El blog del Plástico

La entrada de HP en la impresión 3D era un paso muy esperado por muchos y temido por otros. Que un gigante de esta magnitud entre en un sector donde los ‘grandes’ son aún frágiles, volátiles y muy sensibles a ciertos cambios en los mercados, pone de relieve la importancia que está adquiriendo el sector y las previsiones de que éste crezca de una forma constante.

A pesar de que, debido a la trayectoria de HP en ordenadores e impresoras para uso personal, algunos pensaran que buscaría el segmento de los usuarios domésticos, nada más lejos de la realidad. La firma ni se plantea esa parte del mercado, aún muy inestable y con pocos beneficios. HP ha entrado con la mira puesta en la industria, el verdadero tractor de la impresión 3D o fabricación aditiva, como mejor le guste denominarla.

La entrada en un negocio ‘nuevo’ de una empresa como HP no se hace de la noche a la mañana ni es una cuestión menor. Hablamos de grandes inversiones en I+D+i, en equipamiento, en personal, y, por último, en promoción. Una decisión de esta relevancia lleva tras de sí un exhaustivo análisis de las perspectivas de mercado y de la capacidad de ofrecer un producto nuevo, fiable y a un precio competitivo.

De momento, a tenor de lo visto, podemos decir que esto se va cumpliendo. La nueva tecnología que presenta HP sólo puede asimilarse, en grandes rasgos, al sinterizado láser de polímeros, por lo que representa una auténtica novedad. La fiabilidad parece que va por buen camino, según se desprende de las conclusiones que sus partners (de la talla de Siemens, BMW, Shapeways y Nike, por citar algunos) han mostrado. El precio anunciado de 155.000 dólares para un equipo completo –compuesto por impresora 3D y estación de procesado- está en la parte baja del rango de sus competidores más directos –el sinterizado láser-, que puede oscilar entre los 100.000 y el millón de euros.

Hace pocos días tuvimos la oportunidad de visitar los laboratorios donde se gesta la tecnología de impresión 3D de HP en la localidad barcelonesa de Sant Cugat del Vallés y pudimos comprobar «in situ» cómo están en un continuo proceso de análisis de todos los sistemas y, eventualmente, de corrección y mejora de éstos.

El hecho de que nos recibieran Helena Herrero, presidenta de HP Inc.;  Ramón Pastor, vicepresidente y jefe de la sección de impresión 3D; Alex Monino, director mundial de marketing para impresión 3D; Scott Schiller, vicepresidente de desarrollo de mercados para impresión 3D; Emilio Juárez, director de ventas EMEA de impresión 3D –anteriormente en Stratasys-, y Manuel López, director de comunicación, nos daba una ligera idea de que HP se estaba tomando todo esto muy en serio. Sólo ‘echamos en falta’ a Stephen Nigro,  presidente de 3D Printing HP, y Dion Weisler, presidente y CEO de HP.

En una intensa jornada, pudimos comprobar los resultados que HP está obteniendo con sus impresoras 3D y su novedosa tecnología Multi Jet Fusion (MJF).

 

¿Producción o prototipado?

La impresión 3D sigue teniendo en el prototipado su mayor uso, aunque la producción de piezas finales sigue creciendo a buen ritmo, especialmente para piezas únicas o tiradas muy cortas, donde presenta una evidente ventaja sobre muchos de los procesos de fabricación en masa, además de la posibilidad de fabricar cerca de los usuarios finales –la llamada fabricación distribuida- con una reducción en costes de transporte bastante considerable.

Según datos ofrecidos por HP, el uso en prototipado de la impresión 3D crecerá en un 26% anual, mientras que el de producción crecerá en un 37%.

En HP han mirado claramente hacia la producción como mercado prometedor para la impresión 3D, y sus sistemas pueden llegar a ser competitivos frente a otros métodos. Como ejemplo, nos enseñaron un pequeño engranaje cuya fabricación nos aseguran que es más económica por impresión 3D para tiradas de hasta 55.000 unidades.

Las propias impresoras 3D de HP ya incorporan 66 piezas que son fabricadas por estas mismas impresoras 3D sin que supongan un sobrecoste frente a otros procesos de fabricación y con la flexibilidad de modificar el diseño de las piezas en cualquier momento e introducirlo en la cadena de montaje de forma inmediata, reduciendo el ‘time to market’ de una forma impresionante.

A finales de este año estará a la venta el primero de los dos modelos de impresora 3D con los que HP inicia su andadura, de características y precio muy similares, pero una de ellas más orientada a prototipado y la otra a producción.

 

La tecnología Multi Jet Fusion de HP

Mucho se ha hablado de cómo funciona la tecnología de HP: si es algo realmente nuevo o es una simple modificación de lo que ya existe.

La tecnología de HP, a la que bautizaron como Multi Jet Fusion (MJF), se engloba dentro de la categoría ‘Powder Bed Fusion’ o fusión en lecho de polvos, que también engloba al sinterizado láser (LS, SLS, SLM, EBM, DMSL y alguna otra nomenclatura más), y dentro de ésta, estaría junto a las que trabajan con material plástico, que necesitan temperaturas de fusión mucho menores que los metales.

El proceso usa dos agentes -líquidos- que son inyectados sobre el lecho de polvo. Con uno de los líquidos se dibuja –igual que en las impresoras ‘normales’- la forma de cada capa de las piezas, mientras que con el otro se dibuja una especie de pared alrededor de la pieza. A este último le llaman “agente de detalle”, mientras que al primero se le denomina “agente fusor” o “agente coalescente”.

Para los más experimentados, este proceso no les es realmanente nuevo, pues seguramente ya conocen los sistemas ‘high speed sintering’ (HSS) y ‘selective inhibition sintering’ (SIS), de los que hablaremos un poco más adelante y parece que serían la base fundamental de la tecnología MJF.

La precisión de la inyección de estos líquidos no es cuestión de debate a tenor de la trayectoria de HP en los sistemas de impresión por inyección de tinta.

Una vez dibujada la capa, se aplica energía –en el caso de HP, en forma de radiación infrarroja- a toda la superficie, de forma que la zona impregnada por el agente fusor se funde, mientras que la parte con el agente de detalle hace de barrera antiadherente, y la zona sin ningún tipo de agente no se modifica.

En lugar de una bandeja de impresión con un papel tenemos una cubeta donde se va añadiendo una fina capa de polvo, de hasta 70 micras de espesor. Este proceso, repetido capa a capa, permite fabricar piezas tridimensionales a partir de polvo de plástico.

Una cualidad interesante es que el proceso tiene una velocidad fija y constante, independientemente de la cantidad de objetos que vayamos a fabricar. Esto permite predecir con mucha exactitud los tiempos de producción y hace que tendamos a producir el máximo de piezas en cada proceso para optimizar el rendimiento.

La velocidad está establecida en 3500 y 4500 centímetros cúbicos por hora, según el modelo; es decir, que si el volumen de fabricación es de 406x305x406 mm (50275 cm3), tenemos un tiempo de fabricación de la cubeta completa de 14,3 y 11,7 horas, según el modelo.

 

De dónde viene esta técnica: HSS y SIS

Como hemos indicado anteriormente, la ‘magia’ del proceso es principalmente el sistema, que se denomina HSS, del que se tienen noticias desde el año 2004, cuando en la Universidad de Loughborough (Reino Unido) lo desarrollaron inicialmente, a raíz de un estudio del Rapid Manufacturing Research Group de la De Montfort University, que señaló que el sinterizado láser podría ser competitivo para producción de series cortas de hasta 14.000 unidades y  sugería que si se eliminaba la parte del láser, que es lo más costoso, por otro método, se podría disparar esa cifra.

Las primeras publicaciones del desarrollo que hicieron en la Universidad de Loughborough describen la tecnología y las primeras pruebas que resultaron en piezas con mejores propiedades que las realizadas con las impresoras 3D de sinterizado láser.

Además, también realizaron una comparación económica muy interesante, en la que el coste por unidad con una impresora 3D SLS se situaba en 0,52 €, mientras que con el nuevo sistema se redujo a 0,05 €, nada menos que 10 veces menos, por la reducción de coste en la máquina –cuyo precio lo calcularon en 100.000 euros-, y la reducción del tiempo de fabricación. Además, se incrementaba la capacidad de producción en algo más de tres veces, desde 140.000 hsata 440.000 piezas por año.

En resumen, encontraron que el sistema HSS, frente al SLS, era más rápido, más barato y mejoraba las propiedades de las piezas, ya solo faltaba llevarlo a la industria.

La versión más sencilla de este sistema puede explicarse en que se imprime con un líquido que contiene partículas de carbono negro sobre el lecho de polvo, dibujando la capa correspondiente de la pieza.

Al aplicar energía en forma de radiación electromagnética, y más concretamente como radiación infrarroja, el carbono absorbe mucha más energía que el polvo de poliamida, esa energía se transforma en calor y funde la poliamida que está ‘rodeada’ por el líquido impregnado en carbono.

La aplicación de la energía está calculada para que la parte ‘pintada’ absorba suficiente radiación para fundir el plástico, mientras que la que no tiene el líquido no alcanza la energía ni la temperatura necesarias.

El SIS es un proceso inverso: se inyecta un agente que reduce la absorción de energía y evita que se funda el plástico, fue desarrollada en la Universidad de California del Sur, aunque esta técnica no ha prosperado mucho. En el caso de HP, esta técnica podría ser similar a la que se usa para que el exterior de la pieza quede con el mayor detalle y no se adhieran pequeñas partículas de polvo de plástico que recibirían calor suficiente como para fundirse parcialmente.

En la descripción del sistema MJF, según las patentes WO2016053245 y WO2015108543, encontramos que el agente fusor o coalescente es una mezcla bastante más compleja de otros componentes co-solventes , tensioactivos y humectantes, para coseguir una dispersión homogénea sobre el polvo.

Además, el «quid» de la tecnología de HP reside en que el polvo no usado, permanece intacto, algo que en los sistemas HSS originales presentaba un problema. El nivel de precisión entre las temperaturas aplicadas a las capas de polvo por los emisores de infrarrojos, tanto estáticos en la zona interior de la cubierta como los instalados en el carro de inyectores, y la composición del agente fusor, hacen que el proceso sea finalmente factible.

 

Control a nivel de Vóxel

Un dato que suele ser bastante llamativo, sobre todo para los no iniciados en el 3D, es el hecho de que HP hable de control a nivel de vóxel. Para los que no conozcan este término, simplemente decirles que es un pixel tridimensional.

En el caso de HP, el vóxel de sus impresoras 3D tiene un tamaño de 20x20x70 micras, es decir, que éste es el mínimo nivel de detalle que alcanzan y sobre el que pueden modificar sus propiedades.

El área de 20×20 micras nos lo da la resolución de los inyectores –aproximadamente 1200 dpi- y la altura de 70 micras está limitada por las características físicas del polvo de material.

De momento, el control que tenemos es el de decidir en qué voxel se impregna el agente fusor o el detallante o ninguno, pero HP ya trabaja en lo que está por venir, como el color, elasticidad, transparencia o conductividad, que serán modificables a nivel de voxel para dotar a las piezas de diferentes texturas, color, rigidez, elasticidad, en aquellas partes que decidamos, mediante múltiples inyectores,  cada uno con una ‘tinta’, al igual que las impresoras a color.

Un ejemplo práctico que nos mostró Alex Monino es la fabricación de piezas que sufrirán desgaste por su uso, a las que en la parte exterior, la que previsiblemente sufrirá el desgaste, se le aplica un color diferente. De esta forma podemos comprobar visualmente si el nivel de desgaste ha llegado a la zona límite y debe ser reemplazada la pieza.

Otro ejemplo que vimos fue el de crear códigos con tinta invisible que aparecen al aplicarle una luz UV, y más allá, también pueden crear códigos que sean visibles ante determinadas longitudes de onda.

Quizá una de las demostraciones más interesantes fue la de una pieza que incorpora propiedades para ser un sensor de presión. En este caso es un eslabón de cadena que es sometido a una tensión y que, gracias al haber modificado las propiedades conductivas del material, permite funcionar como un sensor de presión y saber en cada momento la tensión a la que está trabajando.

Aunque todas estas opciones están actualemente en desarrollo, las muestras que vimos hacen suponer que no tardarán mucho en incorporarlas, a pesar de la complejidad que suponen, principalmente en la formulación química del agente fusor, donde reside la gran mayoría del potencial de esta tecnología.

Como ejemplo, indicar que usando pigmento negro –el que utilizarán de momento las impresoras 3D de HP-, es más evidente para el no iniciado que se puede incrementar la absorción de energía respecto al polvo no inyectado, pero ¿cómo conseguir un pigmento claro y que mantenga esa alta absorción? Todos sabemos lo básico de cómo los colores claros absorben menos radiación que los oscuros y se calientan menos.  Pues esto se lo dejaremos a los expertos en química y materiales, que están trabajando en esa línea. Por no hablar de la capacidad de transparencia, que estaría basada en la estructura cristalina resultante. Todo un reto para la I+D+i.

Las máquinas

HP va a sacar inicialmente dos modelos de impresora 3D, la Jet Fusion 3D 3200 y la Jet Fusion 3D 4200, ambas similares prácticamente en todo salvo en la velocidad, donde la 3200 alcanza 3.500 cm3 por hora y la 4200 llega a los 4.500 cm3/h, además de la altura de capa, entre 0,08  y 0,10 mm para la 3200 y entre los 0,07 y 0,12 para la 4200.

Todos los demás parámetros permanecen iguales en ambos modelos, como el volumen de fabricación de 406x305x406 mm.

El modelo 3200 está pensado para trabajos de prototipado principalmente, mientras que el 4200 está orientado a prototipado y producción.

Además de las impresoras 3D, HP ha creado la Jet Fusion Processing Station, donde se descarga el material sobrante tras una impresión, se recicla y mezcla con material nuevo y se recarga la plataforma de fabricación, la Jet Fusion 3D Build Unit, o el ‘carrito’, como lo llaman coloquialmente, que es un carro donde se encuentra la bandeja de fabricación con el material precargado, que se traslada fácilmente desde la Processing Station hasta la impresora 3D, y viceversa, de forma muy cómoda.

La estación de procesado además puede incluir el sistema de enfriado rápido –recordemos que el material sale muy caliente y no se puede tocar hasta pasadas unas horas-, lo que acelera aún más el proceso global.

El ciclo de trabajo con una impresora 3D, una estación de procesado y dos ‘carritos’, es continuo y no da lugar a tiempos de inactividad o de espera. Mientras la impresora 3D está trabajando, en la estación de procesado se está enfriando y retirando el polvo sobrante para su reciclado y reutilización, se retiran de la cubeta las piezas terminadas y se rellena la build unit con la carga de material para dejarlo listo para volver a la impresora 3D. Todo ello en un proceso semi-automático.

 

Colaboradores de primer nivel

Un desarrollo como el que ha realizado HP no se podría haber llevado a cabo sin la opinión y crítica constructiva –o feedback, como gusta llamarlo ahora- de los potenciales usuarios de esta tecnología.

Siemens, BMW, Nike y Shapeways son algunos de los partners que han tenido ocasión de probar la tecnología de HP y dar feedback a la empresa, para ir ajustando todos los procesos a las necesidades reales de los clientes.

Pero no todo son clientes. HP también ha cerrado estratégicas alianzas con proveedores de software y materiales.

Para el software, HP ha contado con Materialise y Autodesk, para que incluyan soporte nativo de la tecnología MJF en su software Netfabb y Magics, respectivamente, los más usados en el espectro profesional e industrial.

Además, HP es uno de los socios fundadores del consorcio 3MF, que desarrolla el que será el formato estándar de archivos para impresión 3D.

El apartado de materiales es aún más interesante, pues han optado por hacer una plataforma abierta que permita el desarrollo de nuevos e innovadores materiales para su uso en las impresoras 3D de HP. Atrás queda aquella crítica que solíamos hacer:  ‘HP (léase Epson, Canon, Brother, …) gana más dinero vendiendo tinta que vendiendo impresoras’.

Compañías como BASF, Arkema Evonik y Lehmannn & Voss ya están trabajando en ampliar la gama de materiales disponibles para las Jet Fusion de HP, no sólo para crear materiales ‘para todos’ sino también para desarrollar materiales específicos para ciertos clientes que requieran unas características muy concretas.

 

Materiales

El apartado materiales se presenta bastante interesante. En el sinterizado láser se utiliza principalmente poliamida PA12 y PA11, que serán también los materiales iniciales de uso en las Jet Fusion. Pero un punto importante en este aspecto es que en esta tecnología contamos con dos componentes, el material plástico y el agente fusor; es decir que según la formulación de este último podemos modificar muchas de las propiedades de la pieza final sin cambiar de material.

No obstante, como hemos indicado antes, la plataforma abierta de innovación en materiales promete ser una fuente de incorporación de nuevos materiales en un corto plazo, ya sean poliamidas con carga de aditivos como fibra de carbono, fibra de vidrio, retardantes de fuego u otros materiales de base como el polietileno, poliestireno y otros termoplásticos de uso común en la industria y en los bienes de consumo.

El reciclado de material sobrante –no fusionado- es prácticamente total, y simplemente hay que hacer una mezcla con material nuevo en proporción 80-20 (reciclado-nuevo), por lo que el reaprovechamiento es muy elevado.

 

Desde España para todo el mundo

La I+D+i de la impresión 3D en HP se genera en Sant Cugat del Vallés, el pueblo vecino de Barcelona donde se instaló HP hace ya más de 30 años.

La decisión de ubicar en Sant Cugat el centro de operaciones de impresión 3D afianzó aún más la importancia que este centro tiene dentro de la compañía, hasta el punto de que ha sido objeto de dos ampliaciones importantes desde su inauguración.

Ocho prototipos han sido creados desde el año  2012 en estas instalaciones, donde los ingenieros no paran de testar todos los sistemas para que el modelo final esté a punto para su comercialización.

Cuando visitamos la zona restringida de los laboratorios, bajo la amable, pero estrecha vigilancia del personal de seguridad de HP, pudimos observar cómo los trabajos de pruebas con las máquinas era un no parar de datos y números en las pantallas dando cuenta de los parámetros obtenidos en cada una de ellas.

 

Perspectivas de mercado

Álex Monino nos informó de que la prioridad del grupo son el mercado europeo y norteamericano, donde la empresa ya cuenta con una red de ventas establecida. Perguntado por el mercado asiático, Álex lo descarta en primera instancia, por la complejidad de implantar una red en esa parte del mundo, aunque están trabajando en este campo mediante un equipo establecido en Singapur para explorar las posibilidades.

La venta se hará a través de una selección de distribuidores y vendedores repartidos por 11 países europeos más Estados Unidos, donde empezarán a comercializarse.

Ramón Pastor pronostica que en una década los cambios en la manufactura serán importantes, realizando piezas personalizadas y bajo demanda, algo que reduciría los costes de logística, almacenamiento y transporte.

Como hemos indicado anteriormente, en HP han realizado un cálculo para una pequeña rueda dentada, que sale más económica de fabricar por impresión 3D que por moldeo por inyección para cantidades de hasta 55.000 unidades.

A pesar del coste fijo por unidad que suele tener  la impresión 3D, frente a la reducción de coste unitario al incrementar la cantidad en la mayoría de procesos de fabricación, también hay que tener en cuenta que una ligera reducción en el coste por impresión 3D –ya sea por abaratamiento de los equipos, ya por mejora del rendimiento- puede incrementar notablemente la cantidad en la que ‘corta’ la curva.

En la clásica gráfica de comparación de la impresión 3D con coste unitario fijo, y la fabricación tradicional con coste variable, vemos el punto en el que la fabricación tradicional es más económica. En la parte alta de la curva, variaciones de coste, como de A a B, no incrementan mucho la cantidad de piezas que son viables económicamente. No obstante, conforme nos acercamos a la zona baja de la curva, vemos que pequeñas reducciones en el coste por impresión 3D, de B a C, pueden llegar a suponer un gran aumento en la cantidad de unidades que podemos fabricar, de Q2 a Q3, siendo más competitivo que la fabricación tradicional.

El mercado de la impresión 3D se prevé que alcance un valor de 20.000 millones de dólares en 2020, según la mayoría de consultoras, aunque de momento está cifrado en 5100 millones en 2015, según Wohlers –la biblia de la impresión 3D-. Pero el mercado que les abre esta tecnología, el de la manufactura, mueve en torno a 12 billones de dólares anuales.  “Ahí pretendemos posicionar a la compañía y a España como un referente, y es el momento de hacerlo porque ya hay otras regiones que están intentando tomar ese liderazgo, como Nueva York, Singapur y Dubai”, comenta Alex Monino.

Para hacerse con un hueco en este mercado, HP invierte unos 60 millones de euros anuales en I+D+i en el centro de Sant Cugat (no sólo para impresión 3D), donde ya trabajan cerca de 1800 personas y esperan contratar a unas 200 más este año y el próximo. Por cierto, Pastor comentó que les cuesta “encontrar mujeres ingenieras para incorporar a la plantilla».

Comparativa

Esta tecnología entra en competición directa con los sistema de sinterizado por láser, y por ello, hemos preparado una comparativa con éstos.

* Los sistemas EOS disponen de unos 18 materiales, que son variaciones de poliamida con carga de fibra de vídrio, fibra de carbono, aluminio. http://eos.materialdatacenter.com/eo/standard/main/ds

** La serie Duraform de 3D Systems incluye variaciones de poliamidas con fibra de vidrio, fibra de carbono, flexibles, poliestireno.  http://www.3dsystems.com/files/2015/3D-Systems-Duraform-SLS-Material-Sel…

*** La serie de poliamidas de Prodways incluye diversas variantes con fibra de vidrio, fibra de carbono. http://www.prodways.com/en/type/plastic-powders/

La mayoría de impresoras 3D no incluyen en el precio los accesorios para la retirada, recogida y reciclado del material sobrante.

Las velocidades de fabricación inidcadas son las máximas alcanzables. En el caso de las impresoras de HP es constante.

Los precios indicados son orientativos y están extraidos de varias publicaciones online. El resto de datos están extraídos de las webs de los distintos fabricantes.