En anteriores ocasiones analizamos el estado del arte en impresión 3D bajo una perspectiva histórica (20 años), siguiendo su evolución y despliegue mundial a nivel de desarrollos protegidos, que fueron especialmente significativos a partir del año 2011 y detectamos las empresas líderes y las áreas de desarrollo tecnológico emergentes.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figura1: Emergencia de la Manufactura aditiva. Fuente: Roland Berger, 2016: https://www.rolandberger.com/en/Publications/pub_additive_manufacturing.html

Roland Berger estima que en sólo tres años más (2020) el mercado mundial de la manufactura (incluyendo materiales, maquinaria, software y servicios) será de en entre 12 y 20 mil millones de Euros y McKindsey que en pocos más (2025) de 400 Millones de Dólares!

En este breve post hemos querido averiguar cómo ha empezado el año para las principales empresas que hoy están realizando I+D y patentando nuevas invenciones en el ámbito de la manufactura aditiva e Impresión 3D. Para ello lanzamos una búsqueda general de patentes publicadas en 2017 en PatentPulse, la nueva plataforma para la búsqueda de patentes de Matheo Software, que nos ofrece alta flexibilidad y agilidad en la obtención y análisis de los resultados de búsqueda en las bases de datos de cobertura mundial Espacenet, gestionada por la oficina europea de patentes (EPO) y la estadounidense (USPTO).

Solamente en lo que llevamos de año recuperamos más de 800 documentos de patentes –tanto solicitudes como concedidas- publicadas (pertenecientes a 735 familias) sobre nuevos métodos y procesos de manufactura aditiva.

Principales titulares en 2017

Entre las empresas que tienen más patentes publicadas este año, encontramos algunas de las compañías más innovadoras del mundo, tales como las constructoras aeronáuticas United Technologies, representada también bajo la titularidad de Hamilton Sundstrand (empresa de su grupo) y Boeing, así como compañías como General Electric o HP, el líder en fabricación de impresoras 3D y propietaria de la tecnología FDM (Fused Deposition Modeling) Stratasys y la empresa de semiconductores Applied Materials.

El grafo de la figura 2 nos muestra la red de titulares (círculos en azul) y sus principales áreas de especialización tecnológicas (Códigos de clasificación de patentes CPC7) en amarillo, según puede observarse a través del interfaz interactivo de PatentPulse.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figura 2: Grafo de las principales áreas de especialización de empresas que más patentan en manufactura aditiva este año 2017. Fuente: PatentPulse

Los principales ámbitos de desarrollo tecnológico en que operan estas empresas se relacionan con diferentes técnicas de moldeado (B29C67) y procesos de manufactura additiva en sí (B33Y10) incluyendo accesorios (B33Y30), adquisición y procesamiento de datos relacionados con impresión aditiva (B33Y50), y fabricación de piezas a partir de polvo mecánico por sinterización (B22F3).

Observemos qué tipo de tecnologías y soluciones novedosas está proponiendo cada uno de estos titulares líderes:

  • United Technologies ha solicitado patentes (EP14818654A, US201615272033A,…) de varios métodos de manufactura aditiva (código B33Y10) que involucran moldeado (B29C67) y uso de polvo metálico (B22F3); esto es, para el trabajo con moldes (EP15740212A), para formar componentes de cristal (EP15740789A), separadores de partículas (EP15737134A), sistemas de inspección ultrasónica (EP15737649A) o para eliminar la porosidad de superficies (US201414888670A), para construir canales internos (EP15741105A), para producción de turbinas cerámicas (EP14829417A), para fabricar componentes reforzados por fibras (EP14803585A) y –en ámbitos típicamente propios de la Industria 4.0.- para monitorizar el proceso de fabricación aditiva (US201515113507A, US201414208848A).
  • Boeing se centra en técnicas de moldeado (B29C67) y particularmente de moldeado de composites (B29C70); patenta cabezales de deposición para sistemas de manufactura aditiva (EP16162813A), con uso de hojas laminadas (US201213665687A), para trabajar con partes de composites (EP16168651A, EP16168652A,…) y para la manufactura de componentes reforzados con fibra (EP16180565A), entre otros desarrollos.
  • GE está patentando en Estados Unidos, Europa y Canadá en el ámbito del additive tooling[1], esto es, métodos de manufactura de componentes (CA2933361A), módulos (EP16179869A), paneles (EP15176309A), juntas (EP16177522A) y diversos sistemas para reparación de palas de turbinas (EP16177837A), fabricación de espumas de material composite (US201414549268A), manufactura metálica en base a polvo de aleación de Níquel (US201415107001A, EP15177744A) o de metales con partes con características bi-metálicas (EP15174834A)
  • Hamilton Sunstrand patenta en EE.UU. métodos de fabricación aditiva de artículos con aleaciones de aluminio (US201514801671A, US201514801688A, US201514801682A, US201514801684A) y en métodos de manufactura de partes con identificación de partes protegidas por seguridad (US201514799224A); también un método de fabricación de capacitadores multicapa con barra colectora integrada (US201414168204A), entre otros.
  • Stratasys -que a mediados del pasado año anunció su nueva impresora J750)- patenta varias invenciones y procesos novedosos de impresión 3D tales como métodos electrofotográficos con detección de densidad de polvo (EP15709060A), pre-sinterización (EP15709595A), control de planarización virtual (EP15712206A), composiciones de tintas solubles en agua (US201514859856A); un conjunto licuador para uso en sistemas de fabricación aditiva a base de extrusión (US201514691328A), también patenta en Hong Kong (HK16104863A) varios métodos de impresión 3D y en Israel, métodos para impresión y limpieza de boquillas (IL2016050751W) y otros sistemas de impresión 3D (IL2016050752W, IL2016050753W) incluyendo sistemas de eliminación de desechos (IL2016050754W), así como métodos de fabricación de capas cruzadas (EP15768896A) entre otros.
  • Samsung solicita este año patentes de invenciones relacionadas con métodos de manufactura aditiva para fabricación de paquetes LEDs (US201514797036A) y métodos para monitorizar la fabricación de semiconductores usando luz polarizada (US201615078232A).
  • Applied materials patenta procesos de conversión para la fabricación de características 3D para aplicaciones de dispositivos semiconductores (US201514622647A), estructuras abrazaderas (US201615211960A), dispensadores selectivos de material (US201615212075A), polvos exotérmicos (US201615216166A) y métodos de control de temperatura en procesos de fabricación aditiva (US2016039820W) así como patrones de espaciadores múltiples autoalineados para tecnologías nanométricas (US201514730194A)
  • Toshiba, también solicita patentes intensivamente en este ámbito sobre métodos de manufactura de aparatos de impresión (US201415124305A), materiales alimentadores (US201415124270A, US201415124009A) y dispositivos lumínicos (US201415124251A), entre otros.
  • HP ha apostado fuertemente por la Impresión 3D; abriendo en Sant Cugat del Vallès (Barcelona) su centro mundial de negocio y con el lanzamiento de sus primeras nuevas máquinas Multi Jet Fusion; este año han aparecido patentes con su titularidad sobre métodos de deposición de capas (EP11781473A), cabezales de impresión con control térmico (EP12885448A, EP12885726A) y detección de partículas en el aire (US2015039070W), por las que HP solicita protección en Estados Unidos, México y España.

Además de las empresas que se sitúan como líderes en lo que va de año, muchas otras empresas están solicitando en los últimos años patentes en las principales oficinas de la PI, en este ámbito de frenético dinamismo en el que todo el mundo quiere estar.

La impresión aditiva de polvo metálico

Hemos visto que la tercera de las clasificaciones más asignadas (B22F3) es la relacionada con Fabricación de piezas de trabajo o de artículos a partir de polvo metálico caracterizado por el modo de compactación o sinterización. Una considerable cantidad de los desarrollos actuales, pues, se centra en la aplicaciones de materiales metálicos para procesos de fabricación aditiva.

Algunas de las empresas que están proponiendo procesos novedosos específicamente para impresión aditiva con polvo de metal son:

  • EOS, empresa líder en impresión 3D de metales y pionera en la tecnología de sinterización Metal Laser sintering (DMLS); este año ha aparecido publicadas en Alemania dentro de familia con solicitud mundial (WO2017009249A2)- patentes sobre nuevos métodos y aparatos para producir objetos tridimensionales (DE102015213011A1, DE102015213106A1, DE102015213106A1, DE102015213103A1, DE102015213140A1).
  • El fabricante noruego Arcam Ab, con su tecnología de manufactura para metales EBM con la que fabricó los brackets de soporte de la aeronave de la misión Juno de la NASA ha conseguido la concesión de varias patentes en EE.UU. sobre métodos y aparatos de manufactura aditiva (US9550207B2, US201414230922A).
  • La china Ningbo patenta un polvo metálico para impresoras 3D (US201415113055A).
  • Alcoa Inc, que cuenta con plantas de producción de polvo de metales (Titanio Níquel y alumnio) para impresión 3D, también ha patentado este año (US201615279026A), entre otras.
  • La japonesa Sodick, que comercializa las impresoras OPM2050L, patenta una impresora 3D de metal (DE102016112652A, US2017014905A1)
  • La noruega Digital Metal Ab posee una patente concedida en Estados Unidos US9545669B2.
  • La alemana Evobeam solicita patente internacional (WO2017009093A1) sobre un método de manufactura aditiva de componentes metálicos tridimensionales.
  • 3D Systems tiene también patentes concedidas en EE.UU. sobre escritura directa por medio de sinterización laser (US9533451B2).
  • Asimismo, esperamos aún la aparición de nuevas patentes este año de SLM Solutions

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figura 4: Titulares con patentes publicadas este año en fabricación por sinterización de polvo de metal (B22F3): Fuente: PatentPulse

Las tecnologías más usadas en la fabricación de piezas por compactación de polvo de metal son principalmente técnicas de sinterización selectiva como la stereolitografía (B22F3/1055) o el Selective Laser Melting (B29C67/0077)

Encontramos ejemplos de implementación en numerosos sectores:

  • Automoción: Rolls-Royce –su coche Phantom está constituido por más de 10.000 partes impresas en 3D! registra la manufactura aditiva de un componente con canales de refrigeración (EP3115131A1), Audi reivindica métodos de fabricación de precursores de substrato de pilas de combustible (EP3020087A4); Kawasaki métodos de fabricación de palas compresoras de flujo axial (CA2861476A),…
  • Aeroespacial: la francesa Safran reivindica, entre otros, procesos de manufactura por sinterización de polvo de aluminuro de titanio (WO2016185115 , FR2016051580W, US201515300854A); Keystone patenta métodos aditivos de fabricación de componentes de tanques de satélites espaciales (US201615196636A), la Agencia Aeroespacial Europea, solicita una patente en Estados Unidos sobre un método de fabricación de un material cerámico sobre una matriz metálica (US2017022111A1); Goodrich patenta sistemas aditivos de reparación de ruedas y frenos (EP3120968A1) y fabricación de LEDs para aviones (EP15177327A), Boeing sistemas de manufactura aditiva de partes compuestas (EP3124213A1), hojas laminadas (US9550349B1), cabezales de deposición (EP3078483A3), Airbus (FR2977826B1, EP3117985A1, EP3124208A1), …
  • Fotovoltaico: Optomec propone su tecnologia Aerosol Jet deposition para la producción de celdas solares; Tetrasun reivindica procesos de manufactura de dispositivos que implican metalización (US2016031269W), Panasonic métodos de manufactura de celdas solares (EP15746961A, US201615264798A), Air Liquide, protege métodos de formación de capas de Silicio para celdas solares (EP15306245A), …
  • Biomédico: Biomet Mfg reivindica una estructura implantable metálica (EP13735500A),…
  • Minería y construcción: Caterpillar consigue concesión de una patente sobre un método de soldadura de un consumible (US9545693B2),…
  • Semiconductores En el área del diseño y fabricación de chips semiconductores, numerosos actores proponen tecnologías altamente innovadoras tales como nuevas tintas de materiales semiconductores que pueden ser extruidas directamente desde la impresora e imprimir, por ejemplo, a la vez LEDs y circuitos, ampliando las potenciales áreas de aplicación.

Aplicación de distintos materiales metálicos

Los polvos metálicos disponibles para fabricación aditiva son en gran parte los mismos que se usan en  muchas áreas de aplicación industrial (sector aeroespacial, automoción, dispositivos médicos, etc.): aceros inoxidables, aleaciones de aluminio, superaleaciones de cobalto-cromo o níquel[1], titanio puro o aleaciones de titanio, aleaciones de cobre, metales preciosos (oro, plata, platino, paladio,…). La tabla muestra algunos ejemplos de nuevos desarrollos actuales de aplicación por tipo de material.

Entre las conclusiones que podemos sacar, la gran cantidad de soluciones técnicas novedosas propuestas actualmente para la impresión de diversos materiales metálicos en polvo; todo apunta a que podemos esperar seguir viendo su despliegue generalizado en los próximos años en múltiples industrias. Según Gartner, en 2020, el 10% de las operaciones industriales integrarán tecnologías de impresión 3D robótica en su fabricación, el 30% de los implantes médicos internos y los dispositivos serán impresos 3D (muchos de ellos fabricados in situ), las líneas de tiempo de introducción del producto se reducirán en un 25%, y un 75% de las operaciones de fabricación mundial integrarán herramientas impresas en 3D.

Es también palpable el cambio ocurrido en términos de presencia en el mercado en los últimos años, con la entrada decidida de actores mayores y más afianzados -como HP y GE-que van ganando terreno a los pioneros -como Stratasys, 3D Systems, ExOne o Optomec– que sin embargo siguen innovando con fuerza, así como numerosos nuevos entrantes -como Carbon– y tantos otros que se van incorporando y que convendrá vigilar.

Este ha sido sólo un vistazo o foto fija de algunos de los desarrollos actuales, a la luz de las publicaciones de patentes que han aparecido desde principios de año. Un análisis más detallado que tenga en cuenta el contexto dinámico de las actividades de los actores, nos permitirá trazar un mapa más completo de sus estrategias (considerando el conjunto de las invenciones que constituyen una familia y su estado legal, las redes de desarrollo que se establecen, la evolución de la actividad específica de centros de investigaciones de referencia o el talento particular de un inventor, etc.) y obtener una mejor percepción del flujo de nuevo conocimiento estratégico en esta área altamente dinámica. Patentpulse nos permite activar sistemas de alerta a partir de distintos criterios de búsqueda que podemos definir, por lo que podemos mantenernos actualizados respecto a los distintos focos de interés.

[1] Como las usadas en las aeronaves de SpaceX

 

 

 

        Enric Escorça
eescorsa@idea2value.net