Fabricación aditiva explicada: Proceso, aplicaciones y opciones de materiales

La fabricación aditiva, también conocida como impresión 3D, es un proceso de fabricación de vanguardia que está revolucionando industrias en todo el mundo. Implica construir objetos aditivamente, capa por capa, usando modelos digitales, a diferencia de métodos sustractivos tradicionales, que remueven material.

La fabricación aditiva permite la creación de geometrías complejas que son desafiantes o imposibles de lograr con técnicas convencionales. Además, ofrece una amplia gama de compatibilidad de materiales, incluyendo plásticos, metales, cerámicas y compuestos, proporcionando flexibilidad en la selección de materiales para diversas aplicaciones. La fabricación aditiva ofrece oportunidades para el desarrollo de productos creativos y nuevos, así como mejor eficiencia en el uso de materiales.

Este artículo discutirá qué es la fabricación aditiva, su proceso, usos, materiales, ventajas y desventajas.

¿Qué es la Fabricación Aditiva?

La fabricación aditiva (AM), también conocida como impresión 3D, revoluciona la fabricación al construir objetos capa por capa, guiados por modelos digitales 3D por computadora. A diferencia de métodos sustractivos como el mecanizado, que tallan material de un bloque sólido, AM añade material gradualmente para formar la forma deseada. Este enfoque innovador otorga libertad de diseño sin precedentes, permitiendo geometrías intrincadas y personalización.

AM abarca diversas técnicas, cada una ofreciendo ventajas únicas. La deposición de filamento implica fundir y extruir materiales termoplásticos a través de una boquilla, mientras que el sinterizado por láser utiliza un láser para fusionar materiales en polvo capa por capa. Además, la estereolitografía emplea láseres ultravioleta o pantallas LCD para solidificar resina líquida curable por luz en formas precisas.

Históricamente, AM ha visto aplicaciones en diversas industrias, incluyendo aeroespacial, automotriz, salud y bienes de consumo. Inicialmente usado para prototipado rápido, ha evolucionado para incluir componentes de grado de producción. Sin embargo, la fabricación capa por capa puede llevar a debilidades potenciales en interfaces, necesitando consideraciones cuidadosas de diseño.

Una de las mayores fortalezas de AM radica en sus capacidades de personalización, permitiendo soluciones a medida para satisfacer necesidades específicas. Desde implantes médicos personalizados hasta modelos arquitectónicos intrincados, AM empodera a diseñadores e ingenieros para dar vida a sus visiones con precisión y eficiencia.

¿Quién Inventó la Fabricación Aditiva?

A Chuck Hull a menudo se le acredita como pionero de la fabricación aditiva debido a su invención de la estereolitografía. Sin embargo, el concepto de fabricación capa por capa precede a su trabajo. Las raíces de la fabricación aditiva se remontan a la década de 1970. Durante este tiempo, investigadores e ingenieros comenzaron a explorar diversas técnicas para construir objetos capa por capa. Un precursor notable de la fabricación aditiva moderna es el trabajo de Hideo Kodama, un investigador japonés.

El artículo de Kodama de 1981 detalló la solidificación UV de fotopolímeros para fabricación de objetos 3D, sentando las bases a pesar de un seguimiento comercial limitado en ese momento. Carl Deckard, con el asesor Joseph Beaman, pionero del sinterizado selectivo por láser (SLS) en la Universidad de Texas en Austin a mediados de la década de 1980, fusionando materiales en polvo con láseres, avanzando la fabricación aditiva.

¿Cuándo Empezó la Fabricación Aditiva?

La comercialización de la fabricación aditiva comenzó a mediados de la década de 1980 con la invención de la estereolitografía por Chuck Hull. En 1986, Hull obtuvo una patente para este sistema, llevando a la formación de su empresa, 3D Systems Corporation. Posteriormente, en 1988, 3D Systems Corporation lanzó la primera impresora 3D comercial, la SLA-1.

Alrededor del mismo tiempo, una impresora 3D de inyección de tinta se desarrolló en un proyecto skunkworks en Exxon, aunque la comercialización de esta tecnología no ocurrió hasta 1991. Esta fase temprana de comercialización vio la emergencia de empresas como 3D Systems Corporation y la introducción de procesos como estereolitografía e impresión por inyección de tinta al mercado.

Este avance sentó las bases para subsiguientes técnicas y tecnologías de fabricación aditiva. A lo largo de los años, la fabricación aditiva ha evolucionado significativamente, con avances en materiales, procesos y aplicaciones.

¿Cuál es el Proceso de Fabricación Aditiva?

El proceso de fabricación aditiva involucra varios pasos:

1. Comience creando un modelo digital 3D usando un programa CAD. Guarde el diseño en formato de archivo STL, que contiene la geometría del objeto. Importe el archivo STL en el software laminador (slicer) para rebanar el modelo y generar rutas de impresión. Ajuste parámetros de impresión como tipo de material y velocidad para optimización. Convierta el modelo rebanado en G-code, el lenguaje entendido por impresoras 3D. Finalmente, envíe el G-code a la impresora, instruyéndola para imprimir el objeto capa por capa.
2. Prepare la impresora 3D calibrando temperatura, velocidad y ajustes de altura de capa, y descargue el archivo G-code a la impresora.
3. Cargue el material seleccionado en el dispositivo de impresión aditiva. Materiales que pueden usarse para impresión 3D incluyen compuestos, plásticos, metales, cerámicas, papel e incluso materiales biológicos como células o proteínas.
4. Comience la impresión. La impresora interpretará las instrucciones G-code para cada capa sucesiva, depositando o curando material en la ubicación exacta donde se necesita para esa capa.
5. Asegure la unión adecuada entre capas. Esto puede simplemente ocurrir como parte del proceso de impresión en algunas técnicas, como modelado por deposición fundida (FDM), pero para otras, puede necesitarse un paso separado de sinterizado o curado.
6. Permita que el objeto impreso proceda sin interrupción a medida que cada capa se construye.
7. Realice tareas de acabado necesarias, incluyendo remoción de soportes, que puede ser necesaria para diseños con voladizos o geometrías complejas donde se usan soportes durante la impresión para prevenir hundimiento o deformación. Adicionalmente, refinamiento de superficie, mecanizado o curado adicional pueden ser requeridos para lograr el producto final.
8. Aplique toques finales o tratamientos según sea necesario, como pintura, plateado o ensamblaje con otros componentes.

¿Cuáles son los Usos de la Fabricación Aditiva?

Hoy, la fabricación aditiva es una parte integral del proceso de fabricación de productos en muchas industrias. Tiene varios usos posibles, incluyendo:

1. Facilita la producción rápida y rentable de prototipos para verificación de diseño, pruebas funcionales y validación de conceptos.
2. Permite productos altamente personalizados y personalizados, como implantes médicos, prótesis dentales y bienes de consumo.
3. La fabricación aditiva permite la producción de geometrías intrincadas que son difíciles con métodos tradicionales. En aeroespacial, álabes de turbina con canales de refrigeración internos mejoran la eficiencia del motor. En medicina, implantes personalizados se ajustan a anatomías individuales, promoviendo curación más rápida. Componentes automotrices se benefician de diseños ligeros y complejos que mejoran el rendimiento.
4. Facilita fabricación en lotes pequeños o personalizada sin utillaje costoso, permitiendo fabricación ágil y reduciendo costes de inventario.
5. Se utiliza en el sector médico para fabricar implantes personalizados adaptados a pacientes, dispositivos protésicos, réplicas anatómicas para preparación e instrucción quirúrgica, así como guías quirúrgicas para asistir en procedimientos.
6. Se usa para prototipado, utillaje y producción de componentes ligeros con ratios mejorados de resistencia-peso y opciones de personalización.
7. La impresión 3D puede utilizarse en instituciones educativas e instalaciones de investigación para enseñanza, experimentación y exploración de aplicaciones novedosas en diversas disciplinas.
8. Ofrece oportunidades para producción sostenible reduciendo residuos, consumo de energía y emisiones de carbono.