

La mayor ventaja de la fabricación aditiva es quizás también su mayor desventaja: el punto óptimo está en la producción de bajo volumen y alto valor. Esto se ve contrarrestado por el punto óptimo del moldeo por inyección, que es todo lo contrario.

Entonces, ¿cuándo tendría sentido pasar de la mensajería instantánea a la mañana y cuándo no?

Una lista de verificación rápida de cuándo tiene sentido girar la producción hacia la fabricación aditiva incluiría piezas que se incluyen en algunas de estas categorías:

Lo más importante a tener en cuenta al adoptar AM es simple: sólo porque puedas no siempre significa que debas hacerlo. Tiene más sentido seguir con el moldeo por inyección para:

El caso de uso más sólido para cualquier proceso de fabricación es, en esencia, sencillo. Utilice lo que tenga sentido. No existe una solución única para afrontar todos los desafíos. Cada pieza, cada producto de uso final, tiene especificaciones únicas y, en un mundo ideal, debería abordarse individualmente. Tómese el tiempo para comprender las necesidades exactas, explorar las soluciones disponibles y limitarse a lo que tiene más sentido para su aplicación en términos de gasto, tiempo, experiencia y producto final.

Establecer y comprender el punto de equilibrio de costo versus cantidad a menudo informará la decisión sobre cuándo adoptar qué proceso de fabricación. Las consideraciones obviamente difieren de los tamaños de lote de 2 a 25 a 250 a 250.000.

Como destacan algunas de las aplicaciones más importantes de la actualidad, como la entresuela impresa en 3D de adidas, la mejor solución definitiva es utilizar las tecnologías que tienen sentido donde tienen sentido. A menudo, se trata de una solución complementaria, más que de una u otra. Los moldes de inyección impresos en 3D, por ejemplo, ofrecen una combinación interesante de características deseables para una solución de ajuste general.

Sobre el Autor

Sarah Goehrke es la fundadora de la empresa de servicios por contrato específicos de AM Additive Integrity; es miembro de la junta directiva y directora de DEI en Women in 3D Printing; y forma parte de la Junta de Asesores de la Additive Manufacturing Coalition. Se centra en la industria de la fabricación aditiva en avances en diversidad, sostenibilidad y posicionamiento del ecosistema con un mayor enfoque en la mensajería. Goehrke ha sido líder en la industria de la impresión 3D desde 2014, y anteriormente se desempeñó como editor en jefe de Fabbaloo; Editor en jefe de 3DPrint.com; y Director Senior de Comunicaciones Estratégicas y Ecosistemas del líder en impresión 3D ultrarrápida Nexa3D. A través de Additive Integrity, ha trabajado con más de dos docenas de empresas de la industria, ha contribuido a publicaciones como Forbes.com y ha sido ponente principal en tres continentes. Le apasiona profunda y activamente promover la diversidad, la equidad y la inclusión en la industria de la impresión 3D. Goehrke tiene una licenciatura en inglés y teatro de Muskingum College, así como un certificado en Diversidad e Inclusión para Recursos Humanos de la Universidad de Cornell.

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