La impresora 3-D que finalmente podría cambiar la fabricación

Desktop Metal cree que sus máquinas brindarán a los diseñadores y fabricantes una forma práctica y económica de imprimir piezas de metal. Por

• david rotman página de archivo

25 de abril de 2017

conceder cornett

Faltan menos de dos meses para el lanzamiento inicial del producto de su empresa, y el director ejecutivo, Ric Fulop, muestra con entusiasmo filas de impresoras 3D desmontadas, varios hornos de microondas voluminosos y una variedad de pequeños objetos de metal en una mesa para exhibirlos. Detrás de una puerta cerrada, un equipo de diseñadores industriales se sienta alrededor de un escritorio de trabajo compartido, cada uno frente a una pantalla grande. La pared detrás de ellos está empapelada con varias apariencias posibles para los ambiciosos productos de la startup: impresoras 3D que pueden fabricar piezas de metal de manera económica y lo suficientemente rápida como para hacer que la tecnología sea práctica para un uso generalizado en el diseño y la fabricación de productos.

La compañía, Desktop Metal, ha recaudado casi $100 millones de firmas líderes de capital de riesgo y las unidades de riesgo de compañías como General Electric, BMW y Alphabet. Los fundadores incluyen a cuatro destacados profesores del MIT, incluido el director del departamento de ciencia de materiales de la escuela y Emanuel Sachs, quien presentó una de las patentes originales sobre impresión 3D en 1989. Aún así, a pesar de todo el dinero y la experiencia, no hay garantía de que la La compañía tendrá éxito en su objetivo de reinventar la forma en que fabricamos piezas de metal y, por lo tanto, transformar gran parte de la fabricación.

Esta historia fue parte de nuestra edición de mayo de 2017

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Mientras Fulop se mueve por el gran espacio de trabajo abierto, su emoción y entusiasmo parecen atenuados por la ansiedad. Las imprentas comerciales finales aún no están listas. Los empleados están ocupados jugando con las máquinas y los objetos de prueba fabricados están dispersos. Se están logrando avances, pero también es obvio que el tiempo corre. En una esquina cerca de la puerta principal y el área de entrada, el piso está vacío y cerrado; pronto, el espacio debe llenarse con una maqueta del stand planificado de la empresa para una próxima feria comercial.

Si tiene éxito, Desktop Metal ayudará a resolver un desafío abrumador que ha eludido a los desarrolladores de impresión 3D durante más de tres décadas, lo que limita severamente el impacto de la tecnología. De hecho, a pesar de la fanfarria considerable y los entusiastas evangélicos, la impresión 3D ha sido, en muchos sentidos, una decepción.

Los aficionados y los autoproclamados fabricantes pueden utilizar impresoras 3D relativamente económicas para crear formas maravillosamente complejas e ingeniosas a partir de plásticos. Y algunos diseñadores e ingenieros han encontrado que esas máquinas son útiles para simular productos potenciales, pero la impresión de piezas de polímero ha encontrado poco uso en la planta de producción, excepto en algunos productos especializados, como audífonos personalizados e implantes dentales.

Aunque es posible
Imprima metales en 3D, hacerlo es difícil y costoso.

Aunque es posible imprimir metales en 3D, hacerlo es difícil y costoso. Las empresas de fabricación avanzada como GE están utilizando máquinas muy caras con láseres especializados de alta potencia para fabricar algunas piezas de alto valor (consulte Fabricación aditiva en nuestra lista de las 10 tecnologías innovadoras de 2013). Pero la impresión de metales se limita a empresas con millones para gastar en equipos, instalaciones para alimentar los láseres y técnicos altamente capacitados para ejecutarlo todo. Y todavía no existe una opción disponible para quienes desean imprimir varias iteraciones de una pieza de metal durante el proceso de diseño y desarrollo del producto.

Un colector hidráulico se procesa dentro de un horno de microondas, que utiliza temperaturas de hasta 1.400 °C para sinterizar la pieza de acero. Tal pieza es demasiado compleja para fabricarla con métodos convencionales.

Las deficiencias de la impresión 3D significan que la visión que durante mucho tiempo ha entusiasmado a sus defensores sigue siendo difícil de alcanzar. Les gustaría crear un diseño digital, imprimir prototipos que pudieran probar y refinar, y luego usar el archivo digital de la versión optimizada para crear un producto comercial o una parte del mismo material cada vez que presionan hacer en un 3-D. impresora. Tener una forma asequible y rápida de imprimir piezas de metal sería un paso importante para hacer realidad esta visión.

Daría a los diseñadores más libertad, permitiéndoles crear y probar piezas y dispositivos con formas complejas que no se pueden fabricar fácilmente con ningún otro método de producción, por ejemplo, una red de aluminio intrincada o un objeto de metal con cavidades internas. Con el tiempo, podría permitir a los ingenieros y científicos de materiales crear piezas con nuevas funciones y propiedades depositando varias combinaciones de materiales, por ejemplo, imprimiendo un metal magnético junto a uno no magnético. Más allá de eso, redefiniría la economía de la producción en masa, porque el costo de imprimir algo sería el mismo independientemente de cuántos artículos se produjeran. Eso cambiaría la forma en que los fabricantes piensan sobre el tamaño de las fábricas, la necesidad de un inventario de respaldo (¿por qué mantener muchas piezas en stock si puede imprimir una de manera simple y rápida?) y el proceso de adaptar la fabricación a productos especializados.

Por eso ha habido una carrera para convertir la impresión 3D en una nueva forma de producir piezas. Los proveedores de impresoras 3D desde hace mucho tiempo, incluidos Stratasys y 3D Systems, están introduciendo máquinas cada vez más avanzadas que son lo suficientemente rápidas para que las utilicen los fabricantes. El año pasado, HP presentó una línea de impresoras 3-D que, según la compañía, permitirá a los fabricantes crear prototipos y fabricar productos con nailon, un termoplástico ampliamente utilizado. Y el otoño pasado, GE gastó más de mil millones de dólares en un par de empresas europeas especializadas en la impresión 3D de piezas metálicas.

Esta hélice de acero acaba de ser impresa. Entre las palas de la hélice y el soporte metálico hay una fina línea de cerámica, que se convertirá en arena durante el proceso de sinterización, lo que permitirá que la pieza acabada se separe fácilmente del soporte.

La hélice después del procesamiento proporciona un ejemplo de una pieza de alto rendimiento que se puede fabricar con impresión 3D. Los ingenieros pueden usar el método para crear prototipos y optimizar diferentes diseños.

Pero la verdadera competencia para Desktop Metal probablemente no provenga del creciente número de empresas de impresión 3D. Por un lado, las impresoras 3D de HP, Stratasys (un inversor en Desktop Metal) y 3D Systems utilizan principalmente varios tipos de plásticos, no la gama de metales que la empresa de Fulop quiere utilizar en sus impresoras. Y las máquinas de gama alta de GE se superponen poco con las ambiciones de mercado de Desktop Metal. En cambio, es más probable que los verdaderos competidores de Desktop Metal sean tecnologías establecidas de procesamiento de metales. Estos incluyen técnicas de mecanizado automatizado, como el método utilizado para fabricar la carcasa trasera de aluminio ultradelgada de los iPhone, y una práctica en rápido crecimiento llamada moldeo por inyección de metal, una forma común de producir productos metálicos en masa.

Actores clave en la impresión 3D

• Empresa: Stratasys

  Tecnología: Una de las empresas originales de impresión en 3D, Stratasys fue fundada por Scott Crumb, el inventor del modelado por deposición fundida, la forma más común de imprimir piezas de plástico.
  Productos: Vende máquinas que pueden imprimir una variedad de fotopolímeros y materiales termoplásticos.

• Empresa: Carbono

  Tecnología: Esta startup de Silicon Valley ha desarrollado un novedoso proceso fotoquímico para fabricar piezas de varios plásticos, incluidos poliuretano y epoxi.
  Productos: Presentó un sistema modular para fabricantes esta primavera.

• Empresa: HP

  Tecnología: Su línea de máquinas explota la larga historia de la compañía con la impresión de chorro de tinta a través de lo que llama tecnología de fusión de chorro múltiple. Esto utiliza múltiples boquillas para impresión de alta velocidad y alta resolución.
  Productos: Presentó sus primeras impresoras 3D el año pasado. Las máquinas iniciales imprimen nailon, pero la compañía busca expandirse a otros materiales.

• Empresa: 3D Systems

  Tecnología: La primera empresa de impresión 3D, 3D Systems, fue fundada por Chuck Hull, el inventor de la estereolitografía, que utiliza la luz para formar piezas a partir de fotopolímeros. Ahora ofrece varios tipos de impresoras 3D, incluidas algunas que imprimen piezas de metal.
  Productos: Introdujo la última iteración de estereolitografía el año pasado.

En otras palabras, en lugar de simplemente tratar de superar a otras impresoras 3-D, Desktop Metal tendrá la difícil tarea de convertir a los fabricantes fuera de los métodos de producción que están en el corazón de sus negocios. Pero la existencia misma de este gran mercado establecido es lo que hace que la perspectiva sea tan intrigante. Fabricar piezas de metal, dice Fulop, es una industria de billones de dólares. E incluso si la impresión 3-D gana solo una pequeña parte, agrega, aún podría representar una oportunidad multimillonaria.

Demasiado caliente para imprimir

Mira alrededor. Los metales están en todas partes. Pero mientras que la impresión 3D se ha utilizado ampliamente en la fabricación de plásticos, el uso de la tecnología en la fabricación de piezas de metal se ha limitado estrictamente, dice Chris Schuh, jefe de ciencia e ingeniería de materiales en el MIT y cofundador de Desktop Metal. El procesamiento de metales es más un arte. Es un espacio muy desafiante.

La fabricación de objetos de metal mediante la impresión en 3D es difícil por varias razones. Lo más obvio es la alta temperatura requerida para procesar metales. La forma más común de imprimir plásticos consiste en calentar polímeros y expulsar el material por la boquilla de la impresora; el plástico luego se endurece rápidamente en la forma deseada. El proceso es lo suficientemente simple como para usarse en impresoras 3-D que se venden por alrededor de $1,000. Pero construir una impresora 3D que extruya metales directamente no es práctico, dado que el aluminio se funde a 660 °C, el acero con alto contenido de carbono a 1370 °C y el titanio a 1668 °C. Las piezas de metal también tienen que pasar por varios procesos de alta temperatura para garantizar la resistencia esperada y otras propiedades mecánicas.

Para hacer una impresora 3-D lo suficientemente rápida como para usarla en la fabricación de objetos metálicos, Desktop Metal recurrió a una tecnología que data de fines de la década de 1980. Fue entonces cuando un equipo de ingenieros del MIT dirigido por el cofundador de la empresa, Sachs, presentó una patente para tecnicas de impresion tridimensional . Describía un proceso de depositar una fina capa de polvo metálico y luego utilizar la impresión por chorro de tinta para depositar un líquido que une selectivamente el polvo. El proceso, que se repite durante cientos o miles de capas para definir una pieza de metal, puede crear piezas con una complejidad geométrica casi ilimitada. En la aplicación más común de la tecnología, el aglutinante actúa como un pegamento. Sin embargo, también se puede utilizar para depositar localmente diferentes materiales en diferentes lugares.

Los investigadores del MIT sabían que su método de impresión podría usarse para fabricar piezas de metal y cerámica, dice Sachs. Pero también sabían que era demasiado lento para ser práctico y que los polvos metálicos necesarios para el proceso eran demasiado caros en ese momento. Sachs se centró en otros intereses de investigación, incluido un esfuerzo por mejorar la fabricación de energía fotovoltaica (ver Orando por un milagro energético, ). En las siguientes décadas, la impresión 3D despegó y capturó la imaginación de muchos diseñadores de productos. Lo más famoso es que en 2009 se presentó una impresora 3D económica y fácil de usar de MakerBot, que atrajo a muchos inventores y expertos en autodenominación. Pero estas impresoras asequibles se toparon con la realidad de que estaban limitadas a usar unos pocos plásticos baratos. Además, aunque las máquinas pueden imprimir formas complejas, el producto final a menudo no es tan bueno como una pieza de plástico fabricada con tecnología convencional.

Primer plano de la tuerca de mariposa.

Desktop Metal imprimió el perno y la tuerca de mariposa por separado para demostrar que puede fabricar piezas con tolerancias estrechas.

Mientras tanto, los investigadores de fabricantes industriales como GE estaban ocupados avanzando en tecnologías basadas en láser inventadas a fines de la década de 1980 para la impresión de metales. Estas máquinas usan láseres, o, en algunos casos, haces de electrones de alta potencia, para dibujar formas en una capa de polvo metálico derritiendo el material. Repiten el proceso para construir un objeto tridimensional a partir de los polvos fusionados. La técnica es impresionante en sus capacidades, pero es lenta y costosa. Vale la pena solo para piezas de valor extremadamente alto que son demasiado complejas para fabricarlas con otros métodos. En particular, el nuevo motor a reacción de GE utiliza una serie de sofisticadas boquillas de combustible impresas en 3D; son más livianos y mucho más duraderos porque se les han incorporado intrincados canales de enfriamiento.

Los fundadores de Desktop Metal decidieron que para que la impresión 3D en metal fuera más accesible, tendrían que vender dos tipos diferentes de máquinas: un modelo de escritorio relativamente económico adecuado para diseñadores e ingenieros que fabrican prototipos, y uno que sea lo suficientemente rápido y grande para los fabricantes. Afortunadamente, varias innovaciones finalmente han hecho que la invención original de Sachs sea práctica para la producción en masa, incluido el desarrollo de la impresión por chorro de tinta de muy alta velocidad para depositar el aglutinante. Imprimiendo sucesivamente alrededor de 1500 capas, cada una de 50 micrómetros de espesor y depositadas en unos pocos segundos, la impresora a escala de producción puede construir una pieza de 500 pulgadas cúbicas en una hora. Eso es aproximadamente 100 veces más rápido de lo que una impresora 3D basada en láser puede hacer piezas de metal.

Para su máquina de creación de prototipos, Desktop Metal adoptó un método de impresión 3D a base de plástico. Pero en lugar de un polímero suavizado, utiliza polvos metálicos mezclados con un aglutinante de polímero fluido. La formulación se extruye utilizando el aglutinante impreso para agrupar el polvo metálico en las formas deseadas.

Sin embargo, ya sea que la pieza se imprima con la máquina de creación de prototipos o con el modelo de producción, el objeto resultante (parte aglomerante de plástico y parte de metal) carece de la fuerza de uno de metal. Así que entra en un horno de microondas especialmente diseñado para la sinterización, un proceso en el que se usa calor para hacer que el material sea más denso, produciendo una pieza con las propiedades deseadas. En una serie de pasos cuidadosamente calibrados durante el proceso de sinterización, el polímero se quema y luego el metal se fusiona a una temperatura muy por debajo de su punto de fusión.

el argumento de venta

Según las promesas de sus entusiastas, la impresión 3D reducirá la necesidad de fabricantes industriales y empoderará a los productores artesanales locales (ver La diferencia entre fabricantes y fabricantes, ). Es probable que la realidad sea muy diferente pero no obstante profunda. Muchos sectores de la producción industrial utilizan cada vez más la automatización y el software avanzado, y la impresión 3D mejora este movimiento continuo hacia la fabricación digital. En cierto modo, no se diferencia de un proceso de mecanizado automatizado que funciona a partir de un archivo digital para crear una pieza de metal. La diferencia de la impresión 3D es que ofrece formas de hacer objetos mucho más complejos y elimina muchas de las limitaciones que el proceso de producción impone a los diseñadores e ingenieros.

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También podría inspirar a los fabricantes a cambiar sus estrategias de logística y producción. Para cantidades relativamente pequeñas de productos, la impresión 3D podría ser más económica, ya que elimina los costos asociados con las herramientas, la fundición y los moldes necesarios para producir la mayoría de los objetos de metal y plástico. El tiempo y el dinero necesarios para configurar todo eso es una de las razones por las que a menudo se requiere la producción en masa si un fabricante quiere ganar dinero. Sin ese incentivo para comprometerse con la producción a gran escala, las fábricas podrían cambiar los programas de producción y responder mejor a la demanda, acercándose aún más a la fabricación justo a tiempo. John Hart, profesor de ingeniería mecánica en el MIT y cofundador de Desktop Metal, lo llama producción en masa personalizada. En lugar de tener grandes instalaciones que fabriquen una gran cantidad de piezas idénticas que deben enviarse a todo el mundo y almacenarse, los fabricantes pueden mantener fábricas dispersas que fabrican un conjunto diverso de productos, aumentando la producción según sea necesario. Las implicaciones en una década o dos probablemente estén más allá de nuestra imaginación, dice Hart. Realmente no creo que sepamos qué haremos con estas tecnologías.

Por ahora, el desafío para Desktop Metal es poner sus equipos en manos de diseñadores e ingenieros que sean responsables de la próxima generación de productos de sus empresas. Este invierno, Fulop se estaba preparando para exhibir el producto inicial de la empresa, la máquina de creación de prototipos, en una feria comercial en Pittsburgh a principios de mayo. (La impresora 3D de producción está programada para estar disponible el próximo año). Su tarea sería convencer a los asistentes de que gastar $ 120,000 en la impresora de prototipos y el horno de sinterización de Desktop Metal es esencial para el futuro de sus empresas.

Una de las principales ventajas de la impresión 3D es su capacidad para crear estructuras complejas, incluidas las redes internas de una pieza metálica. Estas estructuras podrían utilizarse para fabricar piezas más ligeras y resistentes.

Es un trabajo de ventas para el que Fulop está bien preparado. Ha iniciado más de media docena de empresas, comenzando con una que importaba hardware y software de computadora que fundó cuando tenía 16 años y aún vive en su Venezuela natal. Probablemente sea mejor conocido por fundar A123 Systems, una compañía de baterías que fue una de las empresas emergentes de más alto vuelo a fines de la década de 2000, que culminó con una oferta pública inicial de $ 371 millones en 2009. La compañía se basó en una nueva tecnología de iones de litio desarrollada por Yet -Ming Chiang, profesor del MIT que también es cofundador de Desktop Metal. Al igual que su startup actual de impresión en 3D, A123 esperaba aplicar la experiencia en ciencia de materiales para revolucionar un mercado enorme.

También podría inspirar a los fabricantes a cambiar sus estrategias de logística y producción.

Aunque A123 disfrutó de un rápido crecimiento y una oferta pública inicial de gran éxito, la empresa se declaró en quiebra en 2012 (Fulop se fue en 2010). Pregúntele a Fulop la lección de A123 y él simplemente dice: las baterías son un mercado de bajo margen. De hecho, el A123 luchó para competir en un negocio de baterías cada vez más concurrido, y no ofreció una mejora de rendimiento lo suficientemente radical con respecto a las baterías de iones de litio establecidas como para conquistar de inmediato un mercado incipiente de vehículos híbridos (ver Tecnología de A123 simplemente no era lo suficientemente buena ).

Los desafíos que enfrentará Desktop Metal serán muy diferentes. Ya existe un enorme mercado para las piezas de metal. Y la startup cree que su tecnología, al menos a corto plazo, tendrá pocos competidores directos. Chiang señala la cartera de patentes realmente rica de la startup. No son solo los materiales; son las técnicas, es el horno [de sinterización], dice. Cuanto más difícil sea la tecnología, mayor será la barrera de entrada que construyas si tienes éxito.

En su oficina, Chiang tiene una caja de madera que contiene media docena de espadas, prestadas por el Museo de Bellas Artes de Boston, que se fabricaron en la década de 1970 utilizando técnicas tradicionales japonesas. Chiang usa las espadas en la enseñanza. La lección: cómo los artesanos usaron los secretos de la metalurgia para convertir el mineral de hierro en el producto final: una espada de acero ultra afilada y ligeramente curvada. Mostrando las espadas, Chiang señala algunos de sus detalles, explicando los trucos que utilizaron sus creadores, como el método de enfriamiento utilizado para crear un borde extremadamente duro y un cuerpo más suave. De vuelta en su escritorio, su atención nuevamente en Desktop Metal, está igualmente entusiasmado al describir los objetos de metal recientemente impresos por la empresa y en exhibición en sus instalaciones. Lo emocionante es la idea de que realmente puedes hacer estas partes, dice Chiang. Unas pocas horas, y aquí hay una parte que ni siquiera podías hacer antes.

No reemplazará técnicas de producción centenarias como la forja y la fundición de metales, pero la impresión 3D podría crear nuevas posibilidades en la fabricación y, tal vez, reimaginar el arte de la metalurgia.

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