Comprender las tecnologías de impresión 3D

Desde prototipos de diseño hasta partes protésicas del cuerpo, la impresión 3D está creando nuevas posibilidades en la fabricación. Actualmente, las máquinas de impresión 3D producen de todo, desde piezas de fundición de arena hasta implantes dentales de titanio y álabes de turbina. El pato de la foto de arriba, Buttercup, nació con un pie terriblemente deformado que le impedía caminar. Con la ayuda de una prótesis personalizada impresa en 3D, Buttercup ahora puede caminar normalmente.

Antes de echar un vistazo más de cerca a la impresión 3D o, como se la denomina formalmente, "fabricación aditiva", examinemos la "fabricación sustractiva" convencional, o como a veces se la denomina "fabricación sustractiva". Este tipo de fabricación convencional, en lo que respecta al corte de plásticos, es algo para lo que Craftech está bien equipada. En la fabricación sustractiva, las láminas o varillas de plástico se reducen para producir sujetadores terminados.

Cortar metales como el acero presenta un desafío mayor. Cuando cortamos acero, los sujetadores suelen pasar algún tiempo en una fresadora CNC, donde se cortan en forma mediante fresas de carburo. La máquina debe ser extra rígida para mantener tolerancias estrictas. A modo de ejemplo, uno de nuestros molinos, uno pequeño para los estándares de la industria, pesa alrededor de 26,000 libras. Utiliza un motor de 35 caballos de fuerza y ​​tiene formas rígidas de caja. Cuando la máquina está en posición de combate, puede sostener una milésima de pulgada fácilmente. Mantener las décimas tampoco está fuera de discusión, ya que el eje y los tornillos de bolas se enfrían a una temperatura constante y el refrigerante de alta presión puede pasar a través del eje, lo que nos permite hacer cosas como taladrar con pistola. Un molino como ese, si se compra hoy, costaría alrededor de $ 350,000- $ 400,000. Su área de trabajo mide aproximadamente 20 ”x40” x26 ”de alto. Cualquiera que programe y ejecute una de estas bestias siempre se hace en última instancia la misma pregunta:¿por qué una máquina no podría simplemente colocar o fusionar capas de metal en una pieza terminada? ¿No sería mucho más sencillo? Ahí es donde entra en juego la impresión 3D.

Al abordar un proyecto de impresión 3D, primero se necesita acceder a un programa de modelado 3D, como Solidworks o Inventor. El modelo sólido creado por dichos programas, así como los programas más caros como Sieman NX o Pro-E, pueden entonces se emitirá en formato STL (estereolitografía). El término "estereolitografía" fue patentado en 1984 por Charles W. Hull, el hombre que inventó el lenguaje de la impresión 3D moderna. El término se define como "un sistema para generar objetos tridimensionales mediante la creación de un patrón de sección transversal del objeto que se va a formar".

El objetivo original de la impresión 3D era poder hacer objetos extremadamente pequeños con una precisión tremenda. Este proceso se llama microfabricación. En cierto modo, la impresión 3D es el resultado de una combinación del sistema de posicionamiento CNC utilizado en molinos y maquinaria de electroerosión con la tecnología, en gran parte del grupo de industrias de semiconductores, que implicaba el uso de vigas para alterar la capa de resistencia en las placas de circuito impreso. para producir características 3D. Esta primera tecnología de impresión 3D era esencialmente litografía.

No pasó mucho tiempo antes de que varios procesos, como el proceso LIGA, pudieran construir estructuras 3D reales con gran precisión. Por ejemplo, se construyó una estructura alveolar de 70 um de altura con paredes de celdas de 8 um de espesor. Otros elementos, como bombas completamente funcionales, cerraduras, etc., también se han construido de esta manera.

Una vez que se desarrollaron estas tecnologías, se preparó el escenario para la producción de artículos más grandes. Examinemos ahora las tres tecnologías principales que se han desarrollado para la impresión macro, o la impresión 3D de objetos visibles con cierta masa.

1) Modelado de deposición fundida (FDM)

Este método es realmente un tipo de extrusión que generalmente se usa para fabricar ABS u otros modelos de plástico. También se puede utilizar con metales eutécticos e incluso sustancias comestibles. Las máquinas que utilizan FDM pueden ser relativamente económicas. Incluso hay kits de bricolaje para aquellos para quienes la precisión no es un factor importante. Algunos de ustedes pueden estar familiarizados con MakerBot, una máquina FDM común.

2) Sinterización directa por láser de metales (DMLS)

Se puede utilizar casi cualquier aleación de metal para hacer modelos con esta técnica de impresión 3D. Los problemas posteriores a la construcción reducen parte de la eficacia de cualquiera de estos métodos aditivos que se basan en la sinterización mediante una viga. Eso es simplemente que necesitan un curado posterior a la construcción para garantizar que las partículas del modelo se adhieran de tal manera que tengan al menos una resistencia razonablemente cercana al metal real que se está utilizando. Esto también significa más tiempo posterior a la compilación. Para compensar una unión y / o dimensionalidad menos que perfecta, algunos fabricantes no tienen unidades de producción que combinen tecnologías aditivas y sustractivas para producir una pieza terminada. Supongamos que desea hacer una pieza de alta tolerancia, como un diente de metal cubierto de esmalte o una placa parcial. Primero se forma el artículo de metal. Luego, sin tener que ser movido físicamente, con toda la pérdida de precisión que eso implica, el artículo simplemente se desliza hacia la unidad sustractiva (fresado), donde se eliminan las últimas milésimas y se realiza cualquier pulido u otro acabado mecánico. Es cierto que se trata de una fusión provisional e incómoda de dos tecnologías. Eventualmente, las células de fabricación aditiva colocarán cada capa átomo por átomo, eliminando la necesidad de cualquier tipo de acabado.

3) Sinterización selectiva por láser (SLS)

Este proceso también se desarrolló a mediados de la década de 1980. Es capaz de sinterizar metales y plásticos. La fusión selectiva por láser (SLM), por otro lado, no se basa en la sinterización. Más bien derrite el material a una temperatura lo suficientemente alta como para que se forme un objeto completamente formado, denso y fuerte a través del proceso. Luego está la EBM, o fusión por haz de electrones. Este proceso se realiza en alto vacío y se utiliza principalmente para formar piezas de titanio resistentes y totalmente densas. Utiliza un haz de electrones para fundir un alambre delgado, colocando así capa tras capa de metal. También es uno de los procesos más precisos. Sin embargo, comprar uno lo suficientemente grande y potente como para producir incluso pequeños núcleos y cavidades de molde podría costarle al comprador $ 500,000 o más. Lo que es hoy mucho más omnipresente son las pequeñas impresoras de tipo extrusión 3D de escritorio.

El escáner 3D también debe mencionarse como un complemento indispensable para el modelado e impresión 3D. Como una cámara y un digitalizador en uno, puede escanear un objeto con la suficiente precisión como para traducirlo inmediatamente en un modelo. En un momento, la única forma de escanear con precisión las medidas de un objeto era mediante el uso de una máquina de medición de coordenadas, o CMM. Tan recientemente como hace diez años, estas máquinas costaban más de $ 100,000. Aunque todavía tienen su lugar en talleres de fabricación de herramientas y otros lugares donde las precisiones requeridas están dentro de las décimas (.0001 ”o aproximadamente ¼ de micrón), muchos modelos se pueden escanear con estos escáneres 3D nuevos y relativamente económicos. Sin duda, alguien también está trabajando en un escáner que le dirá al posible comprador si el suéter que está comprando en línea le quedará bien. En cualquier caso, el campo de la fabricación aditiva y el escaneo 3D es uno que actualmente muestra una promesa ilimitada.

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