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Rentabilidad de la Manufactura Aditiva.


Las primeras tres décadas de su existencia, las impresoras 3D estaban limitadas por su complejidad y costo a grandes empresas y oficinas de servicios. A comienzo de la década del 2010, debido a software mas avanzado, patentes expiradas y maduración de tecnología, cientos de compañías entraron al mercado y lo inundaron de impresoras 3D. Una burbuja rápidamente apareció. La primer tecnología que se encontró disponible para su uso de escritorio fue la de Fuse Deposition Modeling (FDM). Impresoras 3D que derriten y selectivamente depositan plástico, se volvieron realmente asequibles para los consumidores, pero sus capacidades eran limitadas. La excitación por el surgimiento rápidamente se transformó en desilusión y el sueño de que las impresoras 3D se convertirían en herramientas esenciales en todo hogar nunca se materializó. Sin embargo, apartado del volátil mercado de impresoras 3D para consumidor común, las tecnologías de manufactura aditiva continuaron avanzando rápidamente. Impresoras enfocadas hacia profesionales para su uso en ingeniería, prototipado y manufactura comenzaron a cruzar marcadores críticos en cuanto a calidad, fiabilidad y costo se refiere. La segunda tecnología en estar disponible en un formato mas asequible, compacto y fácil de usar fue el de la estereolitografía (SLA). Impresoras profesionales con un costo de $80,000 dólares se encontraban en el mercado por un costo de hasta $3,300 dólares. Con un amplio rango de materiales, el desarrollo de la tecnología expandió la utilización de la impresión 3D a los campos de diseño de productos e ingeniería, así como también en las industrias de la odontología y joyería. La tercera ola de impresoras 3D disponibles para su uso de escritorio fue de las basadas en la tecnología Selective Laser Sintering (SLS), que ha sido una tecnología esencial para uso industrial. A diferencia de otras tecnologías disponibles en formatos de escritorio, SLS crea partes excepcionalmente robustas a base de termoplásticos, como el nylon, que son casi tan resistentes como sus contrapartes manufacturadas a base de tecnologías de inyección o moldeado. E En el 2016, la impresora SLS de menor precio rondaba los $200,000 dólares (pudiendo algunas alcanzar varios millones de dólares). En 2019, Benchtop SLS printers contaba con una impresora SLS en el rango de los $10,000 dólares. Ventas de impresoras 3d de escritorio e industriales (unidades) Ingresos de productos y servicios de impresión 3D (millones de dólares)


La impresora 3D no se ha convertido en el electrodoméstico que sus más ávidos entusiastas predijeron a partir del 2010, pero si esta marcando caminos definidos en los mercados en masa. Mientras la creación de archivos CAD es aún el campo de técnicos entrenados y capaces, la impresión 3D al alcance del consumidor ha sido bien aprovechada en las escuelas. Finalmente, aunque la mayoría de las personas no estén imprimiendo sus propios objetos 3D, la cantidad de productos manufacturados con esta tecnología crece más cada año. Cultura creadora. Aproximadamente en los últimos quince años, un interés por desarmar cosas (Y posiblemente anular la garantía) ha resurgido, así como de crear cosas en casa o escuela. Al momento en que las clases de taller en las escuelas de estados unidos bajaron de popularidad, en parte porque las mismas escuelas enfatizaban más en educación preuniversitaria, una “cultura creadora” ha emergido. Esta cultura ha florecido por muchas razones: · La posibilidad de crear productos físicos (sean bufandas, robots o artículos decorativos) otorga un sentimiento de logro, que el análisis y manipulación simbólico abstracto no logra. · Las computadoras han declinado en importancia y en cambio los teléfonos inteligentes, tablets y otras herramientas han unido el computo a la vida diaria en vez de aislarlos a una caja o un escritorio. · El mismo impulso que dio nacimiento a la cultura de los autos “hot rod” en los 60’s y 70’s pueden encontrar una expresión no en automóviles (Que son mucho menos intuitivos de modificar al nivel de hardware debido a todos los sistemas computacionales de controles) pero si en la modificación de drones, elaboración de cerveza casera e incluso ciencias de la vida (Como en el ámbito del DIY). · Tanto el crowdsourcing como el crowdfounding permiten a los usuarios llevar sus creaciones al mercado y permitir a los creadores de baja escala encontrar audiencias para productos únicos como en Etsy. · La ética de código abierto a influenciado a muchos creadores a adoptar una actitud similar en cuanto al conocimiento y el diseño de hardware: planes y consejos disponibles, muy seguido en formato de video, facilita a las personas para que aprendan nuevas habilidades o sean inspirados con pensamiento inteligente. ·Instancias físicas de esta cultura, ya sea “espacios para creadores” o convenciones de creadores (que atraen a miles de personas), contribuyen a la vitalidad de ideas y recursos en línea. Proyecto RepRap El proyecto RepRap comenzó en Inglaterra en 2005 como una iniciativa de la Universidad de Bath para desarrollar una impresora de bajo costo que puede imprimir la mayoría de sus propios componentes, pero es hoy en día conformada por millones de colaboradores alrededor del mundo. RepRap deriva de Replicating Rapid Prototype (Replica de prototipo rápido). Debido a la habilidad de la maquina para crear algunas de sus propias partes, los autores envisionaron la posibilidad de unidades de RepRap baratas, permitiendo la manufactura de productos complejos sin la necesidad de una infraestructura industrial extensa. Intentaron que RepRap demostrara la evolución de este proceso asi como de que incrementara en números exponencialmente. Un estudio preliminar concluyo que utilizar RepRaps para imprimir productos comunes resultaba en ahorros económicos.


Por qué utilizar Manufactura Aditiva? Utilizando tecnologías tradicionales o convencionales como maquinado o moldeo por inyección tiene muchas ventajas. Todas las técnicas substractivas pueden lograr un acabado tipo espejo, y pueden realizar detalles con micras de tolerancia en casi todos los materiales disponibles. El moldeo por inyección puede ser largo de configurar, pero una vez se hace, el volumen de producción (producciones de partes por unidad de tiempo) será muy alto, que es comúnmente la única forma de alcanzar la producción en masa. Pero los retos industriales se vuelven cada vez mas y mas complicados, a un nivel que a veces la geometría necesaria no se puede conseguir con técnicas convencionales. A veces, esto sucede por la accesibilidad de la herramienta o debido a que el molde tiene que ser abierto para recoger la pieza sin dañarla, o simplemente la producción es demasiado baja (un solo prototipo) para ser costo-efectiva y justificar el costo de la herramienta necesaria para fabricarla.

Esas limitaciones contundentes mencionadas anteriormente podrían prevenir que una pieza sea manufacturada de una forma mas ligera, mas eficiente, o sin la posibilidad de producir la cantidad necesaria de prototipos lo suficientemente rápido para iterarla y mejorarla. En adición, las capacidades de las tecnologías tradicionales, en relación con el costo, pueden ser sumarizadas de forma vaga en una sola imagen, en la que aparecen las oportunidades ligadas a la manufactura aditiva: Oportunidades costo-efectivas (Área verde) para AM comparadas con la manufactura convencional. En la imagen se puede apreciar lo que es preferible realizar con manufactura convencional (CM) y lo que es económicamente mas atractivo para realizar con manufactura aditiva (AM). Observando la cantidad de piezas producidas en la forma tradicional, es bien sabido que lo más idénticas sean las piezas producidas por la máquina, lo menor que será el costo del lote. Si el tamaño del lote es muy bajo, el costo de la herramienta podría volverse demasiado costoso para producir, lo que puede volverse improductivo. Esto es representado por la curva azul, con la línea punteada siendo el límite.


En términos de complejidad geométrica relacionados con el costo de maquinado convencional, la tendencia es mas parecida a la curva roja. Baja complejidad significa bajo costo, y si la parte es demasiado compleja para la tecnología, la parte se vuelve demasiado costosa o ni siquiera es posible construir la pieza por razones técnicas. Ventajas de la Manufactura Aditiva. La manufactura aditiva puede tener muchas ventajas: · Con un diseño optimo, mucho menor material será desperdiciado comparado con maquinado. · Gracias a la construcción de capa por capa, el acceso al interior de la parte se vuelve fácilmente accesible, permitiendo al diseñador crear diseños mucho mas complejos (Cavidades internas, estructuras más livianas, canales…) que con técnicas convencionales. · La manufactura de un solo paso no hace necesaria el uso de herramienta extra durante la fase de manufactura. No es necesario un molde o aparato especial para posicionar la parte en la maquina. · Un amplio rango de materiales esta actualmente disponible en la forma de polímeros, metales y cerámicas · Vagamente, uno podría decir que la complejidad geométrica no incrementa el costo, en otras palabras, hacer una parte muy ligera, hecha de una red 3D, con canales y bizagras integradas, costaría casi lo mismo que un cubo con el mismo tamaño y volumen de material. Este es en absoluto el caso para las tecnologías convencionales. · Se vuelve posible producir diferentes piezas (en tamaño, complejidad.) de una sola vez, cuando en cambio un molde solo puede producir el articulo para el que fue diseñado. Particularmente de interés para aplicaciones médicas como implantes personalizados. · Algunas tecnologías pueden producir partes constituidas de diferentes materiales en una sola vez. · Algunas funcionalidades (Resortes, bisagras, engranes, ejes rotativos…) pueden ser agregados al diseño a manufacturar. Esto no requeriría trabajo extra de post ensamblado, sino que estarían integrados justo al salir de la impresora · El tiempo necesario para producir una pieza con un volumen standard (300 x 300 x 400 mm3) es usualmente menor a una semana desde el borrador a CAD a una pieza final lista para usarse. Muy conveniente inclusive para el desarrollo iterativo temprano de un producto que debe ser manufacturado por medio de moldeo de inyección. · Personalización, etiquetado, texturizado, canales de enfriamiento, reducción de peso… , se vuelven mucho más. Desventajas de la Manufactura Aditiva. Pero hay, por supuesto, algunas limitaciones que hay que tener en cuenta:


· La mejor exactitud geométrica que se puede lograr es de 0.1mm en maquinas AM estándares, para una parte menor a 100mm. Para partes de mayor tamaño, 0.1% debe ser considerado. Este valor puede incluso alcanzar 0.3% dependiendo del material, tecnología y parte. · La limitación máxima del tamaño de pieza puede prevenir al diseñador de manufacturar grandes partes como parachoques de autos o mesas, en una sola impresión. En promedio, hoy en dia, el máximo tamaño posible en maquinas de grado industrial es de aproximadamente 800mm. Pero algunas técnicas fuera del estándar pueden crear un molde en arena con las dimensiones de 4,000 x 2,000 x 1,000 mm o incluso casas con muros de concreto. · Muchas tecnologías de Manufactura Aditiva requieren un soporte de estructura. A grandes rasgos, esta estructura conecta la pieza construida con la plataforma de construcción. Esto previene a las piezas de moverse durante la manufactura y las mantiene sujetas. Este soporte es construido al mismo tiempo que la pieza es construida. Desafortunadamente, esta estructura tiene que ser removida después de la manufactura y por ende requerirá de un post procesamiento para retirar la estructura de soporte. · Justo después de la manufactura, en algunas tecnologías, el material crudo se encuentra en todos lados, alrededor de toda la pieza, dentro de cavidades, hendiduras, canales… Y si el diseño no toma en cuenta estos hechos en consideración, este material crudo puede ser muy complicado de remover, especialmente en espacios pequeños. ·Algunas técnicas producen partes con propiedades mecánicas anisotrópicas, especialmente en maquinas de bajo costo y a “gran” grosor de capas (> 100 µm). Pero para la mayoría de las tecnologías, esta característica anisotrópica no esta fuertemente marcada. ¿Que determina el costo de un servicio de impresión 3D? El capital es la piedra angular en la decisión del servicio correcto de impresión 3D. Por lo tanto es importante conocer los factores que determinan la cantidad de capital que se necesita para imprimir o contratar un servicio de impresión. El costo de las impresoras 3D Las impresoras 3D están disponibles en el mercado con diferentes tecnologías, características y sofisticación que afecta su costo y asi también como la calidad, costo y cantidad de las piezas a imprimir. La impresión 3D es una tecnología aditiva que involucra la fabricación de un modelo 3D a partir de un modelo CAD. Sin embargo, como las impresoras 3D operan basadas en diferentes tecnologías, tanto como el esquema de funcionamiento, la rapidez de producción, los materiales compatibles, el post procesamiento y lo mas importante, como el costo de las piezas impresas, varían de modelo a modelo. Entre las diferentes tecnologías utilizadas en la impresión 3D, algunas sobresalen cuando se compara su costo y su calidad de impresión. Una de estas tecnologías es la de Fused Deposition Modeling (FDM) que involucra la construcción de piezas a través del derretimiento, extrusión y deposición de filamentos termoplásticos. Las impresoras 3D del proceso FDM son las impresoras de menor costo disponibles en el mercado. Otra de estas tecnologías es la de Estereolitografía (SLA) que utiliza un láser para curar resina y convertirla en un plástico duro. Esta tecnología es de un alto costo debido a su lato detalle, precisión y versatilidad. Otras de estas tecnologías incluyen Selective Laser Sintering (SLS), Selective Laser Melting (SLM) y Direct Metal Laser Sintering (DMLS), todas estas con un costo mayor al de otras tecnologías debido a su rareza.


· Costo de configuración de una impresora 3D Configurar una impresora 3D puede convertirse en una tarea difícil si se hace por mano propia. Es por esto que muchas personas queriendo evitar dañar su impresora recurren a la ayuda de técnicos, aunque claro, esto conlleva un costo extra. No existe un costo promedio de una configuración para una impresora 3D ya que le precio varia de la experiencia del técnico y de la sofisticación de la impresora. Por ejemplo, para las impresoras 3D del proceso FDM, el costo de configuración ronda de los $200 - $1000 dólares. · Costo de operación de una impresora 3D Para contestar a la pregunta, ¿cuánto cuesta imprimir en 3D? es importante conocer cuanto es que cuesta la operación de una impresora 3D. Digamos que se decide comprar una impresora de $2000 dólares que se planea utilizar por 10 horas todos los días por 2 años. Ahora, ignorando el costo de reparaciones, mantenimiento y electricidad, calculemos 10 horas X 365 días X 2 años = 7300 horas $2000 ÷ 7300 = ~$0.27/hr Con este simple calculo, podemos concluir que el costo de operar esta impresora 3D de $2000 dólares seria de $0.27/hr. En relación a esto, un modelo 3D que toma 3 horas para imprimirse costara aproximadamente (0.27 x 3) $0.81 Por lo tanto, el conocimiento del costo de la impresión de un modelo 3D es determinante del costo del servicio de impresión 3D. · Costo de mantenimiento Las impresoras 3D son capaces de producir piezas de la mayor calidad y definición, pero sin mantenimiento, su rendimiento y calidad de impresión disminuirá. Como otras máquinas, una impresora 3D necesita un mantenimiento correcto. Sin embargo, esto conlleva un costo. Los costos de mantenimiento comprenden el costo de reemplazar las partes de una impresora 3D y la limpieza de dichas partes. Dependiendo de las partes y de la sofisticación de la impresora, esto podría llegar a costar unos cientos de dólares. Por ejemplo, para una impresora FDM, el costo de mantenimiento varia de los $200 a los $500 dólares. Si se requiere un experto, el costo subirá. · Costo del material La cantidad de los materiales disponibles para la impresión 3D sigue incrementando a medida que el conocimiento del proceso sigue avanzando. Esto incrementa la flexibilidad al manufacturar productos, sus características y el costo de la impresión de partes 3D. El efecto de los materiales en las piezas impresas en 3D y su costo es profundo, ya que su accesibilidad, rareza, etc. lo vuelve un factor importante. Los materiales mas comunes utilizados en la impresión 3D son:

· Polvo y filamento. El polvo y los filamentos son los dos tipos de material mas baratos y utilizados en la impresión 3D. Son termoplásticos, es decir, cuando se derriten, se pueden remodelar hasta que se logre la forma deseada. Aficionados de la impresión 3D prefieren utilizar estos tipos de materiales (comúnmente PLA y ABS) por que son de bajo costo. Por ejemplo, los filamentos se pueden encontrar en el marcado desde un precio de $20 dólares por Kg. Sin embargo, aunque baratos, utilizar estos materiales en la producción de piezas que requieren alta calidad es difícil, ya que es necesario invertir tiempo y dinero a la perfección de modelos hechos con estos materiales.

· Resinas Las resinas son posiblemente el mejor material para la impresión 3D debido a que son fáciles de trabajar. Aunque, a diferencia de los polvos y los filamentos, son bastante costosos. Por lo tanto, trabajar con ellos sin duda elevara el costo de las partes impresas. · Materiales de gama alta El costo de un servicio de impresión 3D tiende a elevarse cuando se utilizan materiales de gama alta. Los materiales de gama alta, no son fáciles de conseguir por no ser comunes, haciéndolos mas costosos. Por ejemplo, trabajar con metales como titanio, cobalto, aluminio, nickel y aleaciones de acero. Este es también en parte por la necesidad de tecnología especializada como DMLS. · El tamaño y la complejidad de un modelo 3D Al diseñar partes para ser impresas en 3D, un modelo 3D de la pieza es esencial para lograr una impresión 3D precisa, ya que el modelo provee de los detalles necesarios para la producción. Después de conseguir el modelo 3D es más fácil estimar el costo de una pieza impresa en 3D o de un servicio de impresión. La complejidad y el tamaño del modelo afecta el precio final de la impresión 3D. Los diseños complejos podrían necesitar una tecnología de impresión mas sofisticada y por ende elevar el costo de la pieza. Comprender la complejidad y el tamaño de un modelo 3D evitara el desperdicio tanto de capital como de tiempo.

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