Fabricación instantánea

Una línea divisoria en la historia de la fabricación atraviesa la fábrica de instrumentos auditivos Siemens en Piscataway, Nueva Jersey. Por un lado, los técnicos capacitados utilizan técnicas de fundición, herramientas de precisión y años de experiencia para crear las carcasas acrílicas de los audífonos modeladas a partir de impresiones de silicona de canales auditivos reales.

Al otro lado del piso de la fábrica, dos máquinas del tamaño de un horno de pizza crean cáscaras similares a partir del polvo de nailon. Dentro de las máquinas, agujas de luz láser, guiadas por archivos de diseño digital, escanean robóticamente de un lado a otro, ajustando capas de polvo delgadas como el papel en capas resistentes de plástico. Cuatro horas y varios cientos de barridos láser más tarde, se completa un lote de 80 audífonos ( ver Del polvo a los audífonos, abajo ). El proceso ahorra horas de trabajo humano y produce audífonos que se ajustan y suenan mejor que los tradicionales.

Esta historia fue parte de nuestro número de noviembre de 2003

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Funciona tan bien que Siemens, el mayor fabricante de audífonos del mundo, está cambiando completamente a la tecnología en varias fábricas. Todo este proceso nos permite ser más precisos y eliminar el error humano. Esto va a cambiar el negocio, dice William Lesiecki, director de software y soluciones de comercio electrónico de Siemens Hearing Instruments.

Deshuesado

De alguna manera, la fabricación directa es una consecuencia natural de la presión implacable para reducir el tiempo que lleva mover un producto desde el concepto, pasando por el diseño y el desarrollo, hasta la realidad comercial. Cuando el diseño asistido por computadora y las herramientas controladas digitalmente comenzaron a infiltrarse en las fábricas en las décadas de 1970 y 1980, se preparó el escenario para la creación rápida de prototipos, que utiliza tecnologías de impresión para crear objetos tridimensionales que sirven como prototipos para, por ejemplo, juguetes o piezas de automóviles. Con los prototipos en la mano en solo horas, en lugar de las semanas o meses de tallar y fundir a mano una vez que se tomaron, los diseñadores pueden refinar los productos más rápidamente, y los ingenieros pueden detectar y corregir los problemas rápidamente.

Las primeras máquinas de creación rápida de prototipos utilizaron láseres para unir capas sucesivas de un polímero líquido, un proceso llamado estereolitografía. Las versiones posteriores utilizaron una gama más amplia de materias primas, como polvos que se fusionarían cuando fueran golpeados por un rayo láser. Otro salto se produjo en la década de 1990, cuando el método se expandió más allá de los láseres para incluir cabezales de impresión que arrojaban líquidos aglutinantes sobre polvos, agregando velocidad y una variedad aún mayor de materiales ( ver Jugadores en fabricación directa, abajo ). Al mismo tiempo, se impulsó el desarrollo de estas tecnologías hasta el punto de que pudieran hacer productos terminados, no solo prototipos. A finales de la década de 1980, acababa de salir la estereolitografía, y fue muy inspirador verlo, dice Emanuel Sachs, un ingeniero mecánico del MIT que desarrolló el método del cabezal de impresión. Lo que me propuse hacer fue cambiar el enfoque de hacer prototipos a crear piezas funcionales directamente.

Ese objetivo ya se ha cumplido. En un día reciente en el laboratorio de Therics en Princeton, Nueva Jersey, dos empleados con trajes de sala limpia observaron cómo una impresora del tamaño de un automóvil fabricaba 300 trozos de dos centímetros de largo de hueso de la mandíbula sustituto. Una matriz lineal de ocho cabezales de impresión barrió capas sucesivas de un polvo llamado hidroxiapatita (el mineral principal en el hueso natural), dispensando selectivamente pequeñas gotas de un líquido aglutinante orgánico que luego se quemaría durante un tratamiento en horno. Bajo la implacable secuencia de gotas, 800 por segundo, la masa de polvo, por lo demás sin forma, comenzó a tomar forma. La Administración de Drogas y Alimentos de EE. UU. Aprobó el sustituto óseo de Therics a fines de mayo y, aunque aún no se ha utilizado en un implante en humanos, ya está en manos de los cirujanos que tienen la intención de probarlo pronto. Como medio para producir hueso de reemplazo, la fabricación directa tiene algunas ventajas. Digamos que la víctima de un accidente ha perdido un fragmento del hueso del brazo. La pieza se puede reconstruir digitalmente utilizando imágenes del mismo hueso en el otro brazo. Es más, la tecnología de impresión es capaz de crear poros de solo 50 micrómetros de ancho, lo que permite que el segmento óseo, una vez implantado, albergue células reales que forman hueso real, fortaleciendo y eventualmente suplantando el implante.

La aprobación de la FDA del sustituto óseo fabricado directamente por Therics es un hito para la tecnología de fabricación. De hecho, Ranji Vaidyanathan, científico de materiales de Advanced Ceramics Research en Tucson, AZ, que está desarrollando sus propios sustitutos de huesos impresos, espera que el hueso fabricado directamente sea común en tres a cinco años. Yo diría que cambiará la forma en que vemos el hueso de reemplazo, dice.

Robots personalizados

Los implantes óseos presagian aplicaciones futuras mucho más amplias que seguirán mejoras en velocidad, precisión y variedad de materias primas. On Demand Manufacturing, que ya fabrica piezas plásticas y metálicas, espera ofrecer materiales que puedan funcionar en las condiciones más exigentes, incluido el calor similar al de un horno de un motor de cohete. La compañía ha desarrollado polvos de superaleaciones que pueden moldearse mediante máquinas de fabricación directa y luego hornearse en piezas de turbinas complejas y superresistentes. La compañía ahora está tomando los pasos necesarios para calificar los componentes para su uso en cohetes.

La tecnología de fabricación directa también se está volviendo móvil. En un movimiento que algún día podría tener consecuencias para su taller de automóviles local, el Ejército de los EE. UU. Está desarrollando unidades móviles del tamaño de un camión que pueden fabricar piezas de repuesto, basadas en archivos digitales o escaneos en el lugar, para vehículos y armas directamente en el lugar. campo de batalla.

Y algunos están impulsando la tecnología al ámbito de la robótica y la electrónica, con piezas móviles. Como primer paso, John Canny, Vivek Subramanian y sus colegas de la Universidad de California, Berkeley, están experimentando con la impresión por chorro de tinta como método para transformar semiconductores orgánicos y materiales electroactivos en componentes inteligentes que cambian de forma en respuesta a un voltaje. . Una visión a largo plazo es un robot personalizado de polímero que pesa menos de un kilogramo que podría imprimirse para trabajos específicos, como arreglar el cableado en un lugar estrecho en un avión. Pero los objetivos iniciales de los investigadores de Berkeley son más modestos; Subramanian dice que esperan construir su primer dispositivo de demostración, tal vez una pequeña articulación móvil, dentro de dos años.

Con el tiempo, la tecnología también podría comercializarse. John Wooten, director general de Fabricación bajo demanda, imagina algo así como una cadena de Kinko's tridimensionales equipados con equipos de fabricación directa que podrían reproducir prácticamente cualquier objeto que pudiera escanearse o definirse en un archivo digital. Es posible imaginar a un tipo con su Mustang 65 y una manija de ventana rota yendo allí para que le hagan una nueva, dice Wooten. En una línea similar, Bourne de Carnegie Mellon prevé nuevas opciones en la personalización personal: teléfonos celulares, reproductores de CD y todo tipo de productos de consumo con formas y colores especificados por los clientes.

Si bien estas aplicaciones minoristas aún son hipotéticas, las empresas están surgiendo para servir a los fabricantes por contrato. Empresas como Accelerated Technologies en Austin, TX y Met-L-Flo en Geneva, IL, aceptan archivos de diseño digital y hacen prototipos rápidos, un concepto que podría evolucionar hacia productos de impresión personalizados para clientes minoristas. Si tal servicio se materializa, un restaurador de automóviles de un vecindario que busque duplicar una pequeña pieza de rejilla, o un propietario que reproduzca molduras antiguas, lo encontrará similar a un Home Depot digital, con un almacén virtual infinito de productos personalizados.

Jugadores en la fabricación directa
Compañía	Tecnología	Aplicaciones
Sistemas 3D (Valencia, CA)	Máquinas de sinterización selectiva por láser que utilizan láseres para unir polvos de plástico o metal; sistemas de estereolitografía que curan resinas líquidas con calor generado por láser	Implantes médicos y prótesis, componentes de aviones militares, audífonos, piezas de coches de carreras de Fórmula 1
Stratasys (Eden Prairie, MN)	Plástico calentado expulsado por boquillas móviles	Piezas de bomba y engranajes pequeños
Therics (Princeton, Nueva Jersey)	Tecnología de impresión tridimensional, en la que conjuntos de cabezales de impresión rocían gotas de aglutinantes orgánicos sobre polvos.	Sustitutos óseos con la porosidad necesaria para las células. para afianzarse después de la implantación
Fabricación bajo demanda (Camarillo, CA)	El uso de la máquina de sinterización de 3D Systems para crear piezas de alta resistencia.	Conductos de aeronaves y otras piezas de plástico y metal personalizadas para aplicaciones aeroespaciales
Instrumentos auditivos Siemens (Piscataway, Nueva Jersey)	El uso de la máquina de sinterización de 3D Systems para fabricar carcasas de audífonos a medida	Carcasas para audífonos
CON (Burlington, MA)	Impresora tridimensional ultrarrápida que utiliza polvos patentados	Modelos geográficos a todo color para planificación militar

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