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Fabricación aditiva inteligente: una nueva forma de entender la industria

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El sector de la industria manufacturera lleva tiempo dando pasos hacia la fabricación aditiva, que permite crear objetos de calidad con casi cualquier forma, reduciendo el número de procesos y si necesidad de una cadena de producción específica. Ahora, algunas empresas están dando un paso más allá, aplicando la inteligencia artificial para monitorizar y gobernar el proceso de forma dinámica, garantizando la perfección del producto final. Esto revolucionará los nuevos modelos de fabricación, acercándonos a las ideas más atractivas de la ciencia ficción.

El concepto de fabricación aditiva consiste en crear un objeto añadiendo el material que lo compone, capa a capa, en vez de emplear las técnicas de fundición, moldeado, corte y demás procesos propios de las diferentes modalidades de la fabricación tradicional. La tecnología que ilustra más fácilmente esta idea es la impresión tridimensional, pero la fabricación aditiva va mucho más allá de las típicas impresoras 3D de escritorio que se han popularizado en el entorno de consumo. No se trata de crear objetos en los que solo importa la forma y el color, como prototipos, maquetas y elementos decorativos o juguetes. El objetivo, además, es fabricar objetos con las características físicas y mecánicas que se requieren para su uso en un entorno real, como pueden ser partes estructurales o piezas de maquinaria, vehículos, etcétera.

Este concepto no es nuevo, pero hasta hace relativamente poco no ha dado el salto real a la industria, gracias a los avances tecnológicos en campos como la mecánica, la robótica, el software y a la progresiva digitalización de la industria en general. Actualmente, la fabricación aditiva ya es de uso común en diversos sectores de alta tecnología, como la industria automotriz o la aeroespacial. Pero, como ocurre en la fabricación tradicional, existen riesgos de que el proceso de como resultado un producto que no cumple con las especificaciones iniciales, lo que lo convierte en inadecuado. Para controlar estos riesgos, ciertos fabricantes ya han comenzado a combinar esta tecnología con sistemas avanzados de monitorización y con un sistema de inteligencia artificial. Gracias a esto, se puede controlar minuciosamente y de forma totalmente automatizada cada fase del proceso de fabricación, adaptando de forma dinámica el funcionamiento de las máquinas que crean las piezas para que el producto final se mantenga dentro de las especificaciones de diseño.

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Los métodos tradicionales de fabricación de objetos como estructuras, piezas y componentes mecánicos se basan generalmente en procesos sustractivos. Se parte de un material que se corta, posteriormente se modela y finalmente se pule, o que se funde, se inyecta en un molde y después se va refinando hasta obtener el producto final. Ya sea para crear un motor de explosión, la carrocería de un vehículo o la carcasa de un móvil, todas las técnicas de fabricación tradicional conllevan una serie de procesos en los que se pierde material y se generan residuos, elevando los costes. Además, requieren numerosos de pasos que incrementan las posibilidades de errores en la cadena de producción y genera muchos gastos de personal, energía, funcionamiento y mantenimiento de las instalaciones.

En cambio, la fabricación aditiva consiste en añadir capa a capa el material del que estará compuesto finalmente el objeto, basándose en el diseño original creado por ordenador. Esto minimiza enormemente la generación de residuos y, además, permite una mayor flexibilidad en cuanto al diseño que se quiere fabricar, ya que la misma máquina puede crear casi cualquier objeto tridimensional que quepa en su interior. Los impulsores de estas tecnologías destacan que gracias a esto se minimiza el impacto ecológico de la industria, se reducen los costes de fabricación y, en muchos casos, se incrementa la rapidez con que se obtiene un producto final perfectamente acabado. Este tipo de “impresoras” tardan su tiempo en completar un objeto, y una vez acabado solo se requiere un postprocesamiento para “pulir” el resultado final, reduciendo la carga de trabajo manual o automatizada necesaria en los procesos tradicionales.

Tecnologías que van más allá de la impresión 3D

Cuando se habla de fabricación aditiva muchos se refieren a esta tecnología como impresión 3D, pero esta es sólo un tipo de proceso de fabricación aditiva. Incluso importantes expertos en tecnología engloban todos los sistemas existentes en un único mercado, lo que puede llevar a errores. Como ejemplo, en la última Guía Semestral de Gastos de Impresión 3D, elaborada por IDC, se agrupa todo el mercado de “impresión 3D” (hardware, materiales, software y servicios) en un único bloque, desglosándolo por segmentos que no diferencian entre la fabricación aditiva de corte profesional y la de calidades diferentes. En cualquier caso, sí señala que el gasto global en este mercado aumentará un 21,2% interanual en 2019, y que crecerá a una tasa interanual compuesta (CAGR) del 19,1% hasta 2022, cuando previsiblemente alcanzará los 22.700 millones de dólares.

En este contexto, es preciso entender que existen grandes diferencias en las diversas tecnologías de fabricación aditiva, y que la industria no emplea todas ellas para crear productos finales. Lo primero es que, más allá de trabajos de prototipado y para fabricar la utillería básica empleada en sus propias fábricas, la industria manufacturera no recurre en absoluto a las tecnologías como la impresión 3D por Deposición de Plástico Fundido (FDM), Estereolitografía (SLA) o Sintetización Selectiva por Láser (SLS). Estos son los sistemas más populares de impresión 3D, que permiten crear piezas de polímeros plásticos, resinas, papel y otros materiales “básicos”, con los que, en general, no se pueden producir productos finales de calidad para la mayoría de usos reales.

En cambio, para la fabricación aditiva de productos finales de alta calidad, los fabricantes recurren a tecnologías como la Fusión sobre Cama de Polvo (PBF), que se basan en fundir polvo de diversos materiales empleando una fuente de calor intenso, capa a capa, hasta completar la forma final del objeto. Para ello aplican sistemas como la Sintetización Selectiva por Láser (SLM), la Sintetización Directa por Láser de Metal (DMLS) o la Fusión por Haz de Electrones (EBM), que proporcionan una gran precisión y una fusión uniforme del material base. Las principales empresas del sector de la fabricación aditiva emplean

Otra tecnología es la denominada Inyección de Material (Material Jetting, o Polyjet), que se podría considerar como la evolución de los sistemas tradicionales de impresión hacia la tridimensionalidad. Consiste en un sistema de cabezales que va depositando microscópicas gotas de material en una superficie, capa a capa, que se solidifican mediante una fuente de luz ultravioleta. Esta tecnología es una de las más versátiles, ya que ofrece un acabado de bastante calidad y permite la combinación de diferentes materiales, pudiendo crear objetos con diferentes propiedades en cada una de sus partes. En un principio, esta técnica empleaba materiales tan poco duraderos como la impresión 3D FDM o SLA, por lo que era más adecuada para prototipos avanzados, pero actualmente se han añadido nuevos materiales, incluidos metales, con los que ya se fabrican piezas para industrias como la de automoción o la aeroespacial, y está encontrando nuevos usos en la odontología y ciertos campos de la medicina.

Nuevos materiales y aplicaciones

Sin duda, los mayores avances que ha vivido la fabricación aditiva han venido de la mano del desarrollo de técnicas que permiten utilizar nuevos materiales “imprimibles”. Los titulares de medios de comunicación han dado mucho bombo a los avances de impresión 3D de productos orgánicos, que permiten fabricar diversos alimentos como pizzas, o sucedáneos como el de carne, pero en realidad se trata de “curiosidades”, que por ahora no tienen impacto en la industria de manufactura. En cambio, las verdaderas innovaciones útiles han venido de la introducción de materiales como diferentes metales y polímeros avanzados de gran resistencia física y térmica.

Empleando los procesos de fabricación aditiva más precisos, como PBF o Material Jetting es posible fabricar piezas y componentes necesarios para construir maquinaria de última generación. Ejemplos de ello son componentes para la industria aeroespacial que, una vez “impresos”, pasan por un proceso térmico que estabiliza los enlaces entre las moléculas para conformar un producto que cumple con las exigencias de estas industrias en material de diseño, resistencia, dureza y durabilidad.

Además, se han logrado importantes avances en materiales estériles compatibles con el cuerpo humano, que ya se emplean en campos como las prótesis médicas y dentales, dos campos en los que los médicos y dentistas están encontrando mejores formas de crear piezas adaptadas específicamente para cada paciente, y que resultan más fáciles de fabricar. Y estos sectores están investigando para aprovechar nuevas tecnologías de fabricación aditiva con las que en el futuro se podrán fabricar órganos, aunque aún queda mucho para alcanzar el éxito, ya que para lograrlo se requieren importantes avances específicos de la ingeniería biomédica.

Qué aporta la Inteligencia artificial

Los diferentes sectores de la fabricación están evolucionando hacia la integración de sistemas de inteligencia artificial, que gobernarán las fábricas automatizadas para optimizar procesos y realizar mejore controles de calidad, yo mismo está sucediendo en la fabricación aditiva. Mediante una nueva clase de robots, sensores y software de monitorización avanzada, y empleando una inteligencia artificial específicamente entrenada para estas tareas, se pueden gestionar automáticamente casi todas las fases de la fabricación aditiva. La IA, correctamente aplicada y apoyada por el resto de sistemas de monitorización, puede encargarse de verificar la calidad de los materiales base, calibrar perfectamente las máquinas y controlar la deposición y fusión de estos materiales en cada capa, adaptando los procesos de forma dinámica para corregir cualquier anomalía en tiempo real.

Gracias a esto se logra cumplir con los requisitos de composición y estructurales de cada pieza, evitando la mayoría de errores que darían como resultado un producto que no cumpliese con las especificaciones de diseño originales. Esto es especialmente importante para piezas de alta tecnología, que suelen tener unas exigencias muy específicas y deben ofrecer la máxima confiabilidad. Además, se están comenzando a automatizar las fases finales de la fabricación aditiva, como el refinado de las piezas y el control de calidad, agilizando todo el proceso. De esta forma se logran reducir los costes y aumentar la calidad final, algo que durante mucho tiempo ha frenado a muchos fabricantes que podrían haber comenzado con nuevos procesos de fabricación aditiva. Aunque estos avances conllevan importantes costes iniciales, ya que todo esto requiere una infraestructura TI que aloje la inteligencia artificial, la inmensa cantidad de datos generados por la fabricación de cada pieza, y que sea capaz de administrar de forma automática todas las tecnologías que forman parte de esta particular cadena de producción, basada en la robótica y las tecnologías digitales.

Un ejemplo de implementación de estas tecnologías en la fabricación aditiva es el ideado por General Electric, una de las industrias más grandes de Estados Unidos, y pionera en estos modelos de fabricación. Desde hace más de un año, esta compañía ha estado desarrollando un sistema fabricación aditiva inteligente, con el fin de mejorar los procesos en sus fábricas. Comenzó con una plataforma de recopilación de datos, que recoge toda la información posible de la fabricación de cada pieza, incluyendo fotografías convencionales, térmicas, escáneres, análisis de compuestos, y toda clase de información generada por cada una de las máquinas que intervienen en el proceso. Posteriormente, han aplicado machine learning para cotejar e interrelacionar estos datos, de forma que la IA pueda entender a fondo todo el proceso, y posteriormente sea capaz de determinar cómo y dónde se pueden producir los errores, y alcanzando capacidades predictivas. Así, pretenden crear un sistema de fabricación aditiva inteligente cerrado, capaz de gobernar todo el proceso, desde las simulaciones basadas en el diseño original hasta el postprocesamiento final, pasando por cada una de las fases de la fabricación.