Nuevas instrucciones para la fabricación aditiva

Talleres y acuerdos ayudan a que los estándares funcionen, y más

Por Cicely Enright

Escoger metal o polímero. Definir el objeto con un archivo de diseño asistido por computadora y enviarlo a imprimir. Y usar un proceso de producción como el sinterizado por láser, fusión por haz de electrones, laminación por deposición selectiva o impresión de inyección de tinta. Terminar con un nuevo producto.

Llámese impresión en 3D o fabricación aditiva, significa construir cosas capa por capa.

Con la fabricación aditiva, o AM por sus siglas en inglés, se puede producir una boquilla de combustible de motor de avión de la mayor complicación geométrica. La fabricación tradicional limita lo compleja que puede ser una pieza.

O, en cirugía, la AM puede hacer una guía de corte específica para el paciente individual. Durante una sustitución de rodilla, la cirugía entonces puede ser más precisa, y puede dar lugar a una articulación artificial que funcione mejor.

La AM es un campo en crecimiento. Según Wohlers Associates en un informe emitido previamente este año, la industria de fabricación aditiva sobrepasó los 5100 millones de dólares de los EE. UU., y la "industria creció en más de 1000 millones de dólares por segundo año consecutivo".

Sin embargo, junto con estos beneficios para tan diversas aplicaciones — principalmente la industria aeroespacial y médica en estos días — surgen preguntas sobre cuánto durará esa boquilla de metal o si esa guía de corte es tan limpia como debería ser.

"Estamos en el umbral de otra revolución industrial", dice Steven Daniewicz, Ph.D., director de ingeniería mecánica en la Universidad del Estado de Mississippi. "Tenemos que asegurarnos de que la integridad estructural esté presente para acompañar las geometrías complicadas que ahora podemos fabricar".

Jon Moseley, Ph.D., director senior de investigación aplicada en Wright Medical Technology, dice: "Para alcanzar plenamente el potencial de esta tecnología, se necesita entender tanto los beneficios como las dificultades".

Para explorar los beneficios y los desafíos de la AM se realizaron recientemente talleres de ASTM, patrocinados por los Comités F04 sobre Materiales y dispositivos quirúrgicos y médicos y E08 sobre Fatiga y Fractura, durante la semana de comités de mayo en San Antonio, Texas. Los programas reunieron en cada evento a más de 100 profesionales de las industrias aeroespaciales y médicas, otros sectores que están comenzando a usar o considerar la AM, laboratorios, entidades reglamentarias como la Administración de Medicamentos y Alimentos (Food and Drug Administration) y la Administración Federal de Aviación (Federal Aviation Administration) de los EE. UU., y estudiantes e investigadores. Como resultado, el desarrollo de nuevos programas y estándares de ASTM abordará desafíos y maximizará oportunidades para la innovación.

Taller N.º 1: Aplicaciones médicas

Los dispositivos médicos de AM abarcan toda la gama desde guías de corte hasta aumentos óseos, articulaciones artificiales, dispositivos de audición y coronas dentales.

La flexibilidad de la AM abre un ámbito de posibilidades de diseño, observa Moseley, quien copresidió el taller sobre aplicaciones médicas. Una imagen de tomografía computarizada o de resonancia magnética se puede convertir en un modelo en 3D que cuadra con el diseño del dispositivo para convertirse en una placa para la cabeza de alguien después de la eliminación de un tumor o después de un trauma, por ejemplo.

Y estos días "Casi todos en el área académica y en la industria de dispositivos médicos tienen algún programa que incursiona en la AM", informa.

El taller se enfocó en cómo la AM puede significar una diferencia para pacientes y cómo el enfoque aún necesita trabajo adicional. Una presentación informó cómo los modelos ayudaron a planear una compleja cirugía de sustitución de articulación que resultó exitosa. Algunos consideraron la limpieza de los dispositivos de AM y las técnicas usadas para eliminar el exceso de aceite o material de proceso. Otros estudiaron los acabados de superficie de dispositivos y su pulido.

El taller trató cuatro problemas en particular sobre los dispositivos médicos de AM:

• La complejidad lleva a una mayor dificultad en validar el control de proceso;
• La inspección y/o la limpieza puede ser más difícil;
• La resistencia a la fatiga puede ser inferior que la de componentes fabricados a la manera tradicional; y la producción puede ser relativamente cara debido a los costos de equipos y de materia prima.
• De los últimos, Moseley dice que la industria necesita descubrir cuándo tiene sentido usar AM, y dónde es económico. "Si no hay ventaja y es más caro, entonces probablemente no lo haremos", agrega.

En los talleres surgió la necesidad de estándares, incluida la validación de control de procesos y limpieza. Los participantes observaron que quieren que el Comité F04 complemente el trabajo en progreso del Comité F42 sobre Tecnologías de fabricación aditiva. Los miembros del F04 involucrados en los dos comités pueden llevar cualquier enfoque o necesidad de materia prima, caracterización o procesamiento al Comité F42.

Moseley, quien está activo en el grupo de tareas de limpieza para implantes del Comité F04 que es parte del subcomité F04.15 sobre Métodos de prueba de materiales, se involucrará en el desarrollo de estándares de limpieza pertinentes que cubrirán la eliminación de aceites y partículas de materiales residuales para prevenir reacciones adversas. Moseley trabajará y ayudará en la coordinación de dos tareas planeadas de estándares resultantes del taller:

• Evaluar la limpieza de dispositivos médicos hechos con técnicas de AM, y
• Una guía para diseñar dispositivos de AM en función de la capacidad de limpieza.

Los representantes de FDA y F42, entre otros, expresaron interés en formar parte del trabajo, según informa, y anticipa que las declaraciones sobre el alcance, y tal vez un estándar en borrador, estarán listos para su consideración este otoño.

Taller N.º 2: Aviación, piezas metálicas

En las aplicaciones de aviación y aeroespaciales, las piezas metálicas de AM como las bombas, aspas de turbinas y piezas de motores, entre otras, son cada vez más comunes.

El taller sobre comportamiento mecánico de componentes de AM, como el programa enfocado en temas médicos que le precedió, suscitó preguntas sobre la validación y el control de procesos, como también la resistencia a la fatiga, deformación-vida (strain-life) y crecimiento de grietas.

"La comunidad de AM ha estado creciendo muy rápido, pero no se ha prestado mucha atención a la resistencia e integridad estructural", dice Daniewicz, quien copresidió el taller. "Sentimos que hay trabajo relacionado a la fatiga que necesita realizarse para aumentar la confiabilidad de las piezas de fabricación aditiva".

La copresidenta Nima Shamsaei, Ph.D., profesora asistente de ingeniería mecánica en la Universidad del Estado de Mississippi, concuerda. "Esa es una de las mayores barreras para la adopción amplia de la fabricación aditiva en aplicaciones estructurales".

Daniewicz y Nik Hrabe, Ph.D., metalurgista en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de los EE. UU. y copresidente del taller, descubrieron que cada uno estuvo planeando un programa para ahondar en la AM para metales y los desafíos específicos sobre su comportamiento mecánico.

Los participantes expresaron que es esencial que haya métodos de prueba no destructivos que encuentren todo posible defecto en piezas de AM, que el ciclo de vida
de fatiga sea correcto para el uso, y que estén disponibles pruebas adicionales para determinar y caracterizar la tolerancia a las fallas y daños. Las presentaciones cubrieron
el uso de aleaciones tanto en dispositivos médicos como en estructuras de aviación, así como la investigación actual sobre las pruebas de propiedades de materiales de piezas
de AM.

Hrabe dice que con el taller "Comenzamos una conversación. Con el tiempo llevará a muchas cosas, como el desarrollo de estándares y un mejor entendimiento de la AM en general". Esto incluye el desarrollo de estándares y un mejor entendimiento de la AM. Como resultado, ya ha sido programado un simposio sobre el tema con Daniewicz y Shamsaei como copresidentes para la segunda mitad de 2017.