Impresoras tridimensionales 3D

Un día necesitas un objeto y te das cuenta de que es difícil conseguirlo. Si además de ti, lo necesitasen otras 1000 personas u otro millón de personas, habría alguna industria que lo fabricaría. Pero no, solo lo necesitas tú y no lo encuentras ni en una tienda ni online. Nos damos cuenta de que todo el concepto de industria se ha basado en el pasado en la producción en masa, sobre la creencia de que fabricando un alto número de objetos bajan radicalmente los precios unitarios.

Ahí es donde necesitas una impresora 3D. Sobre un diseño CAD, este dispositivo es capaz de crear cualquier objeto que necesites en plástico o metal. Aquí lo precios no bajan radicalmente con la replicación, salvo por el hecho de que el tiempo de diseño no hay que duplicarlo.

Esto también ocurre con las especificaciones de calidad. Si necesitas el mismo objeto pero en otras especificaciones de calidad, las impresoras 3D son también tu solución.

El futuro de la empresa tiene que ver con la producción bajo demanda (“on-demand”), minimizando y optimizando el inventario en los almacenes o en trabajo-en-progreso (“work-in-progress”), y proporcionando satisfacción en la demanda de forma casi inmediata.

Este futuro abre enormes retos relativos a la especificación de los requisitos del cliente, la traducción de éstos en diseño, la gestión de los derechos de propiedad intelectual, calidad, retos de manufacturabilidad, de operaciones de postprocesado, y en general de viabilidad.

La pregunta es, ¿cómo sería un mundo simplificado a “just-press-print”? ¿Cómo se diseña esta empresa de producción? ¿Cómo se gestionan estas nuevas operaciones y cómo es la nueva cadena de suministro (“supply chain”)?

Por ejemplo, en el mercado de los audífonos para discapacitados, muchos seguirán produciéndose en masa, pero algunos ya empiezan a diseñarse para cada caso físico y psicológico. 

El origen de la impresión 3D, a partir de ahora, 3DP, es el prototipado rápido. Se utilizaba exclusivamente para producir prototipos estéticos y funcionales. No contemplaban la implementación de la producción masiva. Poco a poco vemos una disrupción importante en la aparición de nuevos modelos de negocio facilitados por esta nueva tecnología.

La revolución “RepRap” ocurrió en 2005 tras la desaparición de algunas patentes, y consistió en la disponibilidad de pequeñas impresoras 3D en el entorno de los 1000 euros. Es el mundo prosumer, según Toffler. Permite las operaciones sin especialistas ni demasiados equipos necesarios. La mayoría de estas impresoras caseras funcionan en FDM (Fused Deposition Modelling), que construyen los modelos con filamentos plásticos, en lugar de polvo o resinas, permitiendo almacenamiento seguro en el hogar. Asimismo hay otras sobre la tecnología de estereolitografía, más útil y fácil. Aunque todas estas impresoras tienen constricciones de tamaño, calidad y velocidad, los costes son bastante bajos.

Tiendas de impresión 3D están empezando a aparecer. Operan de forma similar a la impresión 2D basada en papel, lo cual tiene la ventaja de poder interactuar con el productor  para negociar su orden. Esto incrementa las posibilidades de conseguir el producto deseado.

A nivel industrial, nos movemos hacia el modelo “make-to-order”, integrando la customización en el proceso de compra. Esto abre la oportunidad al diseño modular, que mezcla la producción en masa tradicional para la mayoría de los productos con partes customizadas.

En Internet, están apareciendo tiendas online que ofrecen este servicio. Algunas son incluso gestionadas por los propios fabricantes de la máquina (por ejemplo www.materialise.com o www.shapeways.com) Otras forman comunidades online que aúnan proveedores con clientes. El cliente puede enviar su diseño propio o seleccionar alguno de los diseños ya puestos a disposición por otros clientes.

En la década del 2020 se habla de producción móvil (“Mobile manufacturing”) cuando desaparece la necesidad de una ubicación permanente. Los sectores que más valor encuentran en 3DP son construcción, automoción, electrónica, aeroespacial y otros como los juguetes, juegos y modelismo.

Un escenario es el sector construcción; la impresora se transporta al punto de uso, normalmente máquinas enormes de gran peso que pueden imprimir un elemento arquitectónico de una casa o un puente de una sola pieza.

En el caso de viajes espaciales, esta modalidad podría usarse para crear hábitats en los viajes espaciales, usando materiales locales.

La forma más pura de impresión móvil incorpora el uso de la máquina durante su transporte. Tradicionalmente, el tiempo de transporte es un tiempo perdido que añade nada de valor al producto. 

El reto es desarrollar tecnología que sea capaz de producir con precisión mientras está en movimiento; Amazon tiene varias patentes.

También empezamos a ver 3DP en la producción de masa de los entornos industriales. Así es posible introducir una variable de customización en el producto final. Las máquinas tradicionales presentan un coste muy alto de cambio de producto, pero en una impresora 3D es solamente cuestión de cambiar el software. Además, estas impresoras pueden producir elementos muy difíciles con máquinas tradiciones.

Finalmente, se usan estas impresoras cuando el entorno es hostil. Por ejemplo, en la producción de repuestos, hay circunstancias que no permiten la espera a la llegada de una pieza o no se puede prescindir de la máquina. Esto sucede en el mar o en programas humanitarios, incluso en aplicaciones espaciales. Es probable que la calidad de los repuestos no sea la misma, pero permite continuar la misión.

En general, esta tecnología permite disociar el diseño y la manufactura, llevando cada una de éstas donde esté el conocimiento y la capacidad (el “expertise”), asumiendo que los datos pueden ser enviados remotamente.

Igualmente, la industria del automóvil está viviendo un periodo de transición actualmente.  Las marcas líderes se ven presionadas  a incorporar estas tecnologías en sus cadenas de suministro para ofrecer mejor respuesta a los requisitos del cliente en un mercado de fuerte competitividad. Los cambios en la demanda llevan a ciclos de producto cada vez más cortos e impredecibles.

La impresión 3D en automoción comenzó a usarse para el desarrollo de prototipos únicos, ahora se usa más para la producción de elementos funcionales finales en masa, y para la producción de repuestos. La clasificación ISO 52900 de 2015 define ocho tipos de 3DP.

Las limitaciones más importantes de esta tecnología son:

(1) el rango limitado de materiales para imprimir,

(2) hay tolerancias que son imposibles,

(3) el tamaño de la cámara de producción.

Aunque la aplicación comercial en este sector es una realidad, hay barreras importantes para la adopción: falta de comprensión de los procesos por parte de los empleados, baja productividad de las máquinas, costes altos de capital y baja eficiencia energética.

A esto hay que añadir el tiempo de producción, la baja consistencia, y la limitada oferta de herramientas de software y diseño. Todavía no hay estándares globales.

Otra preocupación importante es la relativa a derechos de propiedad intelectual, es decir, el establecimiento de reglas transparentes y universales, marcos legales y métodos para gobernar la propiedad y la compartición entre los socios de una misma cadena de valor y proveedores terceros. También es crucial un modelo de transferencia de riesgos o un acuerdo de compartición de riesgo en caso de fallo. Estos elementos son necesarios para generar la confianza y disminuir el riesgo de copias falsas no oficiales en el mercado.

En términos de calidad, precisión y tolerancias, por ejemplo relacionado con robustez o conductividad eléctrica o térmica, el producto no está a la altura. Es posible que los productos de metal tengan mayor calidad que los polímeros o de plástico, pero todos deben continuar otros tratamientos en el proceso hasta la calidad esperada.

La producción de repuestos supone dos retos diferentes. Uno, la demanda de repuestos sigue una distribución estocástica, y la tecnología va madurando para poder predecir el fallo y diseñar el mantenimiento predictivo. Aunque algunos fallos son predecibles por el análisis de series históricas, no siempre es así y hay que gestionar las situaciones estocásticas. Tradicionalmente, el modelo más simple es crear inventario de los repuestos más habituales cerca de la máquina, es el modelo más simple pero más caro.

Dos, relacionado con el ciclo de vida, es la provisión de servicios de mantenimiento a generaciones anteriores de un producto. Por ejemplo, una marca de autobuses puede empezar a producir motores eléctricos, pero las próximas décadas tiene que seguir ofreciendo piezas para los motores antiguos.

Son pioneros BMW, Volkswagen, Daimler AG y Deutsche Bahn. Con la producción digital, los diseños pueden estar en la nube, el software puede incluir técnicas más sofisticadas de predicción como inteligencia artificial o big data, y las impresoras pueden estar cerca de donde se usan las máquinas.

El mercado de los juguetes y los juegos está también en disrupción, sobre todo miniaturas, objetos artísticos como hobbies. Un ejemplo son los trenes a escala de colección, réplicas de modelos existentes.

En resumen, 3DP trae la domesticación de las cadenas de suministro en el futuro. Es posible ofrecer productos muy customizados a costes razonables, poco a poco es el cliente quien dicta. Se llama producción aditiva, porque supone construir materiales capa a capa en lugar de sustraer material a un bloque. Esto trae eficiencias y flexibilidad para la Industria 4.0 inteligente.

Además del movimiento al cliente-centrismo, la tecnología 3DP lleva a la economía circular. Es posible reciclar el desperdicio de las empresas de manufactura a materias primas para la impresión 3D. Por otro lado, la mayoría de los metales y plásticos que usan estas impresoras pueden ser reciclados. Además, la provisión de repuestos para reparación de bienes de consumo disminuye la necesidad de tirar productos defectuosos y comprar nuevos sustitutivos.