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By KATHY HUNT
Jun 06, 2023
Cuando se habla de innovaciones tecnológicas notables de la década de 1980, la gente suele citar la computadora doméstica y el disco compacto. Sin embargo, esta época también marcó la introducción de una nueva forma de tecnología de fabricación: la fabricación aditiva. Según el estándar ISO/ASTM 52900, la fabricación aditiva aplica “el principio de conformación aditiva y construye así geometrías físicas tridimensionales (3D) mediante la adición sucesiva de material”, lo cual ofrece una alternativa a la fabricación convencional. Una forma menos técnica de describir la fabricación aditiva es: la creación de un objeto agregando una capa de material a la vez. El término “impresión 3D” a menudo se utiliza indistintamente con la fabricación aditiva.
Las aplicaciones de la fabricación aditiva han ido creciendo desde 1984, cuando el ingeniero estadounidense Charles Hull patentó el aparato de estereolitografía (la primera máquina comercial para generar objetos en 3D). Desde la medicina hasta la aviación, pasando por industrias intermedias, la fabricación aditiva ya no se aplica solo a prototipos.
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El comité sobre tecnologías de fabricación aditiva (F42) de ASTM International apoya el desarrollo de dicha fabricación. Constituido en 2009, el comité cuenta con más de 1200 miembros y nueve subcomités, entre ellos el de aplicaciones (F42.07). Junto con el subcomité sobre aplicaciones existen 10 subgrupos centrados en áreas como la medicina/biología (F42.07.03), la construcción (F42.07.07) y la aviación (F42.07.01).
El sector médico, uno de los primeros en adoptar la fabricación aditiva, ha empleado modelos anatómicos impresos en 3D en la capacitación y el planeamiento preoperatorio desde la década de 1990. Dado que pueden personalizarse y hacerse a la medida, estos modelos pueden reflejar pacientes específicos y sus patologías y ayudar no solo a crear, sino también a explicar los planes de tratamiento.
Las herramientas quirúrgicas y los dispositivos protésicos también se benefician de la capacidad de personalización de la fabricación aditiva. Los implantes dentales y las prótesis articulares, como la de cadera y de rodilla, pueden elaborarse según la talla y forma únicas del paciente, de manera que la pieza encaje perfectamente.
“Con una pieza comercial, cuando uno la lleva al quirófano, tiene que abrir primero al paciente y después realizar allí la adaptación a medida”, comenta John Slotwinski, presidente del F42. Además, es profesor invitado en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad Johns Hopkins. “Literalmente, tiene herramientas con las que debe hacer los ajustes en el hueso o la articulación durante la cirugía para intentar que la pieza encaje bien. No conseguirá un ajuste tan bueno como con una pieza diseñada y personalizada. Además, se aumenta el tiempo que el paciente está bajo anestesia, cuando en realidad lo que se desea es intentar minimizar ese tiempo. Esta reducción de tiempo es otra de las ventajas de las piezas de fabricación aditiva”.
Slotwinski agrega que, además de la personalización, la fabricación aditiva puede producir porosidad superficial con mucha más facilidad que con la fabricación convencional. “Esto se presta bien a los implantes porque se consigue que el tejido del cuerpo se integre en esa porosidad y se obtiene una adhesión mucho mejor entre la articulación y el cuerpo”, comenta.
El subcomité de aplicaciones médicas/biológicas (F42.07.03) es el encargado de abordar el uso de la fabricación aditiva en medicina. El subcomité ha redactado una serie de documentos de trabajo, entre ellos el nuevo método de prueba para la fabricación aditiva para uso médico, fusión en lecho de polvo (PBF), evaluación del polvo residual (WK82776).
“Para las piezas que se utilizan en áreas altamente críticas, en particular para los dispositivos médicos implantados, existe una importancia clínica potencial si el polvo residual se desprende de la pieza”, comenta Paul Carpinone, líder técnico en WK82776. Carpinone es un científico de aplicaciones en Malvern Panalytical y miembro de todos los subcomités de fabricación aditiva. “La FDA ha solicitado una evaluación del polvo residual en los productos médicos con acabado. En la actualidad, aunque existe una guía general de F3335 [la guía estándar para evaluar el retiro de residuos de la fabricación aditiva en dispositivos médicos fabricados por fusión de lecho de polvo], no existe un método de prueba normativo adaptado específicamente a la fabricación aditiva ni una forma estándar de realizar e informar sobre los datos de este tipo de evaluación. Este elemento de trabajo es un paso importante para uniformar los requisitos de limpieza de piezas para una fabricación aditiva de alta criticalidad en dispositivos médicos. Cualquier reglamento o estándar de limpieza se elaboraría a partir de esto”.
Otro elemento de trabajo, la nueva guía para la validación del proceso de materiales para la fabricación aditiva de dispositivos médicos (WK72659), proporciona orientación sobre cómo validar nuevos procesos de fabricación aditiva utilizados para crear dispositivos médicos.
“Es un ejemplo de sistema de gestión de la calidad para que mediante la fabricación aditiva se pueda explicar cómo se prueba todo y para asegurarse de que se está abordando todo lo que la FDA exigirá”, afirma Matthew DiPrima, copresidente del F42.07.03 e ingeniero de materiales de la Administración de Medicamentos y Alimentos (FDA) de EE. UU. “No se trata de algo prescriptivo. Está diseñado para ofrecer un punto de partida a las personas que recién se inician en el campo de dispositivos médicos de fabricación aditiva”.
En mayo de 2022, el subcomité de aplicaciones publicó la guía estándar del esquema de reutilización de polvo en procesos de PBF de aplicaciones médicas para materias primas de fabricación aditiva (F3456). Dado que el polvo de los procesos de PBF puede reutilizarse, con la consiguiente reducción de desechos en la producción, organismos reguladores como la FDA han solicitado a las empresas que describan su proceso de reutilización.
“La intención principal consistía en determinar cómo repercutiría la reutilización del polvo en el rendimiento del dispositivo médico, pero las empresas tuvieron dificultades para comunicar a la FDA su esquema de reutilización del polvo”, dijo DiPrima. “Para reducir la carga de las partes interesadas y facilitar el proceso de revisión, proponemos este punto de partida para describir cuál es su esquema de reutilización del polvo. Proporciona una terminología común para simplificar la comunicación entre las partes interesadas y la FDA”.
Si bien el sector médico utiliza la fabricación aditiva desde hace aproximadamente tres décadas, el sector de la construcción lleva casi un siglo empleando este método de agregar materiales, en vez de retirarlos sucesivamente. Un ejemplo de las primeras construcciones con fabricación aditiva es el edificio de concreto en capas del inventor estadounidense William Urschel, construido sin encofrado, en Valparaíso, Indiana, en 1939. Cinco años más adelante, Urschel recibió una patente por su “máquina para construir muros”, que, según señalan los historiadores, mostraba las mismas innovaciones que se encuentran actualmente en la fabricación aditiva a gran escala. En la actualidad, hay estructura de dos pisos creada en la década de 1940 con la máquina de construcción de muros de Urschel que sigue en pie en la ciudad.
En la última década, el sector de la construcción ha experimentado una creciente presión para construir más viviendas y estructuras. “Abordar los puntos problemáticos actuales del sector de la construcción y la demanda de los clientes ha llevado a los contratistas a considerar la impresión en 3D como una solución viable para proporcionar un entorno de trabajo seguro; ser más eficientes, productivos y sostenibles en las operaciones; y utilizar materiales más ecológicos”, afirma Stephan Mansour, consultor asociado en Wohlers Associates. También es vicepresidente de F42.07.02 y coconvocante de ISO/ASTM TC261 - JG80. “El sector de la construcción no es reacio a la innovación, pero tiene que tener la certeza de que las nuevas tecnologías y materiales cumplen con la normativa y ofrecen un rendimiento igual o superior al habitual. Tiene la responsabilidad de suministrar estructuras que resistan el paso del tiempo y la acción de los elementos, incluidas las condiciones sísmicas y meteorológicas, y los incendios”.
Con una mayor demanda e innovación surge la necesidad de nuevos estándares, que el subcomité de aplicaciones y construcción (F42.07.07) aborda a través de cinco elementos de trabajo sobre diseño e integridad estructural. La nueva especificación de los principios de calificación de la fabricación aditiva aplicada a la construcción y los elementos estructurales y de infraestructura (WK77614) define los requisitos para los proyectos de construcción tanto portantes como no portantes en los que se utiliza la construcción aditiva. Cuando se apruebe, se publicará bajo el estándar ISO/ASTM 52939 y será adoptada por instituciones mundiales de estandarización, como el Comité Europeo de Normalización (CEN y CENELEC), como un estándar CEN ISO/ASTM.
“El estándar salva la brecha entre las operaciones tradicionales y las de impresión en 3D, lo que facilita la comprensión del enfoque y permite entender qué estándares ASTM e ISO existentes pueden ser utilizados para certificar estructuras”, afirma Mansour.
La nueva especificación para las características del proceso y el rendimiento de las estructuras poliméricas manufacturadas con curado UV para aplicaciones residenciales (WK74302) se aplicará a los componentes del edificio, como una parte de un muro, un piso o un techo.
“En Mighty Buildings utilizamos un compuesto termoestable reforzado con fibra que se cura con luz. Nos permite hacer panelizaciones y lograr la resistencia del concreto, pero con un peso considerablemente menor” dice Sam Ruben, presidente del subcomité 42.07.07 y cofundador y asesor sénior de sostenibilidad en Mighty Buildings. Otras empresas utilizan diversos plásticos para fachadas aislantes impresas en 3D y vidrio para interiores. En el subcomité 42.07.07, deseamos que la innovación siga siendo posible con la impresión en 3D sin dejar de garantizar que se cumplen los códigos de seguridad y construcción vigentes. La seguridad es primordial, y por eso la construcción es uno de los sectores más reglamentados del mundo.
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Dos elementos de trabajo, la nueva práctica para la fabricación aditiva, principios generales, proceso de diseño de elementos de construcción fabricados con métodos aditivos (WK81114) y la nueva práctica para la construcción aditiva, principios generales, práctica estándar para la evaluación de elementos estructurales impresos (WK84415), surgieron de otro elemento de trabajo. Esta es la nueva guía para la fabricación aditiva, principios generales, desarrollo y hoja de ruta de los estándares de construcción aditiva (WK78110). A modo de análisis de deficiencias, la guía indica la necesidad de realizar pruebas y evaluaciones de los elementos impresos y de la conversión del diseño de elementos (modelo 3D), afirma Mansour.
“En el sector de la construcción, no existe una única tecnología que resuelva los problemas de productividad y asequibilidad, pero al crear estándares que garanticen que estas tecnologías pueden realizarse de forma segura, abrimos nuevas posibilidades para la innovación”, asegura Ruben.
La aviación también adoptó la fabricación aditiva en una fase relativamente temprana y, desde hace más de una década, trabaja con prototipos, herramientas y piezas impresas en 3D, como pestillos de puertas, boquillas de combustible y sensores térmicos. Gracias a la fabricación aditiva, se pueden fabricar piezas de aviones con materiales más nuevos y ligeros en menos tiempo. Estas piezas más ligeras pueden reducir el peso del avión y, con ello, su consumo de combustible, disminuyendo así el impacto de los vuelos en el medioambiente. En el caso de las aeronaves más antiguas, para las que quizá ya no se disponga de una pieza de fabricación convencional, la fabricación aditiva permite que permanezcan en funcionamiento de forma segura.
En un campo en el que la pieza más sencilla puede desempeñar un papel fundamental en la seguridad y la operatividad, la demanda de estándares para la fabricación aditiva en la aviación es enorme. Aquí es donde interviene el subcomité sobre aplicaciones, aviación (F42.07.01). En 2022, se publicó la práctica estándar para la fabricación aditiva, principios generales, clasificaciones de piezas fabricadas aditivamente utilizadas en aviación (F3572). El estándar permite la creación de una métrica del riesgo para los procesos de ingeniería, adquisición, inspección no destructiva, pruebas, calificación o certificación utilizados para las piezas de aviación de fabricación aditiva.
“Para la aviación en general, la mayoría de los componentes son quizá un poco más críticos que en otras industrias”, afirma Jesse Boyer, presidente del subcomité de métodos de prueba. “Con más de 5000 aeronaves surcando el cielo en horas pico, son muchas las personas que vuelan en aviones que utilizan componentes críticos y no críticos. El beneficio del F3572 es que crea una clasificación común de piezas en toda la industria a la que se puede hacer referencia y que permite a los usuarios afirmar con confianza: "Esta es una pieza crítica para el vuelo. Esta es una pieza estructuralmente crítica, etc.". Podemos "bucketizar" (dividir) los componentes en estas diferentes categorías e, idealmente, asignar la cantidad obligatoria de criterios de caracterización del material para ser más eficientes en materia de costos y tiempo”.
El subcomité de aviación colaboró en dos estándares de fabricación aditiva con la Organización Internacional de Normalización (ISO). El primero es la fabricación aditiva, rendimiento y fiabilidad del sistema, pruebas de aceptación para máquinas de fusión de lecho de polvo metálico por láser para materiales metálicos de aplicación aeroespacial (ISO/ASTM 52941). En él se detallan los requisitos y métodos de prueba para la calificación y recalificación de las máquinas de haz láser para PBF metálico. El estándar puede utilizarse para verificar las características de la máquina durante las inspecciones o después de las actividades de mantenimiento y reparación. Ayuda a calificar los componentes de fabricación aditiva para la aviación general, comercial y militar.
El segundo estándar, fabricación aditiva, principios de calificación, calificación de operadores de máquinas y equipos de PBF metálico por láser utilizados en aplicaciones aeroespaciales (ISO/ASTM 52942), detalla los requisitos de calificación aplicables a los operadores de máquinas y equipos de PBF metálico por láser para la industria aeroespacial. Este estándar se aplica a las pruebas de calificación de operadores.
A fin de que ASTM e ISO pudieran trabajar en conjunto en el desarrollo de estándares de fabricación aditiva para el mercado mundial, en septiembre de 2011, las dos organizaciones firmaron un Acuerdo de Cooperación de Socios para la Organización del desarrollo de Estándares (PSDO). Se espera que el Acuerdo permita acortar el tiempo de desarrollo de estándares y aumentar la disponibilidad para los usuarios.
“El F42 tiene un acuerdo especial con su comité hermano ISO TC261, el cual les permite codesarrollar estándares y aprobar los estándares del otro”, manifiesta Slotwinski. “En Europa, los estándares ISO acaban convirtiéndose en ley en casi todos los países, de manera que nuestros productores y usuarios estarán equiparados con sus homólogos europeos”. DiPrima agrega, “Esto destaca la capacidad del comité para trabajar con una serie de socios internacionales y conseguir la más amplia adopción de los estándares que estamos desarrollando. Mediante este Acuerdo, el F42 cuenta con una vía de adopción acelerada. Votamos simultáneamente un estándar en ASTM e ISO de manera que, una vez votado con éxito, pueda ser emitido inmediatamente como un estándar conjunto. Tener un estándar votado simultáneamente a través de ambas organizaciones es bastante novedoso”.
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Con la vista puesta en subsanar las deficiencias y dificultades en los estándares, ASTM International estableció en 2018 el Centro de excelencia (CoE) de fabricación aditiva (AM). El centro trabaja con expertos mundiales en tecnología de fabricación aditiva de la industria, el mundo académico y el Gobierno para realizar proyectos de investigación y desarrollo, promover la tecnología de fabricación aditiva y ofrecer talleres, seminarios y conocimientos técnicos. A través de sus proyectos de I+D, el CoE de AM ha guiado la creación de los estándares recientes, como la guía para fabricación aditiva, materias primas, prueba del contenido de humedad en la materia prima en polvo (F3606) del subcomité sobre métodos de prueba (F42.01) y la guía para el esquema de reutilización de polvo (F3456) del subcomité sobre aplicaciones médicas/biológicas (F42.07.03).
Como resultado de los esfuerzos del CoE de AM, hasta la fecha se han iniciado 36 proyectos sobre deficiencias en los estándares. “Se examinan áreas como el diseño, los datos y el modelado, los procesos y posprocesos, las pruebas, la inspección y la calificación, así como las materias primas”, afirma Mohsen Seifi, PhD., vicepresidente de la división de programas globales de fabricación avanzada de ASTM.
“Por ejemplo, un proyecto en ‘Detección y análisis de defectos in situ’ se centra en el desarrollo de técnicas de pruebas no destructivas para detectar defectos en piezas de fabricación aditiva durante el proceso de fabricación”, afirma el Dr. Seifi. “Este proyecto es pertinente para todas las industrias que utilizan la tecnología de fabricación aditiva, incluidas la aviación, la construcción y las aplicaciones médicas/biológicas. Otro proyecto, ‘Feedstock Reuse for fabricación aditiva’ (Reutilización de materia prima para la fabricación aditiva), se centra en el desarrollo de estrategias de reutilización de materias primas. Este proyecto es importante para industrias como la aeroespacial y las aplicaciones médicas. Con base en este proyecto, se ha publicado recientemente el documento F3456, que proporciona una guía para el esquema de reutilización del polvo. Otro ejemplo de estándar agnóstico para la industria es el F3530, que es una guía para el posproceso de PBF-LB metálico”.
Y agrega que subsanar estas deficiencias es fundamental para el crecimiento de la fabricación aditiva. Permitirá la adopción creciente y generalizada de la fabricación aditiva en distintos sectores, como la construcción, el transporte y la energía.
Junto con el comité de fabricación aditiva, el trabajo del CoE de AM brinda apoyo a los comités sobre polvos metálicos y productos de polvos metálicos (B09), pruebas mecánicas (E28) y pruebas no destructivas (E07). El Dr. Seifi señala que estos comités son esenciales en el desarrollo de estándares para los polvos de fabricación aditiva, la evaluación del rendimiento mecánico de los componentes de fabricación aditiva y la garantía de calidad de las piezas de fabricación aditiva.
“En general, la red mundial del CoE de AM, su colaboración y participación con las partes interesadas, sus programas docentes y de difusión, y su considerable impacto en la promoción y el avance de la tecnología de fabricación aditiva hacen de este organismo un actor esencial en el desarrollo y la promoción de los estándares de fabricación aditiva”, señala.
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Kathy Hunt es una periodista basada en la costa este de EE. UU.
May / June 2023