La impresión 3D crece más allá de sus raíces novedosas

DEVENS, Mass. — Las máquinas miden 20 pies de alto, pesan 60,000 libras y representan la frontera tecnológica de la impresión 3D.

Cada máquina despliega 150 rayos láser, proyectados desde un pórtico y moviéndose rápidamente de un lado a otro, fabricando piezas de alta tecnología para clientes corporativos en campos que incluyen la industria aeroespacial, los semiconductores, la defensa y los implantes médicos.

Las partes de titanio y otros materiales se crean capa por capa, cada una tan fina como un cabello humano, hasta 20.000 capas, según el diseño de la pieza. Las máquinas están selladas herméticamente. En el interior, la atmósfera es principalmente de argón, uno de los gases menos reactivos, lo que reduce la posibilidad de impurezas que causan defectos en una pieza.

La fundición de impresión 3D en Devens, Massachusetts, a unas 40 millas al noroeste de Boston, es propiedad de VulcanForms, una empresa nueva que surgió del Instituto de Tecnología de Massachusetts. Ha recaudado $ 355 millones en fondos de riesgo. Y su fuerza laboral se multiplicó por seis en el último año a 360, con reclutas de los principales fabricantes como General Electric y Pratt & Whitney y compañías tecnológicas como Google y Autodesk.

“Hemos demostrado que la tecnología funciona”, dijo John Hart, cofundador de VulcanForms y profesor de ingeniería mecánica en el MIT. “Lo que tenemos que mostrar ahora son finanzas sólidas como empresa y que podemos gestionar el crecimiento”.

Para la impresión 3-D, cuyos orígenes se remontan a la década de 1980, las tendencias tecnológicas, económicas y de inversión finalmente pueden estar encajando para el despegue comercial de la industria, según expertos en fabricación, ejecutivos de negocios e inversores.

Dicen que la impresión 3D, también llamada fabricación aditiva, ya no es una tecnología novedosa para algunos productos industriales y de consumo, o para crear conceptos de diseño de prototipos.

“Ahora es una tecnología que está comenzando a ofrecer calidad de producto de grado industrial e impresión en volumen”, dijo Jörg Bromberger, experto en fabricación de McKinsey & Company. Es el autor principal de un informe reciente de la consultora titulado “La integración de la fabricación aditiva”.

La impresión 3D se refiere a hacer algo desde cero, una capa a la vez. Los rayos láser guiados por computadora derriten polvos de metal, plástico o material compuesto para crear las capas. En la fabricación “sustractiva” tradicional, se funde un bloque de metal, por ejemplo, y luego se talla una pieza para darle forma con máquinas herramienta.

En los últimos años, algunas empresas han utilizado tecnología aditiva para fabricar piezas especializadas. General Electric confía en la impresión 3D para fabricar boquillas de combustible para motores a reacción, Stryker fabrica implantes espinales y Adidas imprime suelas enrejadas para zapatillas deportivas de alta gama. Los implantes dentales y los dispositivos para enderezar los dientes se imprimen en 3D. Durante la pandemia de Covid-19, las impresoras 3D produjeron suministros de emergencia de protectores faciales y piezas de ventiladores.

Hoy, dicen los expertos, el potencial es mucho más amplio que un puñado relativo de productos de nicho. Se espera que el mercado de impresión 3D se triplique a casi $45 mil millones en todo el mundo para 2026, según un informe de Hubs, un mercado de servicios de fabricación.

La administración Biden está considerando la impresión 3D para ayudar a liderar un resurgimiento de la fabricación estadounidense. La tecnología aditiva será uno de “los cimientos de la fabricación moderna en el siglo XXI”, junto con la robótica y la inteligencia artificial, dijo Elisabeth Reynolds, asistente especial del presidente para fabricación y desarrollo económico.

En mayo, el presidente Biden viajó a Cincinnati para anunciar Additive Manufacturing Forward, una iniciativa coordinada por la Casa Blanca en colaboración con los principales fabricantes. Los cinco miembros corporativos iniciales (GE Aviation, Honeywell, Siemens Energy, Raytheon y Lockheed Martin) están aumentando el uso de la fabricación aditiva y se comprometieron a ayudar a sus pequeños y medianos proveedores estadounidenses a adoptar la tecnología.

Los compromisos voluntarios están destinados a acelerar la inversión y construir una base nacional más amplia de habilidades de fabricación aditiva. Debido a que la impresión 3-D es un proceso de fabricación digital de alta tecnología, dicen los funcionarios de la administración, juega a favor de la fortaleza de Estados Unidos en software. La fabricación aditiva, agregan, hará que la fabricación estadounidense sea menos dependiente de la fundición y la metalurgia que se realizan en el extranjero, especialmente en China.

La fabricación aditiva también promete una bonificación ambiental. Es mucho menos derrochador que la fundición, la forja y el corte de la fabricación tradicional. Para algunas piezas de metal, la impresión 3D puede reducir los costos de materiales en un 90 por ciento y reducir el uso de energía en un 50 por ciento.

La impresión 3D industrial, dicen los expertos, tiene el potencial de reducir sustancialmente el gasto total de fabricar piezas especializadas, si la tecnología se puede hacer lo suficientemente rápida y eficiente para una producción de mayor volumen.

Actualizado

July 5, 2022, 7:21 p.m. ET

VulcanForms fue fundada en 2015 por el Dr. Hart y uno de sus estudiantes de posgrado, Martin Feldmann. Buscaron un nuevo enfoque para la impresión en 3D que utiliza una matriz de muchos más rayos láser que los sistemas existentes. Requeriría innovaciones en óptica láser, sensores y software para coreografiar la intrincada danza de los rayos láser.

Para 2017, habían progresado lo suficiente como para pensar que podían construir una máquina, pero necesitarían dinero para hacerlo. La pareja, junto con Anupam Ghildyal, un veterano de la puesta en marcha en serie que se había convertido en parte del equipo de VulcanForms, fue a Silicon Valley. Consiguieron una ronda semilla de $2 millones de Eclipse Ventures.

La tecnología VulcanForms, recordó Greg Reichow, socio de Eclipse, estaba tratando de abordar las tres deficiencias de la impresión 3D: demasiado lenta, demasiado costosa y llena de defectos.

La puesta en marcha luchó por construir una primera máquina que demostrara que su concepto era viable. Pero finalmente tuvo éxito. Y las versiones posteriores se hicieron más grandes, más poderosas y más precisas.

Sus impresoras, dijo VulcanForms, ahora generan 100 veces más energía láser que la mayoría de las impresoras 3-D y pueden producir piezas muchas veces más rápido. Esa tecnología de impresión es el principal activo intelectual de la empresa, protegido por docenas de patentes.

Pero VulcanForms ha decidido no vender sus máquinas. Su estrategia es ser un proveedor para los clientes que necesitan piezas a medida.

Ese enfoque permite a VulcanForms controlar todo el proceso de fabricación. Pero también es una concesión a la realidad de que falta el ecosistema de fabricación aditiva. La empresa está construyendo cada etapa del proceso de fabricación en sí misma, fabricando sus propias impresoras, diseñando piezas, realizando el mecanizado final y las pruebas.

“Tenemos que hacerlo absolutamente nosotros mismos, construir la pila completa de fabricación digital, si queremos tener éxito”, dijo el Sr. Feldmann, quien es el director ejecutivo. “La fábrica es el producto”.

La instalación de Devens tiene seis de las impresoras gigantes. Para el próximo año, debería haber 20, dijo la compañía. VulcanForms ha explorado cuatro ubicaciones para una segunda fábrica. En cinco años, la empresa espera tener varias fábricas de impresión 3D en funcionamiento.

La estrategia del hágalo usted mismo también magnifica el riesgo y el costo para la puesta en marcha. Pero la compañía ha convencido a una lista de reclutas de alto perfil de que el riesgo vale la pena.

Brent Brunell se incorporó a VulcanForms el año pasado procedente de General Electric, donde era experto en fabricación aditiva. El concepto de usar grandes conjuntos de láseres en la impresión 3D no es nuevo, dijo Brunell, pero nadie lo había logrado antes. Después de unirse a VulcanForms y examinar su tecnología, dijo, “era obvio que estos muchachos estaban en la siguiente arquitectura y tenían un proceso que estaba funcionando”.

Al lado de cada máquina en las instalaciones de VulcanForms, un operador supervisa su rendimiento con un flujo de datos de sensores y una imagen de cámara de los rayos láser en funcionamiento, canalizados a una pantalla de computadora. El sonido de la fábrica es un zumbido electrónico bajo, muy parecido a un centro de datos.

La fábrica en sí misma puede ser una poderosa herramienta de reclutamiento. “Los traigo aquí y les muestro la maquinaria”, dijo Kip Wyman, exgerente senior de fabricación en Pratt & Whitney, quien es jefe de operaciones en VulcanForms. “La reacción habitual es: ‘Diablos, quiero ser parte de eso’”.

Para algunas piezas industriales, la impresión 3D por sí sola no es suficiente. Se necesita tratamiento térmico final y mecanizado de metales. Reconociendo eso, VulcanForms adquirió Arwood Machine este año.

Arwood es un taller de maquinaria moderno que trabaja principalmente para el Pentágono, fabricando piezas para aviones de combate, drones submarinos y misiles. Bajo VulcanForms, el plan para los próximos años es que Arwood triplique su inversión y fuerza laboral, actualmente 90 personas.

VulcanForms, una empresa privada, no revela sus ingresos. Pero dijo que las ventas estaban aumentando rápidamente, mientras que los pedidos se multiplicaban por diez trimestre a trimestre.

El crecimiento sostenido de VulcanForms dependerá del aumento de las ventas a clientes como Cerebras, que fabrica sistemas de semiconductores especializados para aplicaciones de inteligencia artificial. Cerebras buscó a VulcanForms el año pasado en busca de ayuda para fabricar una pieza compleja para enfriar con agua sus potentes procesadores de computadora.

La compañía de semiconductores envió a VulcanForms un dibujo de diseño por computadora del concepto, una intrincada red de diminutos tubos de titanio. En 48 horas, VulcanForms había regresado con una parte, recordó Andrew Feldman, director ejecutivo de Cerebras. Los ingenieros de ambas empresas trabajaron en mejoras adicionales y el sistema de enfriamiento ya está en uso.

Acelerar el ritmo de la experimentación y la innovación es una promesa de la fabricación aditiva. Pero la impresión 3D moderna, dijo Feldman, también permite a los ingenieros crear diseños nuevos y complejos que mejoran el rendimiento. “No podríamos haber hecho esa parte de refrigeración por agua de otra manera”, dijo Feldman.

“La fabricación aditiva nos permite repensar cómo construimos las cosas”, dijo. “Ahí es donde estamos ahora, y eso es un gran cambio”.