Punto de pivote: impresión 3D frente a moldeo por inyección

Jan 16, 2024

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 que llevó la ciencia ficción a la mesa de la cocina. Los informes de los medios gaseados posicionaron la tecnología como un proceso de "cualquiera puede hacer cualquier cosa". Como era de esperar, no existe tal proceso con precisión de botón. Las percepciones de la corriente principal se atenuaron, descartando la tecnología.

Sin embargo, la impresión 3D actual es un conjunto indiscutiblemente 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 es la frase que se usa en la mayoría de los laboratorios profesionales; ahora, "fabricación aditiva" o, más casualmente, AM, es la terminología de referencia, colocando estos procesos capa por capa directamente en el ámbito de la fabricación.

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

En algunos casos.

Al igual que con cualquier herramienta en una caja de herramientas, los matices son vitales para la aplicación adecuada de la solución al desafío. Cuando todo lo que tienes es un martillo, después de todo, todo parece un clavo. La caja de herramientas actual es sustancialmente más sólida, lo que nos deja 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 de 1800, IM prosperó décadas más tarde cuando la Segunda Guerra Mundial exigió una producción de alto volumen y bajo costo. Difícilmente se puede decir que se haya ralentizado desde entonces. Casi omnipresente en los entornos de fabricación modernos, IM quizás se describa mejor como el diablo que conoces; tiene sus problemas y limitaciones, pero es familiar y generalmente confiable. Sin embargo, ¿podría IM ser desplazado por el recién llegado AM?

Escala, velocidad, uniformidad: el moldeo por inyección cumple los requisitos para la producción de alto 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 se vuelve la solución.

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

El moldeo por inyección es un proceso de fabricación bien entendido y práctico, pero, naturalmente, no está exento de limitaciones. La curva de aprendizaje y el gasto de configurar una instalación de IM son significativos, al igual que el tiempo de preparación para producir un nuevo diseño.

Por muy conocido que sea, el diseño del proceso de fabricación para IM es largo y, a menudo, no lineal. Como tecnología basada en el moldeado, la IM se basa en moldes extraíbles, que sofocan la capacidad de diseñar para cantidades bajas de piezas y geometrías internas complejas. Además, la creación de esos moldes puede agregar semanas o meses a una línea de tiempo de producción.

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

Con las soluciones más nuevas que llegan al mercado y 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 emocionante encuentro: nuevas formas, formas complejas, producción de alto valor/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. Más supervisión, estándares y validación están haciendo que la tecnología se mueva más hacia el 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 de laboratorio y la aplicación en el mundo real, y ese es uno que la impresión 3D ha comenzado a salvar ordenadamente.

La producción en masa con impresión 3D está incursionando en áreas donde comercialmente tiene sentido, siendo los audífonos el área más importante de adopción generalizada temprana. Los consumidores caminan con zapatos con entresuelas impresas 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 un 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 AM para la producción son muchos. Las estructuras internas complejas se pueden incorporar directamente en una sola pieza terminada, ya que el producto completo se produce de una sola vez, lo que reduce el número de piezas y los puntos débiles de conexión. El aligeramiento, como con estructuras de celosía o simplemente mediante la reducción del número de piezas, es deseable en industrias conscientes del peso, como la aeroespacial y la automotriz, donde cada onza 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 de muchos procesos de fabricación. Más materiales validados están llegando al mercado todo el tiempo, 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 crítico 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 era alta, la impresión 3D se intensificó para equipar a los profesionales médicos y pacientes con lo que necesitaban. necesarios 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.

AM sigue siendo una tecnología naciente, a pesar de todo su reciente crecimiento y maduración. Adoptar la tecnología por primera vez requiere una importante curva de aprendizaje, ya que los diseñadores de productos bien versados ​​en DFM tienen un nuevo conjunto de habilidades para adquirir en DfAM: diseño para fabricación aditiva. Los sectores con aversión al riesgo donde la validación es crítica y las nuevas instalaciones costosas en términos de capacitación e inversión dudan en adoptar antes de comprender un ROI completo. A menudo, la adopción depende de un único campeón 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 ingresan a AM, con gigantes como Arkema, BASF, Evonik, Henkel, Sabic y muchos más que se sumergen 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.

Los estándares, aunque también entran más en juego, también se están quedando atrás. Muchos adoptantes potenciales ni siquiera pueden considerar la impresión 3D, ya que las organizaciones de defensa y otras bajo mandato del gobierno tienen un alcance limitado de los procesos sobre la mesa. Hasta que se reconozcan más estándares y se reciba más apoyo de todos los niveles, como con la iniciativa 2022 AM Forward del presidente Biden que expande el alcance a nivel nacional, local e internacional, la adopción seguirá siendo más baja de lo teóricamente posible.

En muchos sentidos, 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 adoptar. La percepción de algunos "grandes jugadores" de mantener su inversión en AM y usarla como un secreto competitivo de "salsa secreta" también frena la capacidad de muchos proveedores de AM para 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 alto valor y bajo volumen. Esto se ve contrarrestado por el punto óptimo del moldeo por inyección, que es todo lo contrario.

Entonces, ¿cuándo tendría sentido pasar de IM a AM, y cuándo no?

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

Lo más importante que debe tener en cuenta al adoptar AM es simple: el hecho de que pueda no siempre significa que deba hacerlo. Tiene más sentido seguir con el moldeo por inyección para:

El caso de uso más fuerte para cualquier proceso de fabricación es, en el fondo, sencillo. Usa lo que tenga sentido. No existe una solución única para hacer frente a todos los desafíos. Cada parte, cada producto de uso final, tiene especificaciones únicas y, en un mundo ideal, debe abordarse individualmente. Tómese el tiempo para comprender las necesidades exactas, explorar las soluciones disponibles y reducir lo que tiene más sentido para su aplicación en términos de gastos, tiempo, experiencia y producto final.

Establecer y comprender el punto de equilibrio de costo versus cantidad a menudo informará la decisión de 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, esta es una solución complementaria, en lugar de una alternativa. 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 Additive Integrity, una empresa de servicios por contrato específica para AM; 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 Coalición de Fabricación Aditiva. Se enfoca en la industria de fabricación aditiva en los 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 gerente de Fabbaloo; Editor en jefe de 3DPrint.com; y director sénior de Comunicaciones Estratégicas y Ecosistemas en Nexa3D, líder en impresión 3D ultrarrápida. 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 dado conferencias 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.

Más información sobre formatos de texto