Binder Jetting versus Material Jetting:diferencias clave en las tecnologías de impresión 3D

La inyección de aglutinante y la inyección de material son dos tecnologías de impresión 3D relacionadas que, en la superficie, tienen similitudes. Si se examina más detenidamente, las diferencias son mucho mayores. La inyección de aglutinante es un proceso de lecho de polvo adaptable al material. Los cortes del modelo se unen y unen al corte de abajo inyectando una amplia gama de compuestos adhesivos mediante métodos de chorro de burbujas o inyección de tinta, para imprimir/unir una imagen del corte.

La inyección de material también utiliza tecnología de chorro de burbujas, pero imprime cortes de modelo directamente en una mesa de construcción. Generalmente utiliza resinas acrílicas modificadas o epoxis. La inyección de aglutinante proporciona una producción rápida y rentable de piezas de resolución relativamente baja en una amplia gama de materiales, mientras que la inyección de material ofrece una resolución más alta adecuada para prototipos y modelos de plástico detallados. La selección de la tecnología aplicable depende de los requisitos específicos del proyecto, incluida la resolución, los materiales y el volumen de producción.

Este artículo analizará las diferencias entre la inyección de aglutinante y la inyección de material en términos de sus procesos, ventajas y desventajas, selección de materiales, tipos y más.

¿Qué es el Binder Jetting?

La inyección de aglutinante es un proceso de fabricación aditiva en el que se deposita capa por capa un material en polvo, normalmente metal, arena, yeso o cerámica. Se deposita selectivamente un agente aglutinante líquido, normalmente un polímero, sobre el lecho de polvo para unir las partículas. Este proceso crea cada corte del modelo 3D solidificando el aglutinante al contacto o mediante un paso de poscurado. 

El aglutinante se aplica mediante cabezales de inyección de tinta, como boquillas piezoeléctricas o térmicas (de chorro de burbujas). Una vez depositado, el aglutinante hace que las partículas de esa capa se unan entre sí y con la capa previamente impresa. El polvo suelto permanece suelto y sirve como estructura de soporte natural durante la construcción. En los bordes del área impresa, la acción capilar hace que el aglutinante se derrame ligeramente hacia el polvo circundante, lo que puede reducir la resolución y la definición de los bordes, especialmente en aplicaciones de polvo fino. Esta zona de sangrado es una de las principales limitaciones para lograr funciones de alta resolución. 

Algunos sistemas de inyección de aglutinante incorporan una etapa de impresión adicional para depositar pigmentos a todo color, lo que permite la creación de prototipos multicolores detallados. Estos colores están incrustados dentro de la pieza y pueden resistir pasos de posprocesamiento como la infiltración, el lijado o el sellado.

Para obtener más información, consulte nuestra guía sobre Binder Jetting.

Una ilustración de la inyección de aglutinante.

¿Cuáles son las ventajas y desventajas de la impresión 3D Binder Jetting?

La inyección de aglutinante tiene ventajas y desventajas, lo que a menudo hace que su selección para un proyecto sea una decisión clara. Los beneficios del enfoque son:

1. Tiempos de construcción más rápidos que muchos otros procesos de impresión 3D, especialmente para piezas grandes o impresas por lotes.
2. Rentable para la producción a granel, ya que las materias primas (polvos y aglutinantes) generalmente son de bajo costo y el proceso no requiere estructuras de soporte más allá del lecho de polvo circundante.
3. Bajo desperdicio de material y posprocesamiento sencillo, con el polvo no utilizado fácilmente recuperado y reutilizado.
4. Amplia compatibilidad de materiales, incluidos metales (p. ej., acero inoxidable, bronce, aluminio), cerámica, arena y yeso.
5. Capaz de producir geometrías complejas y características internas que serían difíciles o imposibles de fabricar utilizando métodos tradicionales.
6. Se pueden lograr grandes volúmenes de construcción gracias al hardware relativamente simple y a la configuración escalable del lecho de polvo.

Las desventajas ampliamente reportadas de la inyección de aglutinante son:

1. Las piezas producidas mediante inyección de aglutinante suelen tener una textura superficial granulada o porosa, ya que están formadas a partir de polvo aglomerado. Mientras que los sistemas anteriores utilizaban polvos con tamaños de partículas de alrededor de 100 µm, los sistemas modernos lo han reducido a aproximadamente 10 µm. No obstante, la suavidad de la superficie sigue siendo inferior a la de otros métodos de impresión como SLA o inyección de material.
2. Las piezas verdes son mecánicamente débiles y no son adecuadas para aplicaciones de carga. La sinterización puede mejorar la resistencia, pero el proceso introduce contracción y distorsión, lo que afecta la precisión dimensional. Incluso con la sinterización, puede resultar difícil mantener la precisión dimensional debido a la contracción y la distorsión térmica.
3. Las piezas de inyección de aglutinante a menudo presentan una porosidad interna significativa. Se requieren pasos adicionales como la infiltración de metal, el prensado isostático en caliente (HIP) o la sinterización para lograr la resistencia o densidad adecuada, lo que añade costo y complejidad.
4. La resolución es moderada; El sangrado del aglutinante en los bordes de impresión reduce los detalles en comparación con tecnologías de mayor resolución como SLA o inyección de material.
5. Las propiedades del material son generalmente inferiores a las logradas con métodos como SLS, DMLS o FDM con filamentos reforzados.
6. Existen preocupaciones de seguridad cuando se trabaja con polvos finos. El polvo de metal y cerámica plantea riesgos de inhalación y contaminación, por lo que requiere una ventilación adecuada y equipo de protección personal (EPP).

¿Cuáles son ejemplos de impresión 3D Binder Jetting?

Una de las aplicaciones más comunes de la impresión por inyección de aglutinante es la fabricación de accesorios fotográficos, como envases de productos y figuritas, que se requieren para aplicaciones sin estrés. Cada vez más, se informa que la inyección de aglutinante es un medio práctico para producir rápidamente componentes metálicos de precisión relativamente baja y acabado superficial basto. Si bien estas piezas tienen una aplicación restringida, cuando las propiedades son apropiadas, pueden funcionar muy bien y con una producción relativamente rápida y un bajo costo.

Pieza de chorro de aglutinante fabricada con acero inoxidable por Xometry

¿Qué es el chorro de material?

La inyección de material es una tecnología de impresión 3D que utiliza métodos de impresión por inyección de tinta o chorro de burbujas para entregar materiales de construcción y soporte de fotopolímero líquido o cera directamente en una plataforma de construcción. El material impreso se cura parcial o totalmente en el proceso de impresión antes de que la mesa baje y se aplique el siguiente corte del modelo.

El proceso de impresión generalmente aplica dos (o más) materiales relacionados en la construcción de capas. Los materiales de construcción suelen ser polímeros curados con calor o con luz ultravioleta que pueden ser rígidos, semiflexibles o pseudoelastómeros. Algunas variantes del proceso utilizan cera como material de construcción, lo que permite la producción directa de piezas maestras de fundición a la cera perdida de la más alta calidad sin necesidad de mano de obra calificada. El material de soporte se coimprime mediante cabezales de impresión adicionales. Dicho material de soporte será químicamente soluble o una versión soluble en agua del material de construcción que se acopla completamente al modelo pero que puede retirarse posteriormente. Los sistemas avanzados pueden permitir mezclar o alternar diferentes materiales de construcción durante la impresión. Esto permite la gradación de propiedades, donde las características mecánicas de una pieza varían según la región (por ejemplo, de blanda a rígida) y el cambio de material, para cambiar el comportamiento funcional dentro de la misma geometría de la pieza.

Para obtener más información, consulte nuestra guía sobre Material Jetting.

Una ilustración del chorro de material.

¿Cuáles son las ventajas y desventajas de la impresión 3D por inyección de material?

Las ventajas del material jetting son:

1. Ofrece una resolución de impresión excepcional, la más alta en equipos disponibles comercialmente. Es ideal para imprimir modelos complejos con detalles finos y secciones delgadas.
2. Algunas máquinas de esta clase pueden imprimir simultáneamente con dos materiales en proporciones variables del 0 al 100 %. Esto permite la creación de propiedades de material variables y personalizadas y, hasta cierto punto, algunas opciones de variación de color.
3. Ofrece precisión y repetibilidad de alta dimensión. Cuando la calibración de la máquina se realiza exhaustiva y correctamente, las piezas impresas coinciden estrechamente con sus diseños digitales.
4. El tipo de máquina para este proceso es relativamente rápido en comparación con otras tecnologías de buena resolución como la estereolitografía (SLA).
5. Los materiales de fotopolímero disponibles incluyen:rígido (varios colores), flexible (similar al caucho de 30 a 90 Shore A), transparente (calidad de lente/ventana) y opciones biocompatibles. La familia de materiales se expande continuamente y las propiedades de los materiales mejoran lentamente hasta acercarse a las de los plásticos moldeados.
6. Los materiales de soporte, coimpresos con la construcción, se pueden quitar fácilmente y mantienen la integridad de geometrías y voladizos complejos, sin costos excesivos ni dificultades de limpieza.
7. A diferencia del SLA, el chorro de material no requiere un poscurado en cámaras UV, lo que simplifica los pasos del posprocesamiento. Las resinas se curan inmediatamente después de la impresión, ya que potentes lámparas UV pasan sobre ellas en el mismo proceso.

Algunas desventajas incluyen:

1. Los materiales fotopolímeros utilizados tienen un costo entre alto y muy alto y, por lo general, provienen de un solo proveedor.
2. Se limita a resinas de fotopolímero patentadas y carece de la amplia gama de opciones disponibles en algunas otras tecnologías.
3. A menudo tiene volúmenes de construcción más pequeños en comparación con algunas tecnologías de impresión 3D.
4. Quitar ciertos soportes complejos puede ser un proceso manual delicado y especializado. Generalmente se necesitan pasos de posprocesamiento adicionales para lograr un acabado cosmético.
5. El mantenimiento de equipos y los OPEX básicos y cotidianos son tareas especializadas y requieren componentes de alto costo y de una sola fuente. Esto aumenta considerablemente los costos por impresión y los ahorros de costos en este sentido pueden tener consecuencias desastrosas.

¿Cuáles son ejemplos de impresión 3D por inyección de material?

Algunos ejemplos de piezas impresas en 3D con chorro de material son:

1. Modelos precisos para coronas, puentes y dentaduras postizas dentales, donde la precisión y la calidad de la superficie son fundamentales.
2. Patrones de cera detallados para fundición a la cera perdida, especialmente para joyería y pequeños componentes metálicos que requieren detalles finos y superficies lisas.
3. Los prototipos de ingeniería de componentes aeroespaciales se utilizan para pruebas de ajuste, forma y aerodinámicas antes de la producción final.
4. Prototipos de electrónica de consumo, incluidas carcasas de dispositivos personalizadas, carcasas de componentes en miniatura y unidades de evaluación de diseño.
5. Los dispositivos de microfluidos con canales internos complejos se utilizan en diagnóstico, ciencias biológicas e investigación. Esto incluye piezas complejas como boquillas de microdosificación y microválvulas tipo Tesla, que son costosas o poco prácticas de producir con métodos tradicionales.

¿Qué es mejor, la impresión 3D Binder Jetting o la impresión 3D Material Jetting?

La elección entre inyección de aglutinante y inyección de material depende de los requisitos específicos de la aplicación, como la compatibilidad del material, la resolución, el costo y las demandas de posprocesamiento. Generalmente se prefiere la inyección de material para tareas de impresión de alta resolución donde la precisión, el acabado de la superficie y los detalles complejos son fundamentales. Es ideal para aplicaciones que involucran polímeros rígidos o similares al caucho, piezas transparentes o componentes biocompatibles. También es el método dominante para imprimir directamente piezas de cera utilizadas en la fundición a la cera perdida de alta precisión. Si bien la inyección de aglutinante ha logrado avances en el ámbito de los materiales flexibles, esas piezas generalmente carecen de resistencia mecánica y precisión, lo que las hace inadecuadas para uso funcional o estructural.

Por otro lado, el Binder Jetting es actualmente el único método práctico para imprimir piezas metálicas en 3D sin procesos de fusión. También es la tecnología de referencia para producir moldes y núcleos de arena para aplicaciones de fundición, y la mejor opción para impresiones a todo color en modelos visuales o de presentación. Aunque la inyección de material no puede imprimir metal, supera a la inyección de aglutinante en precisión de piezas de polímero, flexibilidad del material y reproducción fina de características.

Diferencia en los términos del proceso

La inyección de aglutinante es una tecnología basada en polvo. Deposita un agente aglutinante líquido sobre capas de polvo (por ejemplo, metal, arena o cerámica). Después de la impresión, se elimina el polvo suelto y no adherido y la pieza impresa puede someterse a pasos de posprocesamiento, como sinterización o infiltración. Por el contrario, la inyección de material utiliza cabezales de impresión tipo inyección de tinta para depositar pequeñas gotas de fotopolímero directamente en la plataforma de construcción. Estas gotas se curan con luz ultravioleta durante la impresión y el material de soporte se deposita simultáneamente utilizando boquillas separadas. Una vez completada la impresión, los soportes se eliminan mediante lavados con agua o productos químicos.

Diferencia en términos de tipos

Existen varias clasificaciones de impresión 3D con aglutinante:inyección de aglutinante de un solo material, inyección de aglutinante de múltiples materiales, inyección de aglutinante de color, inyección de aglutinante de arena, inyección de aglutinante de metal o cerámica, inyección de aglutinante de polímero y inyección de aglutinante híbrido.

En la inyección de aglutinante de un solo material, se utiliza un solo polvo y el agente aglutinante se deposita para crear las capas del objeto y unirlas a la capa inferior. La inyección de aglutinante multimaterial emplea múltiples materiales en polvo, generalmente en capas alternas de metales, cerámicas y polímeros. La selección de agentes aglutinantes que se adaptan a cada material en polvo permite imprimir piezas de múltiples materiales, compuestas o con propiedades graduadas. 

La inyección de carpetas de color incluye la impresión 3D a todo color. Generalmente combina materiales de construcción de yeso y agentes aglutinantes imprimibles con impresión de inyección de tinta a todo color en cada capa, para impresiones a todo color. La inyección de aglutinante de arena utiliza arena fina como material de construcción para crear moldes y núcleos de arena para la fundición de metales. La inyección de aglutinante de metal o cerámica utiliza polvo de metal o cerámica como material de construcción. Después de la impresión, la parte verde se sinteriza para encoger/fusionar las partículas de metal hasta alcanzar su máxima densidad y quemar el agente aglutinante. La inyección de aglutinante de polímero es específica para la aplicación de capas de polvos de polímero y, a menudo, utiliza un agente aglutinante de solvente que suelda las partículas.

En algunos casos, el dispositivo de inyección de aglutinante puede funcionar en más de un modo enumerado. También se puede integrar con otras tecnologías de impresión 3D para permitir la selectividad regional en los procesos apropiados aplicados a una construcción. Esto se conoce como inyección de aglutinante híbrido.

También existen varias clasificaciones de tecnologías de inyección de materiales, diferenciadas por método y materiales. La inyección de material polimérico es la forma más común y antigua de inyección de material, que deposita tintas poliméricas en forma líquida o de gel. Estos polímeros generalmente se curan con luz ultravioleta para una impresión rápida y terminada con un posprocesamiento limitado. El chorro de materiales múltiples utiliza la deposición simultánea de múltiples materiales (generalmente dos), como rígidos y elastómeros, para generar propiedades graduadas, colores graduados y cambios repentinos de materiales en las piezas. 

La inyección a todo color es una categoría especializada que ofrece componentes a todo color y de alta resolución para la producción de figuras, modelos arquitectónicos y obras de arte. El chorro de material cerámico o metálico deposita materiales metálicos o cerámicos en una suspensión de polímero, para crear piezas cerámicas intrincadas que se pueden sinterizar para lograr la densidad cerámica final. La inyección de material microfluídico se utiliza para crear dispositivos microfluídicos con geometrías de canal precisas para aplicaciones en investigación, diagnóstico y dispositivos de lógica de fluidos. El chorro de material de cera se utiliza en joyería para la creación de patrones en fundición a la cera perdida. Los patrones de cera se imprimen directamente como maestros sacrificados para la producción de piezas metálicas.

Diferencia en términos de materiales utilizados

El chorro de material se integra directamente en modelos poliméricos de materiales rígidos, elastoméricos y de cera. Por otro lado, el Binder Jetting generalmente utiliza agentes aglutinantes poliméricos para adherirse a diversos materiales en polvo, desde metales hasta cerámica y arena.

Diferencia en los términos de las solicitudes

El chorro de material es adecuado para prototipos de evaluación funcional y de diseño que se pueden utilizar para evaluar ensamblajes, probar el rendimiento del mecanismo y, cuando sea necesario, sustituir piezas moldeadas. Los prototipos de cera se pueden utilizar directamente para producir piezas de fundición a la cera perdida, impresas con todas las piezas del bebedero y del canal preinstaladas e integrales en una sola etapa.

Por otro lado, el chorro de aglutinante proporciona componentes de prueba visual de precisión relativamente baja y propiedades mecánicas deficientes. Estos son adecuados para la evaluación visual de la forma y la estética, y pueden producir directamente ejemplos de empaques y prototipos de color crítico para accesorios fotográficos, etc.

Diferencia en términos de características de la máquina

Las máquinas de inyección de aglutinante manipulan polvos, dispuestos en capas que se limpian y, en algunos casos, se embalan con rodillos hasta alcanzar la altura. Estas máquinas tienen una difícil tarea de manipulación de materiales en este aspecto del proceso, lo que las hace relativamente complejas y pueden crear problemas de confiabilidad si los polvos son abrasivos y la higiene de la máquina es deficiente. Además, el componente de inyección de la máquina que suministra el agente adhesivo es un cabezal de impresión único relativamente simple que requiere poca personalización para la tarea y ofrece simplicidad y confiabilidad.

El chorro de material utiliza un sistema de chorro similar en principio para entregar los polímeros de construcción directamente a la plataforma de construcción. Estos cabezales están altamente personalizados, lo que crea importantes problemas de configuración y mantenimiento que resultan en un alto esfuerzo continuo en OPEX. Las máquinas de inyección de aglomerante son fiables y requieren poco mantenimiento. Las máquinas de inyección de material son instrumentos de precisión delicados que requieren un mantenimiento y una configuración intrusivos, diarios y semanales, regulares y cualificados.

Diferencia en términos de software CAD

Tanto las tecnologías de inyección de material como de inyección de aglutinante utilizan formatos de archivo CAD 3D estándar, normalmente exportados como .STL. archivos, que luego se cortan utilizando un software de corte propio o de terceros para preparar los datos para la impresión. Para chorro de material, el .STL la resolución debe establecerse en fina y la altura de la capa debe coincidir con la capacidad de la máquina para aprovechar al máximo su alta precisión. Es esencial prestar especial atención al mosaico y a los detalles de la superficie para mantener la fidelidad de las características complejas durante la impresión.

Para la inyección de encuadernación, especialmente en la impresión a todo color, existe una diferencia clave:el .STL El formato de archivo no admite inherentemente datos de color. En estos casos, se utilizan extensiones de archivo patentadas adicionales (como .WRL, .3MF o formatos de color aumentado), o la información de color se incrusta por separado y se combina con la geometría durante el corte. Este paso es necesario para asignar texturas y asignaciones de color precisas a cada capa de impresión.

Diferencia en términos de costo

Las máquinas de inyección de aglutinante suelen costar entre 30.000 y 200.000 dólares, y aumentan a medida que se requieren una capacidad y un volumen de construcción superiores. Las máquinas de inyección de material, por otro lado, cuestan alrededor de 20.000 dólares para una máquina del tamaño de una computadora de escritorio con resolución moderada y velocidad de construcción limitada. Los precios suben a 750.000 dólares para las máquinas más avanzadas y precisas capaces de imprimir en múltiples materiales. Estos requieren mano de obra operativa y de mantenimiento altamente calificada, además de algunos equipos auxiliares limitados.

Diferencia en términos de calidad

Calidad es un término abierto a interpretación. Las diferencias de calidad entre las tecnologías se pueden mapear según su función.

La inyección de material ofrece construcciones de mayor resolución que la inyección de aglutinante. Si la precisión y la exactitud son referencias de calidad, el diferencial puede ser de un factor de 3 a 5 a favor del chorro de material. Si se requiere impresión en metal o arena, la inyección de material no sirve, y la inyección de aglutinante es la opción de calidad clara. Si se necesita impresión a todo color para el prototipo, la inyección de material no puede proporcionarla, mientras que algunos tipos de equipos de inyección de aglutinante sí pueden hacerlo. Si para piezas no metálicas se necesitan piezas funcionales y calidades de materiales, la inyección de material ofrece una calidad significativamente mayor que la inyección de aglomerante.

Diferencia en términos de precisión

La precisión se puede medir de varias maneras. Antes de seleccionar estos criterios, es fundamental considerar las necesidades reales del proyecto.

Ambos procesos ofrecen buena repetibilidad, por lo que la consistencia de varias partes es adecuada para los dos tipos. La inyección de aglutinante ofrece una resolución más baja que la inyección de material, por lo que la finura de los modelos es considerablemente diferente. La naturaleza imprecisa de la inyección de aglutinante ofrece una representación menos precisa de las características pequeñas que la que se puede lograr con la inyección de material.

Diferencia en términos de fabricante

Con costos operativos y de capital más bajos, así como un costo de instalación y gastos generales considerablemente menores, la inyección de aglomerante es adecuada para uso interno. Sin embargo, existe una fuerte tendencia a centralizar los servicios en empresas de impresión por contrato, ya que pocas empresas tienen el volumen de necesidades que justifica la inversión en instalación interna.

Sorprendentemente, la inyección de material suele ser la opción interna de las empresas más grandes con suficiente demanda para justificar la inversión y los costos operativos. Sin embargo, pocas empresas pueden obtener un retorno de la inversión sobre este costo, por lo que existe la misma tendencia hacia proveedores de servicios centralizados que puedan respaldar una amplia gama de capacidades y atraer suficiente demanda para justificar la inversión continua.

Preguntas frecuentes sobre la inyección de aglutinante y la inyección de material

¿Es rápida una impresora 3D de inyección de material?

No. El espesor de la capa de construcción o la resolución del eje Z de las máquinas de inyección de aglutinante es generalmente mayor que el de los equipos de inyección de material, lo que hace que los tiempos generales de impresión para la inyección de aglutinante sean más cortos. Además, la limpieza posterior a la impresión de la inyección de aglutinante es mínima, lo que aumenta la diferencia general de velocidad del proceso.

¿Puede una impresora 3D de inyección de material imprimir metales?

No, la inyección de material no ofrece un proceso de impresión directa en metal.

¿La impresora 3D Binder Jetting requiere soportes?

La inyección de aglutinante se construye dentro de una masa de polvo de volumen completo y estable de la máquina, por lo que no se requieren estructuras de soporte separadas para este tipo de impresión, lo que reduce el trabajo posterior requerido para los trabajos de impresión.

Resumen

Este artículo presentó la inyección de aglutinante frente a la inyección de material, explicó cada una de ellas y analizó sus diferencias clave. Para obtener más información sobre la inyección de aglutinante y la inyección de material, comuníquese con un representante de Xometry.

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Dean McClements

Dean McClements se graduó con honores en Ingeniería Mecánica y cuenta con más de dos décadas de experiencia en la industria manufacturera. Su trayectoria profesional incluye puestos importantes en empresas líderes como Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace y Hyster-Yale, donde desarrolló un profundo conocimiento de los procesos de ingeniería y las innovaciones.

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