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Este es un artículo invitado por Alex Huckstepp de Digital Alloys

La producción de metales, desde la extracción de minerales hasta la fabricación de piezas, representa el 7% de nuestro uso global de energía. Si bien se ha promovido la fabricación aditiva de metales (MA) como una forma de ayudarnos a reducir nuestra huella de carbono, esto no se ha demostrado bien con información clara y completa. Además, falta una comparación completa del consumo de energía por los diferentes procesos de AM de metales. Para optimizar cuándo, dónde, qué y cómo implementar AM, debemos ser capaces de evaluar su impacto ambiental y compararlo con los procesos de fabricación convencionales como el mecanizado CNC .

Para un análisis eficaz, debemos considerar todo el ciclo de vida de la fabricación. Esto incluye todos los pasos desde el material de minería hasta la producción de metales primarios, la fabricación de materias primas, la impresión, el posprocesamiento y cualquier material reciclado a lo largo del camino:

Analizaremos el consumo de energía en cada uno de los pasos del proceso anteriores para el titanio y el acero para herramientas, dos de los metales más utilizados en AM.

Minería y producción de metales primarios

Las materias primas utilizadas en AM y mecanizado implican el mismo proceso inicial: el mineral se extrae y se procesa, y luego el metal se alea y se funde en un lingote. La energía consumida en estos primeros pasos debe entenderse para calcular el impacto del desperdicio de material aguas abajo. El desperdicio de material varía ampliamente entre los procesos de fabricación (incluida la AM). Discutiremos esto más a fondo en la sección de proceso de impresión.

El titanio requiere una cantidad excepcionalmente grande de energía para procesar, casi 10 veces más que el acero. Esta es una de las razones por las que es un material tan caro.

Fabricación de materias primas

Casi todos los procesos de Metal AM consumen polvo o alambre como materia prima, mientras que el mecanizado suele utilizar palanquilla como materia prima. Se requiere energía para procesar el lingote (gran bloque de metal formado en la producción de metal primario) en estas formas. El polvo se crea mediante atomización de gas, un proceso lento y costoso. El alambre se crea estirando metal a través de troqueles progresivos. La placa de metal se forma laminando en caliente el lingote y luego se corta en varios tamaños de palanquilla.

Las materias primas de metal AM requieren de 3 a 4 veces más energía para fabricarse que la palanquilla utilizada en el mecanizado. El proceso de trefilado es ligeramente más eficiente que la atomización de polvos con gas, con mayor rendimiento. La producción de materia prima mediante inyección de aglutinante consume la mayor cantidad de energía por kg debido a la adición del aglutinante.

Proceso de impresión

La energía del proceso de impresión incluye tanto la energía de impresión primaria (por ejemplo, láser) como la energía secundaria para operar la máquina. Las pérdidas de energía y los procesos secundarios (motores, calentadores, enfriadores, bombas, computadoras, etc.) de las impresoras 3D de metal suelen ser los que más contribuyen al consumo total de energía. El uso total de energía del sistema puede ser de 5 a 10 veces la energía de la energía de impresión primaria. Por ejemplo, un sistema de lecho de polvo láser con un láser de 500 vatios consume unos 4.000 vatios en funcionamiento. Para la mayoría de los sistemas, la energía secundaria no aumenta significativamente con la velocidad de impresión. Como resultado, la impresión más rápida reduce el consumo de energía por unidad de producción.

Joule Printing ™ y Binder Jetting son los procesos de impresión más eficientes, y Laser Powder Bed Fusion es el menos eficiente. Los procesos Wire DED consumen mucha energía en relación con Joule Printing ™. Wire DED debe mantener una gran cantidad de material fundido en toda la impresión, lo que requiere un exceso de calor. Como punto de referencia, a velocidades de impresión similares, los sistemas DED de alambre Sciaky usan un haz de electrones de 40kw, mientras que Joule Printing ™ usa menos de 1kw de calentamiento por julio (también conocido como resistivo). Los sistemas de lecho de polvo multiláser utilizan aproximadamente 1 kW de potencia láser, pero imprimen a velocidades entre 25 y 100 veces más lentas que los procesos de alambre. La mayor parte del consumo de energía en la inyección de aglutinante se produce en el paso secundario de sinterización del horno. Es importante comparar estos consumos de energía del proceso AM de metal con alternativas convencionales como el mecanizado.

El desbaste es el primer paso de mecanizado CNC para fresar material lejos de la palanquilla para lograr una pieza con forma casi neta (similar a la impresión) antes de terminar el mecanizado. El titanio y el acero para herramientas no se pueden mecanizar rápidamente y desgastan la herramienta de corte. Los datos anteriores representan la energía necesaria para eliminar 1 kg de material. A diferencia de AM, el consumo total de energía de mecanizado depende en gran medida de la geometría de la pieza. Más específicamente, la relación entre el volumen de la pieza de trabajo inicial y el volumen mecanizado final (la «relación de compra-venta»). En industrias como la aeroespacial, esto puede promediar alrededor de 10: 1 y, a veces, incluso exceder 30: 1. Por lo tanto, la energía total consumida por el mecanizado en desbaste son los datos de kwh / kg anteriores multiplicados por el peso total de material eliminado.

La producción de materias primas consume más energía que la mayoría de los procesos anteriores. Por tanto, el consumo de energía que representa el desperdicio de material es crítico. El desperdicio de material en el mecanizado está representado por la relación compra-vuelo. El cálculo del desperdicio de material en la AM de metal es más complejo. Hay dos contribuyentes principales:

1. Residuos de material impreso , que incluyen estructuras de soporte y expansión de forma casi neta que se eliminarán en el mecanizado de acabado (posprocesamiento). La cantidad total de desperdicio de material impreso depende en gran medida de la geometría y el proceso. Los procesos con la resolución más baja y la libertad de geometría, como Wire DED, producen la mayor cantidad de desperdicio de material impreso.
2. Residuos de material no impreso , que es cualquier material utilizado en la impresión que no entra en la pieza pero no se puede reutilizar. Esto se aplica a los procesos de lecho de polvo en los que la calidad del polvo puede verse comprometida ya que se expone al calor y al oxígeno durante el proceso de impresión. En la mayoría de los casos, se desecha alrededor del 10% del polvo sin imprimir. Puede ser tanto polvo como esté impreso. Las limitaciones de reutilización del polvo dependen en gran medida del material, el proceso y la aplicación.

Dado que estos dos factores que contribuyen al desperdicio de material dependen en gran medida del material, la geometría y la aplicación, demostraremos su impacto a través del análisis de una pieza específica a continuación.

Postprocesamiento

Existe una gran variabilidad en las demandas de energía de posprocesamiento debido a las dependencias de la geometría (requisitos de mecanizado de soporte y acabado), procesos y requisitos específicos de la aplicación como el tratamiento térmico (a menudo se requiere HIP en los procesos de lecho de polvo). El ejemplo específico a continuación es la forma más clara de ilustrar esto.

Reciclaje de material

El reciclaje de materiales es un factor importante porque permite a los fabricantes recuperar parte de la energía de las corrientes de desechos de materiales. Un gran porcentaje del material desperdiciado en la fabricación, impresión y posprocesamiento de la materia prima se puede volver a procesar y reutilizar. En promedio, alrededor del 60% de los desechos de materiales se pueden reciclar y alrededor del 80% de la energía ya gastada en su procesamiento (energía incorporada) se puede recuperar. Esto significa que podemos recuperar aproximadamente la mitad de la energía incorporada en las corrientes de desechos de materiales. Esto se incluye en el siguiente ejemplo.

Estudio de caso de consumo de energía de fabricación: ejemplo de pieza aeroespacial de titanio

La parte anterior es un soporte que se utiliza en el fuselaje de un avión comercial. Hoy en día, se fabrica mediante mecanizado CNC a partir de palanquilla. Esta pieza tiene una relación de compra a vuelo de 17: 1 (ver el volumen de la pieza de trabajo representado en la imagen) y es representativa de muchos componentes de aviones. Para el propósito de este estudio de caso, asumimos que la pieza final pesa exactamente 1 kg, lo que requiere una pieza de trabajo de 17 kg (palanquilla).

Usamos las métricas anteriores para calcular cuánta energía total se consume en cada paso para fabricar esta pieza, restando la energía que podemos recuperar mediante el reciclaje. También contabilizamos el desperdicio de material de los diferentes procesos:

La mayor parte de la energía del posprocesamiento se destina al mecanizado final. El consumo de energía del mecanizado de acabado es proporcional a la cantidad de “desperdicio de material impreso”. Estimamos que es del 5% para el caso del mecanizado CNC a partir de palanquilla. El acabado del titanio requiere mucha energía, se eliminan aproximadamente 200 kwh / kg, pero para la mayoría de los procesos de AM no se requiere mucha remoción de material. La excepción es Wire DED, que tiene una gran cantidad de «desperdicio de material impreso» debido a su baja resolución y limitaciones de geometría. Los tratamientos térmicos son otro paso clave de posprocesamiento para la AM de metales. El alivio del estrés suele ser un requisito, pero es relativamente eficaz y consume menos de 1 kwh / kg. Otro paso de posprocesamiento, HIP-ing, se utiliza en los procesos de lecho de polvo para aumentar la densidad y la resistencia de la pieza. HIP-ing consume alrededor de 1,5 kwh / kg. Estas estimaciones de energía de tratamiento térmico asumen que las piezas se procesan en grandes lotes de producción. El consumo de energía puede ser significativamente mayor a bajo volumen.

Tener en cuenta estos cálculos de posprocesamiento, junto con los factores de desperdicio de material anteriores, nos permite calcular la energía total consumida (kwh) por los diferentes procesos:

Las piezas de titanio de alta compra para volar con CNC consumen mucha más energía que la AM de metal; 4-6 veces más en este ejemplo. La razón principal se debe a la gran cantidad de desperdicio de material generado por el mecanizado en bruto. Esta pieza es un gran ejemplo de una aplicación en la que la AM de metal puede ofrecer ahorros de energía significativos junto con la posibilidad de reducir el tiempo y el costo también.

Para comparar más de cerca los procesos de AM de metal, eliminamos el mecanizado CNC de la tabla:

Joule Printing ™ es el proceso de AM de metal de extremo a extremo con mayor eficiencia energética, seguido de Binder Jetting y Laser Powder Bed Fusion. Wire DED es el menos eficiente energéticamente debido principalmente a su alto desperdicio de material. LPBF desperdicia la mayor cantidad de energía en el proceso de impresión. Todos estos procesos están dominados por la energía consumida en la producción de metales primarios. Las formas más fáciles de reducir aún más la huella energética de la AM de metal son reduciendo el desperdicio de material y eliminando la masa del diseño.

Impacto medioambiental

Sabemos que el consumo de energía es malo para nuestro medio ambiente, pero debemos traducirlo cuantitativamente en impacto ambiental. Los científicos del clima están más preocupados por las emisiones de dióxido de carbono (CO2) de la generación de energía. Cuándo y dónde consume la energía eléctrica de la red eléctrica determina cómo se produjo esa energía y las emisiones de CO2 asociadas. El siguiente cuadro resume la fuente de energía y el consumo por sector en los EE. UU.

En los EE. UU., El consumo de energía genera emisiones de CO2 que oscilan entre 0,5 y 2 libras de CO2 / kwh. Esto debería ser una consideración importante al determinar dónde ubicar sus operaciones de fabricación. En los EE. UU., El promedio es de aproximadamente 1 libra de CO2 / kwh. Usamos este promedio para crear el siguiente gráfico de emisiones de CO2 para los ciclos de vida de fabricación para la pieza aeroespacial de titanio de ejemplo de 1 kg.

Nuevamente, eliminando el mecanizado CNC para que podamos comparar los procesos de AM de metal más de cerca:

Una forma de analizar las emisiones de CO2 es observar las sanciones económicas asociadas que se están aplicando en todo el mundo para intentar limitarlas e incentivar la generación de energía más limpia y un menor consumo de energía. Los países ya han pasado a gravar las emisiones de CO2, también conocido como “impuesto al carbono”. En Europa, esto es actualmente alrededor de € 30 / ton. Eso es € .02 / lb de emisiones, lo que equivale a € 6 para la fabricación de extremo a extremo de la pieza de ejemplo. A estas tasas, los impuestos al carbono aún no tienen una gran influencia en la selección del proceso de fabricación, sin embargo, los expertos creen que aumentarán significativamente en el futuro. Estudios recientes han estimado que el “verdadero costo social” de las emisiones de CO2 supera los 200 euroes. A medida que aumentan los impuestos al carbono, la AM de metales se vuelve aún más valiosa en comparación con los procesos convencionales que consumen mucha energía.

Conclusión

Para los procesos de fabricación que implican una gran cantidad de desperdicio de material, como el mecanizado, la AM de metal ofrece la oportunidad de reducir el consumo de material y energía. Esto es especialmente cierto para las materias primas intensivas en energía como el titanio. Entre los procesos de AM de metales, existe una gran variación en la eficiencia energética debido a la cantidad de material consumido y al proceso de impresión en sí. En la mayoría de las piezas, Joule Printing ™ consume la menor cantidad de energía. El siguiente proceso con mayor eficiencia energética es el Binder Jetting, sin embargo, es necesario realizar más investigaciones sobre los impactos ambientales de la quema de aglomerante. Los procesos Wire DED y Laser Powder Bed consumen relativamente mucha energía, pero aún ofrecen ventajas frente al CNC para piezas de alta compra para volar. Estos datos de consumo de energía y emisiones ambientales deben usarse en combinación con muchos otros factores para tomar las mejores decisiones de cadena de suministro para su negocio.

Los datos utilizados en esta publicación se compilaron a partir de muchas investigaciones diferentes. La fuente de información más grande la proporcionó el experto de la industria, Phil Reeves de Reeves Insight Ltd. Cuando encontramos rangos de valores o datos contradictorios, se utilizaron puntos medios y promedios.

Nos gustaría agradecer a las siguientes personas por su ayuda con esta publicación:

• Phil Reeves, Reeves Insight Ltd.
• Joris Peels, 3DPrint.com
• John Barnes y Kevin Slattery, asesores de Barnes Group
• James Huckstepp – S&P Global Platts

ICON, con sede en Austin, debutó previamente con su casa impresa en 3D en SXSW, mostrando una alternativa de construcción asequible. Ahora, la compañía está construyendo muchos más, después de haberlo aprobado por los estándares regulatorios para el permiso de vivienda. Su impresora Vulcan II puede potencialmente construir casas de 650 pies cuadrados por entre € 4,000 y € 6,000 euroes. La empresa cree que su trabajo podría ayudar a solucionar la crisis de la vivienda.

La tecnología detrás de las casas impresas en 3D pasó la fase regulatoria en 2020, por lo que ICON ahora puede realmente enfocarse en proyectos más grandes. En colaboración con la organización sin fines de lucro New Story , construyeron una casa de 60 metros cuadrados con áreas separadas de dormitorio, sala de estar, baño y cocina, para mostrar realmente lo que puede hacer la impresora estilo pórtico.

Otra razón por la que este proyecto tiene muchas más bases que sus predecesores son los materiales. Con el uso de lavacrete, la empresa ha producido viviendas que pueden soportar diversas condiciones climáticas extremas, llegando incluso a minimizar el impacto de desastres naturales. El material proporciona una base amplia para el marco, con materiales tradicionales que componen las ventanas y techos, etc.

El método también es sostenible, al que apuntan muchos proyectos de construcción de impresión 3D. El trabajo de ICON permite una gran masa térmica, mientras que produce pocos residuos. Incluso tiene la ventaja de un fácil transporte, ya que la impresora puede caber en un remolque. Como resultado, pueden construir en áreas que los equipos de construcción gigantes pueden no encontrar accesibles.

Vulcan II y las imprentas

El Vulcan II está en el centro de las operaciones de la empresa. Emplea un solo sistema de pórtico y opera en el lugar. Utiliza un novedoso «sistema de entrega de material automatizado», que ICON llama Magma. En el proceso de entrega, puede mezclar lavacrete con varios aditivos e hidratarlo usando depósitos de agua incorporados. Además de su fácil transportabilidad, tanto la impresora como los materiales pueden funcionar en condiciones de agua, electricidad e infraestructura de fácil construcción limitadas.

La composición del lavacrete también puede variar de una iteración a otra. Esto permite a ICON adaptar los materiales a las condiciones particulares de cada ubicación o las necesidades de la casa. Permite a los diseñadores tener en cuenta la temperatura, la humedad, la altitud y otros factores.

El Vulcan II se puede operar con una tableta como centro de control. Incluso viene con un paquete de software para convertir dibujos CAD en formatos imprimibles como obj. Teniendo en cuenta la reducción de costes que gestiona, junto con la accesibilidad y aparente facilidad de uso, ICON tiene una tecnología muy prometedora en sus manos.

Imagen destacada cortesía de ICON y Architect’s Newspaper.

Investigadores de la Universidad de Minnesota han creado See-Shell, un cráneo transparente para estudiar la actividad neuronal en ratones. El uso de tales herramientas de monitoreo para medir la actividad neuronal en tiempo real está brindando información masiva sobre el tratamiento de conmociones cerebrales, Alzheimer y otros trastornos neuronales. El dispositivo es tan simple como un reemplazo del cráneo normal, lo que permite a los investigadores obtener imágenes del órgano periódicamente. A su debido tiempo, el equipo también espera que ayude a mejorar los tratamientos según sus hallazgos.

See-Shell permite a los investigadores monitorear la actividad dentro de los ratones para obtener una imagen clara de cómo la actividad en una parte del cerebro está ligada a otras partes del órgano.

“ Estos son estudios que no podríamos hacer en humanos, pero son extremadamente importantes para comprender cómo funciona el cerebro para que podamos mejorar los tratamientos para las personas que experimentan lesiones o enfermedades cerebrales ”, dice Timothy J. Ebner.

Cada cráneo de See-Shell permite al equipo colocar » sondas neuronales penetrantes para perturbar o registrar la actividad neuronal simultáneamente con imágenes de la corteza completa «, según el estudio. Más específicamente, los cráneos proporcionan aproximadamente 300 días de acceso de monitoreo óptico a 45 mm ² de tejido dorsal dentro de los ratones. La investigación en video que utilizó el dispositivo detalló los cambios en el brillo en respuesta a una mayor actividad neuronal. Aparecen destellos sutiles cuando todo el cerebro se enciende a la vez.

Calaveras transparentes impresas en 3D

Los investigadores detallan sus hallazgos en un estudio que publicaron en Nature , ‘ Interfaz neuronal en toda la corteza a través de cráneos de polímero transparentes ‘. Construyeron los See-Shells tomando imágenes de los cráneos reales de los ratones y recreándolos a través de una impresora 3D de escritorio común. El marco del cráneo consiste en polimetilmetacrilato (PMMA) impreso con una película de PET delgada, flexible y transparente. El PET y el PMMA son ideales para este tipo de experimentos, ya que son lo suficientemente transparentes y fáciles de imprimir.

“ Esto nos dará nueva información sobre cómo funciona el cerebro humano. Esta tecnología nos permite ver la mayor parte de la corteza en acción con un control y una precisión sin precedentes mientras estimula ciertas partes del cerebro ”, dijo Suhasa Kodandaramaiah, coautor del estudio.

Si bien los cerebros de los ratones son ciertamente diferentes, proporcionan algunas similitudes útiles con la neurología humana. Esperan que las respuestas dentro de los ratones sean lo suficientemente aplicables al campo de la medicina. Actualmente, los investigadores están utilizando See-Shells para estudiar el Parkinson, el Alzheimer y una variedad de otras enfermedades. También analizaron cómo las conmociones cerebrales leves se propagan por todo el cerebro y cómo se recupera.

Imagen destacada y video cortesía de la Universidad de Minnesota.

Con su tecnología de fusión de chorros múltiples realmente despegando, HP está logrando grandes avances en el mundo de la impresión 3D. De hecho, la tecnología está funcionando tan bien que HP está celebrando haber impreso 10 millones de piezas solo en este año. La compañía de fama mundial está conmemorando la ocasión agregando también el lanzamiento de un servicio de producción de chorros de metal.

Al principio, estaba claro que la velocidad y la reducción de costos que proporcionaba MJF iban a ser un gran atractivo. Desde entonces, muchas industrias han adoptado la tecnología de HP, incluidas Daimler Trucks North America, Fast Radius, Linear AMS y el Cuerpo de Marines de EE. UU. Parece que todos esos socios contribuyeron a un aumento masivo de la producción.

“ Se produjeron más de 10 millones de piezas con la tecnología Multi Jet Fusion de HP en el último año. Estamos viendo una explosión de nuevas aplicaciones en todas las industrias que aprovechan la libertad de diseño, la economía superior, la velocidad y la calidad de grado industrial que ofrecen HP y sus socios ”, dijo Christoph Schell, presidente de impresión 3D y fabricación digital de HP Inc. “ A medida que continuamos expandiendo nuestra cartera de plásticos y metales tanto en la creación de prototipos como en la producción, y construimos nuestra comunidad de socios globales, ayudamos a los clientes a ahorrar dinero, acelerar el tiempo de comercialización y mejorar la sostenibilidad a medida que avanzan en su viaje de fabricación digital. »

HP también agregó recientemente las impresoras 3D Multi Jet Fusion de la serie 500/300 a su línea. Esta expansión seguramente aumentará el uso de sus máquinas, ya que cuentan con soluciones de menor costo. La línea ofrece un modo de producción complementario a los sistemas de grado industrial de HP al tiempo que permite la creación de prototipos y la producción en una sola máquina. Mientras HP celebra su último hito, está claro que también tienen planes por delante.

Servicio HP Metal Jetting

“ Los beneficios del servicio de producción habilitado para HP Multi Jet Fusion ofrecido por Fast Radius brindan a los clientes enormes beneficios en el diseño de aplicaciones, producción y cadena de suministro ”, dijo Lou Rassey, CEO de Fast Radius. “ Desde la reducción del almacenamiento y la obsolescencia, y una menor huella de carbono, nuestra colaboración con HP realmente está sacando a relucir el valor real de la fabricación aditiva para las empresas de todo el mundo. »

La compañía también está avanzando con su nuevo servicio de inyección de metales . La compañía está promocionando HP Metal Jet como la tecnología de impresión de grado de producción más avanzada para la fabricación de grandes volúmenes. Atribuyen esto a que ofrece 50 veces más productividad a menores costos que los métodos de la competencia. Con su servicio de inyección de metal ahora ampliamente disponible, las empresas pueden aprovechar la tecnología por sí mismas.

Como parte del servicio de impresión 3D de metal , los clientes ahora pueden cargar archivos de diseño 3D y recibir piezas metálicas funcionales en grandes cantidades. Los socios de HP, GKN Powder Metallurgy y Parmatech, ayudarán en la producción. Quizás HP también celebre su próximo hito en piezas metálicas. Tendremos que esperar y ver.

Imágenes destacadas cortesía de HP.