Impresión 3D en el sector del automóvil

La impresión 3D, o fabricación aditiva, es una técnica de producción que crea un objeto tridimensional a partir de un archivo de diseño asistido por ordenador (CAD). El término abarca varios procesos diferentes, todos ellos con uno o más materiales -típicamente plástico, metal, cera o composite- que se depositan capa a capa para construir una forma.

Todo el proceso se controla por ordenador. Esto hace que la impresión 3D sea un método rentable, eficiente y preciso para crear objetos de casi cualquier geometría o complejidad. En la actualidad, la impresión 3D se utiliza en todos los sectores para producir desde prototipos, herramientas y plantillas hasta componentes y piezas de uso final.

Las impresoras 3D vienen en varios tamaños, desde las más pequeñas que caben en una mesa hasta las máquinas industriales de gran formato.

Las impresoras grandes pueden producir objetos más grandes, pero las máquinas ocupan más espacio y son significativamente más caras en comparación con las impresoras de sobremesa. Lograr una impresión satisfactoria también es más complejo en las máquinas de gran formato debido al volumen de material y al tiempo de impresión que conlleva.

Para obtener más información, visite nuestra 3DEXPERIENCE GUÍA DE IMPRESIÓN 3D

La impresión 3D en el sector de la automoción aporta muchas ventajas, entre ellas

• Agilización del flujo de trabajo de diseño
• Producción de piezas más ligeras y resistentes 
• Consolidación de piezas anteriormente separadas en una sola unidad
• Minimizar el desperdicio de materia prima
• Acortar el tiempo de comercialización
• Optimizar la gestión del inventario y de la cadena de suministro
• Simplificar la personalización de los vehículos por parte de los clientes
   

El sector de la automoción es uno de los principales usuarios de la tecnología de impresión 3D, sólo superado por el sector aeroespacial. Esto tiene sentido si se tiene en cuenta la similitud de los objetivos principales de ambas industrias. Al igual que los fabricantes de aeronaves, las marcas del sector de la automoción están muy centradas en mejorar la eficiencia del combustible y el rendimiento al tiempo que reducen el peso.

La impresión 3D es muy adecuada para lograr estos objetivos gracias a su capacidad para producir piezas más ligeras que son tan fuertes, si no más, que las que se fabrican con métodos tradicionales.

Además, la impresión 3D aporta un nuevo nivel de libertad de diseño. La tecnología puede producir geometrías de piezas muy complejas que serían difíciles, si no imposibles, de fabricar de otra manera. También proporciona un medio rentable y eficiente de hacer que un vehículo sea único para cada cliente a través de piezas de revestimiento interior a medida, por ejemplo.

No es de extrañar que la impresión 3D en el sector de la automoción esté ya firmemente establecida en todos los fabricantes de automóviles, desde Audi hasta Volvo. Se pueden encontrar ejemplos en todas las áreas operativas, desde la investigación y el desarrollo (I+D) y el ensamblaje hasta la asistencia posventa y la restauración de coches clásicos.

Aunque los coches producidos en serie contienen pocas piezas impresas en 3D, la gama de aplicaciones sigue ampliándose y es probable que en breve veamos un uso mucho mayor de la impresión 3D en el sector de la automoción.

Volkswagen lleva más de 25 años utilizando la impresión 3D, con el objetivo inicial de acelerar el desarrollo de vehículos y reducir costes.

En la actualidad, hay 13 unidades en la fábrica de Volkswagen en Wolfsburg -la sede central del Grupo y una de las mayores plantas de fabricación del mundo- que utilizan procesos de impresión 3D para fabricar piezas de plástico y metal.

Los ejemplos típicos de componentes de plástico son para prototipos como consolas centrales, revestimientos de puertas, paneles de instrumentos y parachoques. Las piezas metálicas impresas incluyen colectores de admisión, radiadores, soportes y elementos de apoyo.

Hasta la fecha, Volkswagen ha producido más de un millón de piezas impresas en 3D.

Su última innovación en impresión 3D, un proceso de binder jetting de metal, creado conjuntamente con socios externos, está ayudando a que la impresión 3D del sector de la automoción sea más rentable y adecuada para su uso en la línea de producción.

Mientras que la impresión 3D convencional del sector de la automoción utiliza un láser para construir un componente capa por capa a partir de polvo metálico, el proceso de binder jetting utiliza un adhesivo. La pieza metálica resultante se calienta y se le da forma.

Los primeros componentes fabricados con este nuevo proceso fueron piezas para el pilar A del Volkswagen T-Roc descapotable. Estas piezas pesan casi un 50% menos que las piezas convencionales fabricadas con láminas de acero. Esta reducción por sí sola hace que el proceso sea especialmente interesante para aplicaciones en el sector de la automoción.

Las cuatro aplicaciones más comunes de la impresión 3D en el sector de la automoción son:

• PROTOTIPO

Tanto si se trata de simples maquetas como de modelos detallados a escala, los prototipos rápidos son una parte vital del desarrollo de productos. Estos modelos conceptuales de las primeras fases permiten a los ingenieros ver el aspecto y la sensación reales de un producto. Elementos cruciales en los que el atractivo visual y la experiencia del conductor son primordiales.

La creación de prototipos rápidos también ofrece la oportunidad de ver cómo se relacionan los distintos componentes entre sí y de evaluar si una pieza funciona correctamente y cumple las especificaciones del diseño.

Antes, los prototipos se hacían a mano o se creaban con moldes que también debían ser diseñados y fabricados, a menudo por una empresa externa. Esto resultaba caro y requería mucho tiempo. 

La impresión 3D para el sector de la automoción acelera el desarrollo de productos al producir iteraciones del diseño en una fracción de tiempo en comparación con las técnicas de fabricación tradicionales. Esto permite realizar más pruebas en el mismo periodo o en un periodo más corto y ayuda a poner de manifiesto los posibles problemas antes.

Por ejemplo, colocando un modelo a escala en un túnel de viento para medir las fuerzas aerodinámicas creadas por un determinado diseño de vehículo. Ventajas como éstas permiten a los fabricantes de la automoción mantenerse a la cabeza en un mercado tan rápido y competitivo.   

• HERRAMIENTAS, PLANTILLAS Y ACCESORIOS

La creación de herramientas y ayudas de fabricación rápidas y de bajo coste es uno de los usos más comunes de la impresión 3D en el sector de la automoción.   

Un coche contiene muchos miles de componentes y subconjuntos separados. El montaje de cada uno de ellos en el bastidor del vehículo es mucho más rápido, fácil, seguro y consistente gracias a ayudas de fabricación como plantillas, mordazas, accesorios y plantillas.

La impresión en 3D de estas herramientas de forma rápida in situ o en las proximidades genera un ahorro sustancial de tiempo y costes en comparación con los métodos de producción convencionales.

Además, las impresoras 3D se emplean para fabricar herramientas como los moldes de termoformado utilizados para formar láminas calientes de plástico extruido. Esta es una técnica habitual para fabricar envases con forma para todo tipo de componentes.   

• PIEZAS DE PRODUCCIÓN

Hay dos categorías principales de piezas de producción impresas en 3D que se utilizan en el sector de la automoción:

Embellecedores de vehículos, como salpicaderos, bastidores de asientos, paneles de control, piezas de revestimiento, rejillas de ventilación y conductos de refrigeración, accesorios de iluminación, cubiertas y accesorios de consola. Normalmente se imprimen en 3D utilizando un material termoplástico o polimérico como el ABS, el nylon o la resina.  
Las molduras de los vehículos representan actualmente la mayoría de las piezas impresas en 3D que se encuentran en los vehículos, ya que no están relacionadas con la seguridad. Esto hace que obtener la aprobación de los organismos reguladores del sector de la automoción sea relativamente sencillo.

Sin embargo, estas piezas suelen ser visibles para el conductor y los pasajeros y se interactúa con ellas con frecuencia. Esto requiere que no sólo sean funcionales, sino también visualmente agradables.

Una de las principales ventajas que ofrece la impresión 3D en el sector de la automoción es la facilidad con la que puede producir volúmenes muy bajos o incluso artículos únicos, lo que aporta una amplia gama de opciones de personalización al mercado de masas.

En el pasado, la producción de piezas a medida, como una palanca de cambios, un llavero, un asiento o un juego de pedales, era muy costosa y requería mucho tiempo. Esto significaba que la personalización estaba reservada en gran medida a las marcas de coches de lujo.

Gracias a la impresión 3D, este tipo de elementos pueden personalizarse de forma fácil, rápida y asequible para adaptarse a las necesidades específicas del comprador.

Componentes mecánicos como soportes de montaje, carcasas, trapecios de la suspensión y componentes de los frenos. Las tensiones mecánicas y térmicas a las que se someten estas piezas hacen que normalmente se impriman en 3D a partir de un metal como el titanio o una aleación de aluminio.
Hasta ahora, sólo un puñado de piezas han sido aprobadas como seguras para la carretera, ya que el proceso de validación de los componentes críticos para la seguridad es mucho más estricto. Este número aumentará a medida que la impresión 3D en el sector de la automoción se convierta en una tecnología más fiable para los fabricantes y las autoridades reguladoras.

• REPUESTOS DE MANTENIMIENTO Y REPARACIONES

Garantizar la disponibilidad de piezas de repuesto ha sido durante mucho tiempo un reto para el sector de la automoción. A lo largo de los últimos 130 años ha habido miles de marcas y modelos de coches diferentes, desde coches conceptuales de un solo dígito hasta los producidos en serie por millones. Cada uno de ellos contiene decenas de miles de componentes que se obtienen a través de cadenas de suministro notoriamente complejas y extensas.

Disponer de la pieza correcta en el lugar adecuado con un retraso mínimo obliga a almacenar grandes cantidades en los almacenes con un gasto considerable. La alternativa es fabricar bajo pedido con métodos tradicionales, que pueden ser costosos y tener un largo plazo de entrega (el periodo entre el pedido y la entrega)

En el caso de coches raros o clásicos, las piezas de repuesto pueden ser prohibitivas o no estar disponibles. El utillaje original o las especificaciones de fabricación pueden haberse perdido o los proveedores pueden haber cerrado sus puertas.

La velocidad, la flexibilidad y la eficacia de la impresión 3D para el sector de la automoción permiten fabricar piezas de repuesto a la carta de forma rápida y rentable. Además, los archivos digitales CAD pueden almacenarse en servidores y descargarse simplemente cuando se necesiten. Esto ayuda a optimizar los niveles de stock y elimina la necesidad de mantener instalaciones de almacenamiento.  

Además, los componentes difíciles de conseguir u obsoletos pueden escanearse digitalmente y someterse a ingeniería inversa para su impresión en 3D. Esto supone un importante ahorro de tiempo, costes y mano de obra, y a menudo da lugar a piezas más ligeras con un rendimiento superior.

Para los coleccionistas de coches clásicos raros, la disponibilidad de piezas de repuesto puede significar la diferencia entre conducir un vehículo o verse obligado a mantenerlo almacenado. La rareza de estos vehículos hace que la demanda de piezas sea limitada y poco frecuente.

En algunos casos, las piezas específicas se reproducen utilizando las herramientas y técnicas originales. Sin embargo, a veces es necesario un nuevo utillaje. Invertir el tiempo y el dinero necesarios para fabricar nuevas herramientas puede ser difícil de justificar ante volúmenes de producción tan pequeños.  

Porsche Classic ha superado este reto utilizando la impresión 3D para producir piezas raras que sólo se necesitan en volúmenes reducidos.

Por ejemplo, la palanca de liberación del embrague del Porsche 959. Este componente, fabricado en fundición gris, está sujeto a estrictos requisitos de calidad, pero tiene una demanda muy baja, entre otras cosas porque se fabricaron menos de 300 de estos superdeportivos.

Esto hace que la pieza sea un candidato ideal para la fabricación aditiva de metales. De hecho, Porsche está fabricando actualmente varias de estas piezas mediante impresión 3D, tanto en acero y aleación como en plástico. 

Todas las piezas impresas en 3D se inspeccionan rigurosamente para garantizar que cumplen los requisitos de calidad del periodo de producción original como mínimo, aunque suelen cumplir normas más estrictas. La precisión en términos de tamaño y ajuste se garantiza realizando pruebas con la pieza instalada.

Porsche Classic está probando actualmente si la impresión 3D es adecuada para producir otros 20 componentes. Según un portavoz, como la calidad de la tecnología sigue mejorando y los costes suelen disminuir, esta forma de fabricación presenta una "alternativa económica muy real para la producción de pequeñas cantidades".

Las mejoras en el tamaño de las impresoras industriales, la velocidad a la que imprimen y la mayor flexibilidad en el diseño y los materiales están contribuyendo a que la impresión 3D en el sector de la automoción se convierta en un método de fabricación general más viable. Esto es especialmente cierto en el caso de las series de producción de bajo y medio volumen de componentes de gran valor y complejidad geométrica.

Como resultado, están surgiendo continuamente nuevas aplicaciones para la impresión 3D en el sector de la automoción. Algunas de las áreas que se espera que experimenten un crecimiento sustancial en los próximos años son

• MOVILIDAD VERDE

El sector de la automoción, como todos los demás, está sometido a la presión de ser más sostenible. Una clara ventaja que ofrece la impresión 3D es el aligeramiento, es decir, el uso de piezas más ligeras para reducir el peso total de un vehículo y, por lo tanto, reducir el consumo de combustible sin comprometer el rendimiento o la seguridad.

Un valor orientativo es que una reducción de peso del 10% genera una mejora del 6% en la eficiencia del combustible. En el caso de los vehículos eléctricos, las mejoras en el consumo de combustible pueden ser incluso mayores. Un ahorro de peso del 10% en un vehículo eléctrico puede aumentar la autonomía hasta un 14%.

Las piezas del sector de la automoción impresas en 3D también eliminan las emisiones de carbono inherentes a las cadenas de suministro globales. En su lugar, los archivos digitales CAD pueden enviarse a una impresora 3D en cualquier parte del mundo con sólo pulsar un botón.   

Además, las impresoras 3D generan mucho menos desperdicio de material durante el proceso de fabricación en comparación con el mecanizado, en el que se puede eliminar hasta el 98% de un bloque de metal.

• VEHÍCULOS ELÉCTRICOS

El sector de la automoción se está volviendo más sostenible y está abandonando el motor de combustión interna en favor de sistemas de propulsión alternativos.

Todos los fabricantes internacionales de automóviles han introducido o introducirán pronto algún tipo de vehículo eléctrico, desde las berlinas familiares y los conceptos futuristas hasta los SUV y los supercoches. El interés de la industria y los consumidores se está acelerando debido a que muchos países y ciudades han declarado que prohibirán la venta de turismos propulsados por combustibles fósiles.

Las piezas ligeras del sector de la automoción impresas en 3D pueden ayudar a compensar el peso añadido de las baterías y reducir el peso total del vehículo. Esto ayuda a aumentar la autonomía máxima posible y a prolongar la vida útil de las baterías.

Además, el revuelo que rodea a los vehículos eléctricos ha provocado la aparición de muchos nuevos fabricantes de vehículos. Estos nuevos actores no producirán coches en masa en breve, pero tienen la ventaja de no estar atados a procesos de fabricación de hace décadas y a cadenas de suministro que abarcan todo el mundo.

Su búsqueda de métodos de producción de bajo y medio volumen que sean ágiles, flexibles y escalables les ha llevado naturalmente a la tecnología de impresión 3D para el sector de la automoción.

• COCHES IMPRESOS EN 3D

Los coches totalmente impresos en 3D que circulan por las carreteras públicas pueden ocurrir antes de lo que pensamos. Varias empresas se están tomando el concepto muy en serio.

La empresa californiana Divergent, por ejemplo, pretende revolucionar la fabricación de la automoción con sus nodos impresos en 3D conectados por tubos de fibra de carbono. El resultado es un chasis de resistencia industrial que puede montarse en minutos. Su prototipo de ingeniería, Blade, ha sido descrito como "el primer supercoche impreso en 3D del mundo".

Mediante el uso de materiales ligeros para crear estructuras complejas fuertes y eficientes, Divergent pretende reducir el utillaje, el coste y el tiempo asociados a la fabricación tradicional de automóviles, al tiempo que aumenta la sostenibilidad y la innovación.

El vehículo resultante puede tener un precio prohibitivo, pero la tecnología y el pensamiento que lo sustentan podrían dar un impulso sustancial a la producción de automóviles más generalizada, además de resultar beneficioso para otros campos como la exploración aeroespacial y espacial.    

Bentley Motors ha invertido recientemente 3 millones de libras adicionales para duplicar su capacidad de impresión 3D en su sede de Crewe (Inglaterra), donde se construyen todos los modelos de Bentley.

La instalación de alta tecnología se ha aplicado a una serie de usos y ha producido más de 15.000 componentes sólo en 2021. Entre ellos se incluyen herramientas asistidas en el trabajo, como bloques de lijado ligeros y equipos de herramientas históricamente precisos necesarios para fabricar piezas para el modelo Blower Continuation de Bentley.

Además, la impresión 3D del sector de la automoción se ha empleado para crear componentes físicos para varios prototipos de Bentley, incluidos modelos de tren motriz a escala real y modelos aerodinámicos de túnel de viento.

Las técnicas avanzadas también se han utilizado para producir piezas para los modelos de Bentley que batieron el récord y que se condujeron en el exigente Pikes Peak Challenge en América. 

La importante ampliación de las instalaciones permitirá a la marca de coches de lujo utilizar la tecnología de impresión 3D para crear componentes de vehículos de bajo volumen y ofrecer una personalización aún mayor en los coches de los clientes.      

El equipo de última generación instalado permite un ahorro de costes del 50% en las piezas y, al funcionar las 24 horas del día, la instalación es capaz de producir miles de componentes en más de 25 opciones de materiales diferentes.

Los empleados de toda la empresa están recibiendo formación para entender cómo pueden beneficiarse de la utilización de la impresión 3D en su trabajo, un claro indicio de la importancia que está adquiriendo esta tecnología en el funcionamiento de Bentley.

Un portavoz calificó la impresión 3D en el sector de la automoción de "piedra angular" de la ambición de la "Fábrica de Sueños" de Bentley. Señalaron que una de las principales ventajas de la impresión 3D en el sector de la automoción es la mejora de la eficiencia que proporciona al reducir el coste y la complejidad de innumerables trabajos.

 

• FALTA DE FAMILIARIDAD

Aunque su prevalencia es cada vez mayor, la impresión 3D en el sector de la automoción aún no es omnipresente, sobre todo fuera de la creación de prototipos y la fabricación de herramientas. Ese momento puede llegar, posiblemente antes de lo esperado, pero por ahora, la tecnología sigue siendo secundaria frente a los métodos de producción más convencionales.

La complejidad y las rigurosas normas que forman parte de la fabricación de piezas críticas para la seguridad del sector de la automoción hacen que la sustitución de técnicas de mecanizado probadas por algo nuevo conlleve un nivel de riesgo con el que algunas empresas no se sienten cómodas.

• GRANDES VOLÚMENES

En muchos casos, la impresión 3D para el sector de la automoción puede producir un solo artículo o un pequeño lote de artículos de forma más rápida y eficiente que los métodos de fabricación tradicionales. Sin embargo, cada máquina sólo puede imprimir un determinado número de objetos a la vez, dependiendo del tamaño de la máquina y del objeto, por lo que puede no ser el método más adecuado o rentable para grandes tiradas de producción.

• TAMAÑO DE LAS PIEZAS

Las impresoras 3D tienen limitaciones de tamaño inherentes que las hacen incapaces de producir componentes grandes. En algunos casos, se pueden unir varias piezas más pequeñas, aunque no siempre es la solución ideal.

Los fabricantes de impresoras 3D están trabajando para solucionar las limitaciones de tamaño de las máquinas existentes, por ejemplo, eliminando las barreras presentes en las cámaras de impresión típicas.

• CALIDAD INCONSISTENTE

Las impresoras 3D aún no pueden imprimir resultados perfectos en todo momento. Los porcentajes de fallo dependen de la máquina y el material utilizados y del objeto que se imprime. Además, la eliminación de irregularidades o texturas de la superficie puede requerir pasos adicionales de procesamiento manual para lograr el acabado deseado.

Es probable que factores como los índices de fallos y el posprocesamiento se reduzcan a medida que la tecnología mejore y la gente se familiarice con el uso de la impresión 3D en el sector de la automoción.