Resumen
Los fabricantes de automóviles están utilizando la fabricación aditiva para acelerar el desarrollo de productos, reducir los plazos de entrega de las herramientas, facilitar la producción de series cortas y fabricar piezas de recambio bajo demanda. Esta guía analiza las principales aplicaciones, ventajas, retos, materiales y tecnologías que están dando forma a la impresión 3D en el sector de la automoción, junto con ejemplos reales de cómo los fabricantes están poniendo en práctica la fabricación aditiva.
La fabricación aditiva (FA) en el sector de la automoción es el proceso de crear componentes para vehículos mediante la superposición de capas de materiales a partir de modelos digitales en 3D. Permite la creación rápida de prototipos, la producción de geometrías complejas y la fabricación de piezas ligeras que la fabricación tradicional no puede lograr. Esta tecnología reduce el desperdicio de material y acorta las cadenas de suministro.
En el sector de la automoción, la AM está presente en todas las etapas de la vida útil de un vehículo: modelos conceptuales, prototipos funcionales, utillaje de producción, ayudas a la fabricación, piezas de recambio y componentes para uso final. Los materiales varían en función de lo que se esté fabricando: termoplásticos de ingeniería, fotopolímeros, compuestos y metales.
La fabricación tradicional suele implicar el uso de moldes, matrices o mecanizado antes de poder producir nada. La fabricación aditiva se salta ese paso y construye directamente a partir de un archivo digital. Eso es lo que la hace útil cuando un diseño cambia en el último momento o cuando se necesitan piezas bajo demanda sin tener que invertir dinero primero en utillaje.
El atractivo para los fabricantes de automóviles radica en el tiempo. La validación del diseño puede realizarse en una fase más temprana del proceso. Las herramientas que antes tardaban semanas en estar listas ahora pueden estarlo en cuestión de días. Las piezas pueden fabricarse bajo demanda, en lugar de tener que esperar a los moldes, las piezas fundidas o los plazos de entrega de los proveedores.
General Motors redujo los plazos de entrega de las herramientas para la cadena de montaje de nueve semanas a dos al pasar a alternativas fabricadas mediante fabricación aditiva. Karsan redujo los costes de determinados componentes hasta en un 80 % simplemente trasladando la producción a sus propias instalaciones. Toyota, Subaru y NASCAR también recurren a la fabricación aditiva, no solo para las herramientas, sino también para piezas de desarrollo y ayudas al montaje.
Así pues, tanto si su objetivo es acelerar un lanzamiento, reducir los costes de utillaje, facilitar la producción de bajo volumen o mejorar la agilidad, la fabricación aditiva es la solución.
Muchas personas asocian la fabricación aditiva con la creación rápida de prototipos, pero los fabricantes de automóviles la utilizan ahora a lo largo de todo el ciclo de vida del producto. Las mismas impresoras 3D que utilizan para validar diseños también pueden producir utillaje de producción, piezas de uso final y piezas de recambio.
Trabaja directamente a partir del archivo digital y verás cómo se reducen los plazos de entrega, así como las dificultades que supone responder a un cambio de diseño de última hora. También cambia tu forma de concebir el inventario. En lugar de almacenar piezas que quizá necesites de vez en cuando, las imprimes cuando llega el pedido.
La fabricación aditiva se utiliza en toda la industria de la automoción para acelerar el desarrollo de productos, mejorar la eficiencia de la fabricación y respaldar la producción. Algunas de las aplicaciones más comunes son:
La creación rápida de prototipos sigue siendo el uso más habitual de la fabricación aditiva en el sector de la automoción. Los ingenieros imprimen modelos conceptuales, prototipos de diseño y piezas funcionales directamente a partir de archivos CAD, lo que significa que un diseño puede evaluarse, modificarse y volver a probarse sin tener que esperar a que se fabriquen las herramientas o a un proveedor externo.
Un prototipo sirve para responder a una pregunta: si algo encaja, tiene el aspecto adecuado o funciona como se supone que debe hacerlo. La fabricación aditiva obtiene esas respuestas en cuestión de días en lugar de semanas, por lo que los ingenieros pueden detectar problemas y tomar decisiones en una fase más temprana del proceso.
La reducción de peso suele ocupar uno de los primeros puestos en la lista de prioridades. Un vehículo más ligero ofrece un menor consumo de combustible, una mayor autonomía en modo eléctrico y un mejor rendimiento general.
La fabricación aditiva ofrece a los ingenieros varias formas de lograrlo: optimizando la geometría de las piezas, eliminando material innecesario o combinando varios componentes en una sola pieza impresa. También abre la puerta a estructuras reticulares internas que serían difíciles, o imposibles, de mecanizar o moldear de forma convencional.
Además, las ventajas no se limitan a las piezas de los vehículos. Los fabricantes también están sustituyendo las herramientas de metal pesado por versiones más ligeras de polímero, que resultan más cómodas para los operarios y suponen menos esfuerzo para los equipos.
En los programas de vehículos eléctricos, cada gramo de reducción de peso se traduce directamente en una mayor autonomía de la batería. La fabricación aditiva permite a los ingenieros optimizar los diseños de soportes y carcasas para lograr una masa mínima sin comprometer la integridad estructural. Las tecnologías FDM y SAF de Stratasys son compatibles con los termoplásticos de grado técnico utilizados en las carcasas de las baterías de los vehículos eléctricos, las carcasas de los motores y los componentes estructurales del interior.
Los soportes de montaje, los dispositivos de inspección, las guías de taladrado, las herramientas para el extremo del brazo robótico… La mayoría de los elementos auxiliares de fabricación que se utilizan en una línea de producción pueden imprimirse en 3D. En comparación con el mecanizado o la subcontratación, esto suele suponer plazos de entrega que se miden en días en lugar de semanas, y utillaje que resulta fácil de modificar en cuanto cambia el diseño.
Algunos ejemplos de cómo se aplica esto en la práctica:
Siempre que un programa de vehículos requiere variaciones, ediciones especiales u opciones específicas para el cliente, la fabricación aditiva suele demostrar su utilidad. Esto es especialmente cierto en categorías de bajo volumen, como los vehículos de lujo, los deportes de motor, los prototipos y las series de producción limitada, donde los costes de las herramientas tradicionales son difíciles de justificar en relación con el número de unidades fabricadas.
Dado que las piezas se obtienen directamente a partir de un archivo digital sin necesidad de utillaje nuevo para cada variante, los fabricantes pueden producir componentes de interior a medida, características personalizadas, paquetes de acabado en series reducidas y piezas especiales de forma mucho más eficiente de lo que permiten los métodos convencionales.
En lugar de almacenar grandes cantidades de piezas durante años, los fabricantes pueden disponer de un archivo digital y imprimir piezas de recambio solo cuando sean necesarias. Este cambio resulta especialmente importante para el servicio posventa, los vehículos antiguos y los programas de bajo volumen, es decir, en cualquier ámbito en el que resulte difícil prever la demanda, y permite evitar el coste que supone la fabricación de utillaje para una pequeña tirada de producción.
Un ejemplo es cómo Stratasys Direct Manufacturing ayudó a restaurar el coche de carreras Sampson Special de 1930 reproduciendo componentes obsoletos del radiador mediante la tecnología PolyJet™, sin necesidad de recrear el utillaje original.
La fabricación aditiva metálica se utiliza en el sector de la automoción para estructuras ligeras, intercambiadores de calor y componentes de alto rendimiento con geometrías internas complejas.
Aunque somos más conocidos por la fabricación aditiva con polímeros, también ofrecemos soluciones de fabricación aditiva con metales a través de la tecnología MoldJet® de Tritone.
Sin embargo, cuando la gente oye «metal», suele pensar en piezas metálicas de producción. Pero muchos fabricantes de automóviles obtienen más valor al sustituir las herramientas metálicas que al sustituir las piezas metálicas de uso final. Los sistemas de impresión 3D de polímeros de Stratasys se utilizan ampliamente para sustituir utillajes metálicos mecanizados, reducir el peso de los utillajes, fabricar utillajes para el conformado de chapa y crear piezas de polímero con recubrimiento metálico cuando se requiere un aspecto metálico, blindaje contra interferencias electromagnéticas (EMI) o propiedades superficiales específicas.
La fabricación aditiva aporta valor a lo largo de todo el ciclo de vida de los productos del sector de la automoción, ya que ayuda a los fabricantes a acelerar el desarrollo, mejorar la eficiencia de la producción, reducir los costes y crear cadenas de suministro más resilientes.
La fabricación aditiva acorta la distancia entre una idea y una pieza física. Los ingenieros pueden probar conceptos, validar diseños y realizar cambios sin tener que esperar a que estén listas las herramientas o a que finalice el plazo de entrega de un proveedor. General Motors redujo los plazos de entrega de nueve semanas a dos tras pasar a la impresión 3D.
La fabricación tradicional tiende a funcionar por sustracción, mecanizando, cortando y recortando material. La fabricación aditiva funciona al revés, creando únicamente lo que la pieza realmente necesita.
Esto es especialmente importante en geometrías complejas y series de producción pequeñas, donde el desperdicio generado por los métodos convencionales se acumula rápidamente. Los procesos basados en polvo van aún más allá, ya que el material no utilizado a menudo puede recuperarse y reutilizarse. El SAF™ ReLife™ PA12 es un buen ejemplo.
Parte de la ventaja energética de la fabricación aditiva proviene de la simplificación del propio proceso: menos utillaje, menos pasos de montaje y la opción de producir piezas más cerca del lugar donde se van a utilizar realmente. El software también desempeña un papel importante, ya que optimiza la orientación de la construcción y las estructuras de soporte, lo que reduce el desperdicio de material y las reimpresiones.
Si sumamos la reducción del transporte, el almacenamiento y el utillaje, junto con la disminución de las ineficiencias en la propia fabricación, se observa un ahorro energético real.
Las piezas de recambio suelen requerir espacio de almacén, y mucho. La fabricación aditiva ofrece un modelo diferente: conservar el diseño como archivo digital e imprimir la pieza solo cuando sea realmente necesaria.
Esto reduce el almacenamiento, minimiza el riesgo de que las piezas queden obsoletas en una estantería y facilita enormemente el mantenimiento de vehículos antiguos o de baja producción. La restauración del Sampson Special es un buen ejemplo: Stratasys Direct Manufacturing reprodujo piezas de radiador obsoletas para el coche de carreras de 1930 en lugar de fabricar el utillaje desde cero.
La fabricación aditiva puede reducir los costes al eliminar el utillaje, acortar los ciclos de desarrollo, reducir las necesidades de inventario y permitir flujos de trabajo de producción más eficientes.
El ahorro puede ser considerable. Por ejemplo:
La fabricación aditiva se ha ganado un lugar de verdad en la fabricación de automóviles, pero no sustituye de forma universal a los métodos tradicionales. Como cualquier proceso, tiene un punto óptimo, y saber dónde está es tan importante como saber de qué es capaz.
En grandes volúmenes, el moldeo por inyección y el estampado siguen siendo difíciles de superar en cuanto a costes. Una vez fabricados los utillajes, el coste por pieza desciende considerablemente y se mantiene bajo. La fabricación aditiva tiene más sentido en el otro extremo del espectro: prototipos, utillajes, piezas de recambio y series de bajo volumen, donde la inversión inicial en utillajes resulta difícil de justificar desde el principio.
[H3] Velocidad de impresión y rendimiento
Aunque las tecnologías de fabricación aditiva siguen mejorando, la producción de miles o millones de piezas idénticas sigue siendo más rápida con muchos procesos de fabricación convencionales. La fabricación aditiva se utiliza a menudo cuando la flexibilidad, la rapidez de comercialización o la libertad de diseño son más importantes que el volumen máximo de producción.
Cada pieza de un vehículo debe superar estrictos requisitos de calidad y rendimiento, y las piezas fabricadas mediante fabricación aditiva no son una excepción. A medida que la fabricación aditiva se va incorporando a la producción, existen procesos como el Proceso de Aprobación de Piezas de Producción (PPAP) para confirmar que una pieza impresa cumple realmente con el estándar de ingeniería que se espera de ella.
El PPAP valida que un proceso de fabricación puede producir de forma consistente piezas que cumplan con las especificaciones de ingeniería. En el caso de los componentes fabricados mediante fabricación aditiva, esto implica documentar las propiedades de los materiales, la precisión dimensional y la repetibilidad del proceso a lo largo de las series de producción. Stratasys Direct admite flujos de trabajo PPAP completos para piezas impresas en 3D aptas para la producción.
Los materiales siguen mejorando, pero todavía no existe un único material de fabricación aditiva que sirva para todo. Resistencia mecánica, resistencia al calor, durabilidad, resistencia química, acabado superficial… Los ingenieros deben sopesar todos estos factores antes de elegir uno. Elegir el material adecuado acaba siendo tan importante como elegir el proceso adecuado.
Stratasys ofrece apoyo a lo largo de todo el ciclo de vida de los productos del sector de la automoción, desde el desarrollo del concepto hasta la fabricación, pasando por la creación de prototipos rápidos, el utillaje de producción, las piezas para uso final y los servicios de fabricación.
Los equipos de diseño recurren a PolyJet™ y a la estereolitografía Neo® cuando los modelos conceptuales y los prototipos deben tener el aspecto y las dimensiones correctas, con detalles precisos, un acabado superficial limpio y una gran precisión dimensional. Esto los convierte en la opción ideal para revisiones de diseño, pruebas aerodinámicas, estudios de ajuste y forma, y validación funcional.
La tecnología FDM® se utiliza ampliamente en el taller: plantillas, accesorios, calibres, guías de taladrado, herramientas para el extremo del brazo robótico y herramientas de conformado de chapa. Los termoplásticos de ingeniería aportan a estas herramientas la resistencia y durabilidad suficientes para soportar el uso diario, al tiempo que reducen tanto el plazo de entrega como el coste de su fabricación.
La tecnología SAF® está diseñada para la fabricación repetible de piezas de polímero con calidad de producción, lo que la convierte en una opción ideal para la fabricación puente, las piezas de recambio y las series de bajo volumen en las que el utillaje tradicional simplemente no resulta rentable.
Cuando una pieza debe acercarse a la calidad del moldeo por inyección, la tecnología P3™ DLP suele ser la solución. Su alta precisión, su excelente acabado superficial y sus propiedades mecánicas uniformes la convierten en una opción habitual para prototipos funcionales, utillaje de producción y piezas de producción en tiradas cortas.
No todos los fabricantes necesitan invertir en equipos de fabricación aditiva. Stratasys Direct® ofrece servicios de producción bajo demanda, lo que permite a las empresas del sector de la automoción acceder a una amplia gama de tecnologías de fabricación aditiva, materiales, servicios de acabado y flujos de trabajo compatibles con PPAP para aplicaciones de producción.
