Es a la versión antigua como la imprenta es a la pluma
por The Economist
Las primeras formas de fabricación aditiva, o impresión 3d como se le llama popularmente, comenzaron a surgir en la década de 1980. Pero tomó más de una década para que la tecnología comenzara a despegar. Inicialmente, se utilizó para hacer prototipos. Ahora, los componentes intrincados se imprimen rutinariamente en 3d en plástico y metal, para su uso en productos que van desde motores a reacción y robots hasta automóviles.
Las ventas de máquinas y servicios de impresión 3d crecieron más del 17 % en 2021, para alcanzar alrededor de $15 mil millones, según estimaciones preliminares de un informe de Wohlers Associates, una firma que rastrea la industria. Sin embargo, a pesar de lo útil que se ha vuelto la fabricación aditiva, lucha por competir en costo y velocidad con formas más establecidas de hacer cosas, como inyectar plástico fundido en moldes o estampar piezas de metal con una prensa gigante.
Como resultado, la mayoría de los fabricantes utilizan impresoras 3d para producir piezas de bajo volumen y alto valor. El tiempo extra y los gastos que esto requiere pueden valer la pena para ciertos artículos. Hacer cosas de manera aditiva produce objetos capa por capa, por lo que las estructuras internas complicadas se pueden incorporar más fácilmente en un diseño. Las formas también se pueden optimizar en cuanto a resistencia y ligereza, ahorrando materiales. Pero, ¿y si estas ventajas pudieran obtenerse a la velocidad y el costo de los procesos de fábrica convencionales? Una nueva forma de fabricación aditiva tiene como objetivo hacer precisamente eso.
El origen de este proceso, con la marca registrada “Area Printing”, se remonta a 2009. Fue entonces cuando James DeMuth, habiendo terminado su maestría en ingeniería mecánica en la Universidad de Stanford, comenzó a trabajar en la Instalación Nacional de Ignición, parte del Departamento de Energía de los Estados Unidos. Laboratorio Nacional Lawrence Livermore ( llnl ). Este utiliza algunos de los láseres más potentes del mundo para estudiar la fusión nuclear.
Uno de los desafíos que se le encomendaron al Sr. DeMuth fue encontrar una forma de utilizar un tipo de acero altamente especializado para fabricar una cámara de fusión de 12 metros de ancho que contuviera muchas características complejas. Consideró una forma de impresión 3d , llamada laser powder bed fusion ( l-pbf ), para el trabajo. Esto emplea un rayo láser para soldar partículas en un lecho delgado de metal en polvo, para formar la forma requerida de la primera capa del objeto. Luego se agrega más polvo y se suelda una segunda capa encima de la primera. Y así sucesivamente, hasta completar el artículo.
El problema es que, como ocurre con la mayoría de las otras formas de impresión 3d , existe una relación inversa entre la resolución, que determina el nivel de detalle que se puede imprimir, y la velocidad del proceso. Por lo tanto, algunos componentes grandes con detalles finos pueden tardar días, si no meses, en imprimirse. Producir la cámara parecía llevar décadas. l-pbf era claramente inviable para tal aplicación.
Esto hizo que el Sr. DeMuth y un grupo de colegas pensaran en cómo acelerar las cosas sin comprometer la calidad. Después de un poco de trabajo, comenzaron a usar un dispositivo llamado válvula de luz con dirección óptica, que se había desarrollado en llnl . Esto permite que un láser infrarrojo pulsado, con su haz configurado para tener una sección transversal cuadrada, se modele con una imagen de alta resolución. Trabajando un poco como un negativo fotográfico, la imagen puede bloquear o dejar pasar la luz, creando millones de pequeños puntos láser, muy parecidos a los píxeles que forman una imagen digital.
Cuando se proyecta sobre un lecho de polvo, esta luz láser estampada puede soldar un área completa de una sola vez. El Sr. DeMuth compara el proceso con la producción de documentos con una imprenta en lugar de escribirlos individualmente con un bolígrafo.
No es una idea tan loca
En 2015, el Sr. DeMuth cofundó Seurat Technologies para comercializar la tecnología. Esta firma con sede en Massachusetts lleva el nombre de Georges Seurat, un artista francés posimpresionista que fue pionero en un estilo de pintura llamado puntillismo que construye imágenes a partir de puntos. Varias empresas, entre ellas gm y Volkswagen, un par de fabricantes de automóviles, Siemens Energy, una división de un gran grupo alemán, y Denso, una gran firma japonesa de componentes, se han asociado con Seurat para explorar el uso de su primera máquina prototipo de impresión por área.
Este prototipo produce una serie de pequeños cuadrados modelables en el lecho de polvo. Su tamaño depende del material. El aluminio requiere cuadrados de 15 mm. El titanio requiere 13 mm. El acero requiere 10 mm. Individualmente, estos cuadrados pueden parecer pequeños. Pero 40 de ellos se pueden imprimir uno al lado del otro cada segundo, por lo que se puede cubrir un área grande rápidamente. El prototipo fue diseñado para trabajar a esta escala para mantener el tamaño del láser y la cantidad de energía que consume a un nivel práctico.
Con el equivalente a 2,4 millones de píxeles proyectados en cada cuadrado, la máquina puede imprimir piezas con capas de solo 25 micras (millonésimas de metro) de espesor a una velocidad de 3 kg por hora. Esto es diez veces más rápido que una máquina l-pbf típica con una resolución tan fina, dice el Sr. DeMuth. Las versiones de producción de la impresora de área ahora se están construyendo, y las futuras generaciones de la máquina deberían terminar siendo 100 veces más rápidas.
Todo eso, dice el Sr. DeMuth, significa que la impresión por área será competitiva con los procesos de fábrica de producción en masa, como el mecanizado, el estampado y la fundición. A modo de ejemplo, cree que para el 2030 se podrá producir platería (utensilios que hoy en día son de acero inoxidable) a $25 el kilo. “Eso significa que en realidad podríamos imprimir cubiertos más baratos de lo que podrías eliminarlos”, agrega.
Otras impresoras 3d basadas en láser también se están volviendo más rápidas. las máquinas l-pbf , por ejemplo, pueden equiparse con varios haces, aunque la complejidad involucrada podría limitar su número. Y muchas formas de imprimir cosas que no son láser también están mejorando, utilizando todo tipo de materiales para hacer artículos que van desde edificios hasta puentes y galletas. Entonces, de una forma u otra, la impresión 3d parece finalmente estar lista para hacer que las fábricas tradicionales corran por su dinero.