Explicación de la fabricación aditiva:proceso, aplicaciones y opciones de materiales

La fabricación aditiva, también conocida como impresión 3D, es un proceso de fabricación de vanguardia que revoluciona las industrias de todo el mundo. Implica construir objetos de forma aditiva, capa por capa, utilizando modelos digitales, a diferencia de los métodos sustractivos tradicionales, que eliminan 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, incluidos plásticos, metales, cerámicas y compuestos, lo que proporciona flexibilidad en la selección de materiales para diversas aplicaciones. La fabricación aditiva ofrece oportunidades para el desarrollo de nuevos productos creativos, así como una mayor eficiencia en el uso de materiales.

Este artículo analizará 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 mediante la construcción de objetos capa por capa, guiados por modelos informáticos digitales 3D. A diferencia de los métodos sustractivos como el mecanizado, que extraen material de un bloque sólido, la AM agrega material gradualmente para formar la forma deseada. Este enfoque innovador otorga una libertad de diseño incomparable, permitiendo geometrías complejas y personalización.

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

Históricamente, la AM ha tenido aplicaciones en diversas industrias, incluidas la aeroespacial, la automoción, la atención sanitaria y los bienes de consumo. Inicialmente utilizado para la creación rápida de prototipos, ha evolucionado para incluir componentes de grado de producción. Sin embargo, la fabricación capa por capa puede provocar posibles debilidades en las interfaces, lo que requiere consideraciones de diseño cuidadosas.

Una de las mayores fortalezas de AM radica en sus capacidades de personalización, lo que permite soluciones personalizadas para satisfacer necesidades específicas. Desde implantes médicos personalizados hasta modelos arquitectónicos complejos, AM permite a los diseñadores e ingenieros hacer realidad sus visiones con precisión y eficiencia.

¿Quién inventó la fabricación aditiva?

A Chuck Hull se le atribuye a menudo el mérito de ser el pionero de la fabricación aditiva debido a su invención de la estereolitografía. Sin embargo, el concepto de fabricación capa por capa es anterior a su trabajo. Los orígenes 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 la fabricación de objetos 3D, sentando las bases a pesar de un seguimiento comercial limitado en ese momento. Carl Deckard, con el asesor Joseph Beaman, fue pionero en la sinterización selectiva por láser (SLS) en la Universidad de Texas en Austin a mediados de la década de 1980, fusionando materiales en polvo con láseres, avanzando en la fabricación aditiva.

¿Cuándo comenzó 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, a Hull se le concedió una patente para este sistema, lo que llevó a la formación de su empresa, 3D Systems Corporation. Posteriormente, en 1988, 3D Systems Corporation lanzó la primera impresora 3D comercial, la SLA-1.

Casi al mismo tiempo, se desarrolló una impresora de inyección de tinta 3D en un proyecto de Skunkworks en Exxon, aunque la comercialización de esta tecnología no se produjo hasta 1991. Esta fase inicial de comercialización vio el surgimiento de empresas como 3D Systems Corporation y la introducción en el mercado de procesos como la estereolitografía y la impresión de inyección de tinta.

Este avance sentó las bases para técnicas y tecnologías de fabricación aditiva posteriores. 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 consta de varios pasos:

1. Comience creando un modelo 3D digital usando un programa CAD. Guarde el diseño en formato de archivo STL, que contiene la geometría del objeto. Importe el archivo STL al software de corte para cortar el modelo y generar rutas de impresión. Ajuste los parámetros de impresión, como el tipo de material y la velocidad, para optimizarlos. Convierta el modelo cortado en código G, el lenguaje que entienden las impresoras 3D. Finalmente, envíe el código G a la impresora, indicándole que imprima el objeto capa por capa.
2. Prepare la impresora 3D calibrando los ajustes de temperatura, velocidad y altura de capa, y descargando el archivo de código G a la impresora.
3. Cargue el material seleccionado en el dispositivo de impresión aditiva. Los materiales que se pueden utilizar para la impresión 3D incluyen compuestos, plásticos, metales, cerámicas, papel e incluso materiales biológicos como células o proteínas.
4. Comience a imprimir. La impresora interpretará las instrucciones del código G para cada capa sucesiva, depositando o curando el material en el lugar exacto donde se necesita para esa capa.
5. Asegure una unión adecuada entre las capas. En algunas técnicas, como el modelado por deposición fundida (FDM), esto puede ocurrir simplemente como parte del proceso de impresión, pero en otras puede ser necesario un paso de sinterización o curado por separado.
6. Permita que el objeto impreso avance sin interrupción a medida que se construye cada capa.
7. Realice las tareas de acabado necesarias, incluida la eliminación de soportes, que pueden ser necesarias para diseños con voladizos o geometrías complejas donde se utilizan soportes durante la impresión para evitar hundimientos o deformaciones. Además, es posible que se requiera refinamiento de la superficie, mecanizado o curado adicional para lograr el producto final.
8. Aplique cualquier tratamiento o toque final según sea necesario, como pintura, enchapado o ensamblaje con otros componentes.

¿Cuáles son los usos de la fabricación aditiva?

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

1. Facilita la producción rápida y rentable de prototipos para la verificación del 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 complejas que son difíciles con los métodos tradicionales. En el sector aeroespacial, las palas de turbina con canales de refrigeración internos mejoran la eficiencia del motor. En medicina, los implantes personalizados se adaptan a las anatomías individuales, lo que promueve una curación más rápida. Los componentes automotrices se benefician de diseños complejos y livianos que mejoran el rendimiento.
4. Facilita la fabricación personalizada o en lotes pequeños sin herramientas costosas, lo que permite una fabricación ágil y reduce los costos de inventario.
5. Se utiliza en el sector médico para fabricar implantes personalizados adaptados a los pacientes, dispositivos protésicos, réplicas anatómicas para la preparación e instrucción quirúrgica, así como guías quirúrgicas para ayudar en los procedimientos.
6. Se utiliza para la creación de prototipos, herramientas y producción de componentes livianos con relaciones resistencia-peso mejoradas y opciones de personalización.
7. La impresión 3D se puede utilizar en instituciones educativas e instalaciones de investigación para la enseñanza, la experimentación y la exploración de aplicaciones novedosas en diversas disciplinas.
8. Ofrece oportunidades para la producción sostenible al reducir los residuos, el consumo de energía y las emisiones de carbono.