Impresión 3D
Introducción
La
impresión 3D es un proceso que permite hacer objetos tridimensionales
sólidos a partir de un modelo digital. La impresión 3D se consigue
utilizando procesos aditivos (con aporte de material), donde se crea un
objeto mediante las capas sucesivas de material. La impresión 3D difiere
de los tradicionales mecanizados (técnicas de procesos sustractivos),
que se basan principalmente en la eliminación de material por métodos
tales como fresado, torneado, corte y perforación.
Los
procesos aditivos se realizan, generalmente, por una impresora de
materiales utilizando la tecnología digital. Desde el inicio del siglo
XXI ha habido un gran crecimiento en las ventas de estas máquinas, y su
precio ha bajado considerablemente.
La
tecnología se utiliza en joyería, calzado, diseño industrial,
arquitectura, construcción, industria automotriz, ingeniería
aeroespacial, industrias médicas y dentales, educación, sistemas de
información geográfica, ingeniería civil, y muchos otros campos.
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| Tecnología 3D (Impresora RepRap versión II-Mendel) |
Los primeros
ejemplos de la impresión 3D se produjo en la década de 1980, aunque las
impresoras eran grandes, caras y muy limitadas en lo que podían
producir.
La sinterización
selectiva por láser (SLS) fue desarrollado y patentado por el Dr. Carl
Deckard y el Dr. Joseph Beaman en la Universidad de Texas en Austin a
mediados de 1980, bajo el patrocinio de DARPA. Un proceso similar fue
patentado sin ser comercializado por RF Housholder en 1979.
La Estereolitografía fue patentada en 1987 por Chuck Hull.
El modelado por deposición fundida fue desarrollado por S. Crump Scott, a finales de 1980 y se comercializó en 1990.
El
término "impresión 3D" fue acuñado en el MIT en 1995, cuando los
entonces estudiantes de posgrado Jim Bredt y Tim Anderson modificaron
una impresora de inyección de tinta para la extrusión de una solución
vinculante sobre un lecho de polvo, en lugar de tinta sobre el papel. La
patente resultante condujo a la creación de la moderna tecnología de
impresión 3D de las empresas Z Corporation (fundada por Bredt y
Anderson, y ahora propiedad de 3D Systems) y ExOne.
Hoy por hoy, se denomina impresión 3D a una amplia gama de tecnologías de fabricación aditiva.
Etapas del proceso
Modelado
La
impresión 3D tiene planos virtuales de diseño asistido por ordenador
(CAD) o animación de software de modelado como guías para la impresión.
Dependiendo de la máquina que se utiliza, el material o vinculante se
deposita sobre el lecho de compilación o de la plataforma hasta que la
capa de material/aglutinante se completa y el modelo 3D final ha sido
"impreso".
Los
datos estándar de interfaz entre el software CAD y las máquinas de
impresión es el formato de archivo STL. Un archivo STL se aproxima a la
forma de una pieza o un ensamblaje con facetas triangulares. Pequeñas
facetas producen una superficie de mayor calidad. El PLY es un formato
de archivo de entrada generado por escáner, y archivos VRML (o WRL) se
utilizan a menudo como entrada para las tecnologías de impresión 3D que
son capaces de imprimir a color.
Impresión
Para
realizar una impresión, la máquina lee el diseño y establece las capas
sucesivas de líquido, polvo o material de lámina para construir el
modelo a partir de una serie de secciones transversales. Estas capas,
que corresponden a las secciones transversales virtuales a partir del
modelo CAD, se unen o fusionan automáticamente para crear la forma
final. La principal ventaja de esta técnica es su capacidad de crear
casi cualquier forma o característica geométrica.
La resolución de
la impresora describe espesor de la capa y la resolución X-Y en dpi
(puntos por pulgada), o micrómetros. El espesor típico de la capa es de
alrededor de 100 micras (0,1 mm), aunque algunas máquinas, tales como la
Objet Connex y la 3D Systems ProJet pueden imprimir capas tan
delgadas como 16 micrómetros. La resolución XY es comparable a la de las
impresoras láser. Las partículas (puntos 3D) son de alrededor de 50 a
100 micrómetros (0,05-0,1 mm) de diámetro.
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| Objet260
Connex |
La construcción
de un modelo con métodos contemporáneos puede tardar de varias horas a
varios días, dependiendo del método utilizado, el tamaño y la
complejidad del modelo, tipo de máquina utilizada y del tamaño y número
de los modelos de fabricación simultánea.
Las técnicas tradicionales
tales como el moldeo por inyección puede ser menos costoso para la
fabricación de productos plásticos en altas cantidades, pero la
fabricación por impresión 3D puede ser más rápido, más flexible y menos
caro cuando se producen cantidades relativamente pequeñas de piezas. Las
impresoras 3D ofrecen a los diseñadores la capacidad de producir piezas
y modelos conceptuales utilizando una impresora de tamaño de
escritorio.
Acabado
Aunque
la resolución del impreso producido es suficiente para muchas
aplicaciones, una mayor resolución se puede lograr mediante la impresión
de una versión ligeramente sobredimensionada del objeto deseado en
resolución estándar y luego retirar material con un proceso de mayor
resolución sustractivo.
Algunas técnicas de fabricación son capaces
de utilizar múltiples materiales en el curso de la construcción de las
piezas. Algunos también utilizan soportes durante la construcción. Los
soportes son extraíble o soluble tras la finalización de la impresión, y
se utilizan para apoyar voladizos durante la construcción.
Principales tecnologías
Actualmente,
varias tecnologías de fabricación aditiva están disponibles. Se
diferencian en la forma en se depositan las capas para crear las piezas y
en los materiales que se pueden utilizar. Algunos métodos funden o
ablandan el material para producir las capas, como por ejemplo, la
sinterización selectiva por láser (Selective laser sintering: SLS) y el
modelado por deposición fundida (Fused deposition modeling: FDM),
mientras que otros curan materiales líquidos utilizando diferentes
tecnologías sofisticadas, como por ejemplo, la estereolitografía (Stereo
lithography apparatus: SLA). Con el método de manufactura de objeto por
laminado (Laminated object manufacturing: LOM), capas finas se cortan a
la forma y se unen entre sí (por ejemplo: papel, polímero, metal). Cada
método tiene sus propias ventajas y desventajas, y algunas empresas
ofrecen la opción entre polvo y polímero para el material del que está
construido el objeto. Las principales consideraciones en la elección de
una máquina son generalmente velocidad, costo de la impresora 3D, costo
del prototipo impreso, el costo y la elección de materiales y la
capacidad de utilizar diferentes colores.
Las impresoras que
trabajan directamente con los metales son muy costosas. En algunos
casos, sin embargo, impresoras menos costosas se puede utilizar para
hacer un molde, que luego se utiliza para fabricar piezas metálicas.
Ejemplos de tecnologías de fabricación aditiva
Tipo
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Tecnologías
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Materiales
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Extrusión
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Modelado
por deposición fundida (FDM)
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termoplásticos (por ejemplo, PLA,
ABS), aleaciones eutécticas de metales, productos comestibles
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Granular
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Sinterizado
láser directo de metal (LMD)
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Casi
cualquier aleación de metal
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Fusión por
haz de electrones (EBM)
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Aleaciones
de titanio
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Sinterización
selectiva por calor (SHS)
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Termoplástico
en polvo
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Sinterización
selectiva por láser (SLS)
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termoplásticos , metales en polvo ,
polvos cerámicos
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impresión 3D
con cabezal de inyección de tinta sobre lecho en polvo
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Yeso
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Laminado
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Fabricación
objeto laminado (LOM)
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Papel, hoja
metálica, película de plástico
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Foto-polimerizado
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Estereolitografía
(SLA)
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fotopolímero
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Procesamiento
digital de luz (DLP)
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resina
líquida
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Deposición por extrusión
El
modelado por deposición fundida (Fused deposition modeling: FDM) es una
tecnología que fue desarrollada por Stratasys a finales de 1980, que se
utiliza en la creación rápida de prototipos tradicionales.
El FDM
utiliza un filamento de plástico o alambre de metal que se enrolla en
una bobina y se va desenrollado para suministrar material a una boquilla
de extrusión que puede iniciar o detener el flujo de fundido. La
boquilla se calienta para fundir el material y se puede mover en ambas
direcciones, horizontal y vertical, mediante un mecanismo de control
numérico que es controlado directamente mediante un software de
fabricación asistido por ordenador (CAM). El modelo o pieza se produce
por extrusión de pequeños aportes de material termoplástico para formar
capas como el material se endurece inmediatamente después de la
extrusión desde la boquilla. Típicamente, se utilizan motores paso a
paso o servo motores para mover el cabezal de extrusión.
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| Tecnología FDM |
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| Impresora 3D (FDM) |
Vinculación de materiales granulados
Otro enfoque de
la impresión 3D es la fusión selectiva de los materiales en un lecho
granular. Esta versión utiliza el medio no fusionado como apoyo de
voladizos y paredes finas en la pieza que está siendo producida, lo que
reduce la necesidad de soportes auxiliares temporales para la pieza. Un
láser se utiliza típicamente para sinterizar los medios en un sólido.
Los ejemplos incluyen la sinterización selectiva por láser (SLS),
utilizado con polímeros, como por ejemplo, poliamida (PA), poliamida con refuerzo de fibra de vidrio (PA-GF), polietereter cetona (PEEK), poliestireno
(PS), Alumide (PA cargado con polvo de aluminio), Carbonmide (poliamida
cargada con fibra de carbono), elastómeros). También es utilizada con
metales (sinterización láser directa de metal o LMD), cerámica y vidrio
(fibra de vidrio rígida).
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| Tecnología SLS |
La fusión por haz
de electrones (Electron beam melting: EBM) es un tipo similar de
tecnología de fabricación aditiva de piezas de metal (por ejemplo,
aleaciones de titanio). El EBM fabrica piezas por fusión de polvo
metálico capa por capa con un haz de electrones en un alto vacío. A
diferencia de las técnicas de sinterización de metal que funcionan por
debajo del punto de fusión, las piezas obtenidas mediante EBM son
completamente densas, sin vacíos y muy fuertes.
El sistema de
impresión CandyFab utiliza el aire caliente y azúcar granulado como
medio para producir objetos de arte de grado alimenticio.
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| Impresora 3D
Candyfab |
Otro método
consiste en un sistema de impresión 3D por inyección de tinta. La
impresora crea el modelo de una capa a la vez mediante la difusión de
una capa de polvo (yeso o resinas) y la impresión de un aglutinante en
la sección transversal de la pieza, utilizando un proceso de inyección
de tipo tinta. Esto se repite hasta que cada capa ha sido impresa. Esta
tecnología permite la impresión de prototipos de varios colores, con
salientes o voladizos y las piezas hachas de elastómeros. La fuerza de
adhesión del polvo impreso se puede mejorar con impregnación de ceras o
polímeros termoestables.
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| Impresora 3D por
inyección de tinta |
Vinculación de capas laminadas
La
fabricación objeto laminado (laminated object manufacturing: LOM) es
una sistema de creación rápida de prototipos desarrollado por Helisys
Inc. En ella, las capas de papel, plástico o metal laminados recubierto
con adhesivo son sucesivamente pegadas entre sí y cortadas en una forma
determinada mediante una cuchilla o un cortador láser. Esta tecnología
de fabricación aditiva presenta un bajo coste debido a la materia prima,
fácilmente disponible
La precisión dimensional es ligeramente menor
que la de la estereolitografía y sinterización selectiva por láser,
pero no es necesario etapa de molienda. Se pueden hacer piezas
relativamente grandes.
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| Tecnología
LOM |
Fotopolimerización
La
fotopolimerización se utiliza principalmente en la estereolitografía
(SLA) para producir una pieza sólida a partir de un líquido.
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| Tecnología SLA |
En el
procesamiento digital de luz (DLP), una cuba de polímero líquido es
expuesto a la luz de un proyector DLP. El polímero líquido expuesto
endurece. La placa de construcción (base) luego se mueve hacia abajo en
pequeños incrementos y el polímero líquido se expone de nuevo a la luz.
El proceso se repite hasta que el modelo se ha construido. El polímero
líquido se drena desde la cuba, dejando el modelo sólido. El Ultra
Envisiontec es un ejemplo de un sistema de prototipado rápido DLP.
En
los sistemas de inyección de tinta, como el sistema Polyjet Objet, el
fotopolímero se rocía sobre una bandeja de construcción en una capa muy
delgada (entre 16 y 30 micras) hasta que la pieza está terminada. Cada
capa de fotopolímero se cura con luz UV después de que se inyecta,
produciendo modelos completamente curados que pueden ser manipulados y
utilizados inmediatamente, sin post-curado. El material de soporte de
tipo gel, que está diseñado para soportar geometrías complicadas, se
retira a mano y chorro de agua. También es adecuado para elastómeros.
Características
ultra-pequeñas se pueden lograr mediante técnicas de micro-fabricación
3D utilizado en foto-polimerización multifotónica (absorción de dos
fotones). Este enfoque traza el objeto 3D deseado en un bloque de gel
utilizando un láser enfocado. Debido a la naturaleza no lineal de la
fotoexcitación, el gel se cura a un sólido sólo en los lugares donde se
centra el láser y el gel restante se eliminan por lavado. Las
características de tamaños de menos de 100 nm se producen fácilmente,
así como estructuras complejas con partes móviles y con enclavamiento.
Sin embargo, otro método utiliza una resina sintética que se solidifica
utilizando LEDs.
Impresoras 3D
Impresoras de uso doméstico
Hay
varios proyectos y empresas que hacen esfuerzos para desarrollar
impresoras 3D de escritorios asequibles para uso doméstico. Gran parte
de este trabajo ha sido impulsado por entusiastas con o sin vínculos
académicos, comunidades de aficionados bajo la consigna hágalo usted
mismo. El
proyecto RepRap es uno de los más largos en ejecución en la categoría de
impresoras 3D de escritorio. El proyecto RepRap tiene como objetivo
producir un software libre y de código abierto, cuyas especificaciones
completas se publican bajo la Licencia Pública General GNU, y que puede
imprimir muchas de sus propias piezas para crear más máquinas.
Impresoras para uso comercial y doméstico
El
desarrollo y la hiper-personalización de las impresoras 3D, con base a
los avances del proyecto RepRap, ha producido una nueva categoría de
impresoras adecuadas tanto para el uso doméstico como comercial.
Entre
las máquinas más baratas se encuentran el Solidoodle 2 y la Huxley.
Existen otras máquinas basadas en tecnología RepRap de gama alta en las
cuales se han mejorado para imprimir a alta velocidad y alta definición.
Dependiendo de la aplicación, la resolución de impresión y la velocidad
de fabricación se encuentran entre una impresora personal y una
impresora industrial.
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| Impresora 3D
Solidoodle |
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| Impresora 3D
Huxley |
Formlabs, una
empresa de reciente creación, presento una nueva impresora 3D (Form 1)
basada en el proceso de estereolitografia a un precio que puede competir
con las impresoras 3D basadas en la tecnología FDM. Debido a su mayor
precisión de impresión estará más destinada al uso profesional.
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| Impresora 3D Form1 |
Aplicaciones
Las
aplicaciones típicas de la impresión 3D incluyen visualización de
diseños, prototipado / CAD, arquitectura, educación, salud y
entretenimiento. Otras aplicaciones pueden llegar a incluir
reconstrucción de fósiles en paleontología, replicado de antigüedades o
piezas de especial valor en arqueología y reconstrucción de huesos y
partes del cuerpo en ciencia forense y patología.
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| Productos obtenidos por impresión 3D |
La tecnología de
impresión 3D está siendo actualmente estudiada en el ámbito de la
biotecnología, tanto académico como comercial, para su posible uso en la
ingeniería de tejidos, donde órganos y partes del cuerpo son
construidos usando técnicas similares a la inyección de tinta en
impresión convencional. Capas de células vivas son depositadas sobre un
medio de gel y superpuestas una sobre otra para formar estructuras
tridimensionales. Algunos términos han sido usados para denominar a este
campo de investigación, tales como impresión de órganos, bio-impresión e
ingeniería de tejidos asistida por computadora, entre otros.
Usos industriales
Prototipado rápido
Las
impresoras 3D industriales han existido desde la década de 1980 y se
han utilizado ampliamente para la creación rápida de prototipos y de
investigación. Estas son generalmente más grandes que las máquinas
hogareñas utilizadas para la creación rápida de prototipos por
universidades y empresas comerciales. Las impresoras 3D industriales son
fabricados por empresas como 3D Systems, Objet Geometries y Stratasys.
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| Impresoras 3D
(Stratasys) |
Productos personalizados
Empresas
como MakieLab, Kodama Studios y Shapeways han creado servicios web, en
los cuales, los consumidores pueden crear y personalizar sus propios
diseños online, y ordenar los elementos resultantes como objetos únicos
impresos en 3D.
Producción en masa
La velocidad
actual de impresión lenta de las impresoras 3D limita su uso para la
producción en masa. Para reducir esta sobrecarga, varias máquinas de
fusión de filamentos ahora ofrecen cabezales múltiples de extrusión.
Éstos se pueden utilizar para imprimir en múltiples colores, con
diferentes polímeros, o para realizar impresiones múltiples simultáneas.
Esto aumenta su productividad, mientras que requieren menos inversión
de capital que las máquinas duplicadas, ya que pueden compartir un solo
controlador. A diferencia del uso de varias máquinas, las máquinas de
materiales múltiples se limitan a hacer copias idénticas de la misma
pieza, pero puede ofrecer múltiples colores y distintos materiales
cuando sea necesario. Su velocidad de impresión se incrementa
proporcionalmente a la cantidad de cabezales y su costo de energía se
reduce debido al hecho de que comparten el mismo volumen de impresión
térmico. Estas dos características reducen los gastos generales. Sin
embargo, el costo principal sigue siendo el del filamento en bruto, que
no se modifica.
Muchas impresoras ofrecen ahora dos cabezas de
impresión. Sin embargo, estos se utilizan para la fabricación de piezas
individuales en varios colores/materiales o la posibilidad de generar
soportes para voladizos.
En 2012, CartesioLDMP fue la primera
impresora 3D de código abierto para imprimir 4 piezas idénticas al mismo
tiempo con cuatro extrusoras.
Pocos estudios han sido realizados en
este campo para ver si los métodos convencionales sustractivos son
comparables a los métodos aditivos.
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| Impresora
3D Cartesio de 4 cabezales |
Usos domésticos y hobbies
A
partir de 2012, la impresión 3D doméstico ha cautivado principalmente a
aficionados y entusiastas. La impresión 3D se utiliza principalmente
para objetos ornamentales, creación de juguetes, personalización de
productos, etc. Una impresora (de Fab@Home) incluye chocolate en los
materiales que se pueden imprimir.
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| Impresora 3D de
chocolate (Fab@home) |
Investigación de nuevas aplicaciones
Las
futuras aplicaciones de impresión en 3D podría incluir la creación
equipamiento científico de código abierto u otras aplicaciones basadas
en la ciencia, como la reconstrucción de fósiles en paleontología,
replicando artefactos antiguos y de valor incalculable en la
arqueología, la reconstrucción de huesos y partes del cuerpo en
patología forense y la reconstrucción de evidencia adquirida muy dañada
de investigaciones de la escena del crimen.
El uso de tecnologías de
escaneo 3D permite la replicación de los objetos reales sin el uso de
moldeo por técnicas que en muchos casos puede ser más caro, más difícil,
o demasiado invasiva para llevar a cabo, en particular para artefactos
delicados, donde el contacto directo con las sustancias podría dañar la
superficie del objeto original. La
tecnología de impresión en 3D ha sido estudiada por empresas
biotecnológicas e instituciones académicas para su posible uso en
aplicaciones de ingeniería de tejidos en el que los órganos y partes del
cuerpo son construidos con técnicas de inyección de tinta. En este
proceso, las capas de células vivas se depositan sobre un medio de gel o
matriz de glucosa y se construye lentamente para formar estructuras
tridimensionales, incluyendo los sistemas vasculares. Varios términos se
han utilizado para hacer referencia a este campo de investigación:
impresión de órganos, bio-impresión, impresión de partes del cuerpo e
ingeniería de tejidos asistidos por ordenador, entre otros.
