¿Qué es la impresión 3D? Principio de funcionamiento | Tipos | Aplicaciones

El concepto de impresión 3D fue presentado por David E.H. Jones en 1974. Sin embargo, los métodos y materiales para fabricar modelos no se desarrollaron hasta principios de la década de 1980.

El término "impresión 3D" abarca numerosos procesos y técnicas que ofrecen un amplio espectro de capacidades para la producción de piezas y productos en diferentes materiales. En los últimos años, estos procesos se han desarrollado significativamente y ahora pueden desempeñar funciones cruciales en muchas aplicaciones.

Este artículo de descripción general tiene como objetivo explicar los diferentes tipos y procesos de impresión 3D, cómo funcionan y cuáles son sus usos y beneficios en el mercado actual. Comencemos con una pregunta muy básica.

¿Qué es la impresión 3D?

La impresión 3D, también conocida como fabricación aditiva, es un proceso de fabricación de un objeto físico a partir de un modelo digital tridimensional o un modelo CAD. Implica varias técnicas controladas por computadora en las que el material se une o solidifica para construir un objeto real.

Normalmente, el material (como los granos de polvo o las moléculas de líquido que se fusionan) se agrega capa por capa a escala milimétrica. Es por eso que la impresión 3D también se denomina proceso de fabricación aditiva.

La imagen ilustra cómo una impresora 3D imprime objetos tridimensionales capa por capa | Lógicas 3D

En la década de 1990, las técnicas de impresión 3D se denominaban creación rápida de prototipos. Eran adecuados solo para la fabricación de prototipos estéticos o funcionales. Desde entonces, hemos recorrido un largo camino.

La tecnología de impresión 3D actual es lo suficientemente avanzada como para crear estructuras y geometrías complejas que de otro modo serían imposibles de construir manualmente.

La precisión, la gama de materiales y la repetibilidad de la impresión 3D han aumentado hasta el punto de que podemos construir casi cualquier cosa, desde prototipos simples hasta productos finales complejos, como edificios ecológicos, piezas de aviones, instrumentos médicos e incluso órganos artificiales utilizando capas de células humanas.

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¿Cómo funciona exactamente?

Todas las técnicas de impresión 3D se basan en el mismo principio:una impresora 3D toma un modelo digital (como entrada) y lo convierte en un objeto físico tridimensional agregando material capa por capa.

Es muy diferente a los procesos de fabricación tradicionales, como el moldeo por inyección y el mecanizado CNC, que utiliza varias herramientas de corte para construir la estructura deseada a partir de un bloque sólido. Sin embargo, la impresión 3D no requiere herramientas de corte:los objetos se fabrican directamente en la plataforma construida.

El proceso comienza con un modelo digital en 3D (un plano del objeto). El software (específico de la impresora) corta el modelo 3D en capas finas y bidimensionales. Luego los convierte en un conjunto de instrucciones en lenguaje de máquina para que las ejecute la impresora.

Según el tipo de impresora y el tamaño del objeto, una impresión tarda varias horas en completarse. El objeto impreso a menudo requiere un procesamiento posterior (como lijado, laca, pintura u otros tipos de toques de acabado convencionales) para lograr el acabado de superficie óptimo, lo que requiere tiempo y esfuerzo manual adicionales.

Los diferentes tipos de impresoras 3D emplean una tecnología diferente que procesa diferentes materiales de diferentes maneras. Quizás la limitación más básica de la impresión 3D, en términos de materiales y aplicaciones, es que no existe una solución única para todos.

Tipos / procesos de impresión 3D

Según la norma ISO / ASTM 52900, todos los procesos de impresión 3D se pueden clasificar en siete grupos. Cada uno tiene pros y contras asociados, que generalmente involucran aspectos como el costo, la velocidad, las propiedades del material y las limitaciones geométricas.

1. Fotopolimerización de tina

Ilustración de SLA:un láser (a) ilumina selectivamente el fondo transparente (c) de un tanque lleno (b) con una resina fotopolimerizante líquida. La plataforma elevadora (e) arrastra progresivamente hacia arriba la resina solidificada (d).

Una impresora 3D basada en fotopolimerización de tina tiene un recipiente lleno de resina de fotopolímero, que se endurece con una fuente de luz ultravioleta para crear un objeto. Las tres formas más comunes de polimerización en tina son

1a) Estereolitografía (SLA): Inventado en 1984, SLA utiliza un láser ultravioleta para reticular monómeros y oligómeros químicos para formar polímeros que forman el cuerpo de un sólido tridimensional. Si bien el proceso es rápido y puede construir casi cualquier estructura, puede resultar costoso.

1b) Procesamiento de luz digital (DLP): Utiliza fuentes de luz convencionales como lámparas de arco (en lugar de láseres). Cada capa del objeto se proyecta sobre la tina de resina líquida, que luego se solidifica capa por capa a medida que la plataforma elevadora se mueve hacia arriba o hacia abajo.

1c) Producción continua de interfaz líquida (CLIP): Es similar a la estereolitografía pero continua y hasta 100 veces más rápida. CLIP puede producir objetos gomosos y flexibles con lados lisos, que no podrían crearse con otras técnicas.

2. Extrusión de material

Ilustración de extrusión de material:la boquilla (1) está depositando material (2) en una plataforma de construcción (3).

En este proceso, se empuja un filamento de material termoplástico sólido a través de una boquilla calentada, que derrite el material y lo deposita en una plataforma de construcción a lo largo de un camino predeterminado. Este material finalmente se enfría y solidifica, formando un objeto tridimensional. Las técnicas más utilizadas en este proceso son

2a) Modelado de deposición fundida (FDM): Utiliza un filamento continuo de un material termoplástico, como nailon, poliuretano termoplástico o ácido poliláctico.

2b) Robocasting: Implica la extrusión de un material pastoso desde una pequeña boquilla mientras la boquilla se mueve a través de una plataforma de construcción. El proceso es diferente del FDM ya que no depende del secado o solidificación del material para mantener su forma después de la extrusión.

3. Laminación de láminas

Algunas impresoras utilizan papel y plástico como material de construcción para reducir el costo de impresión. En esta técnica, varias capas de plástico adhesivo, papel o laminados metálicos se unen sucesivamente y se cortan a la forma con un cortador láser o un cuchillo.

La resolución de la capa puede ser definida por la materia prima del material. Por lo general, varía entre una y unas pocas hojas de papel de copia. El proceso se puede utilizar para fabricar piezas grandes, pero la precisión dimensional del producto final será bastante menor que la de la estereolitografía.

4. Deposición de energía dirigida

La técnica de deposición de energía dirigida se usa comúnmente en la industria del metal de alta tecnología y en aplicaciones de fabricación rápida. El aparato de impresión contiene una boquilla que está fijada a un brazo robótico de ejes múltiples. La boquilla deposita un poder metálico en la plataforma de construcción, que luego es derretido por un láser, plasma o haz de electrones, para formar un objeto sólido.

Este tipo de impresión 3D admite varios metales, materiales con clasificación funcional y compuestos, incluidos aluminio, acero inoxidable y titanio. No solo puede construir piezas metálicas completamente nuevas, sino que también puede unir material (s) a piezas existentes, lo que permite aplicaciones de fabricación híbridas.

5. Inyección de material

Piezas impresas con el proceso de inyección de material

La inyección de material funciona de manera similar a las impresoras de papel de inyección de tinta. En este proceso, se aplica un material fotosensible en gotas a través de una boquilla de pequeño diámetro y luego se endurece con luz ultravioleta, formando una parte capa por capa.

Los materiales utilizados en esta técnica son fotopolímeros termoendurecibles (acrílicos). También están disponibles la impresión de múltiples materiales y una amplia gama de materiales (incluidos materiales transparentes y similares al caucho).

Dado que la impresión 3D por inyección de material puede construir piezas de alta precisión dimensional con un acabado de superficie suave, es una opción atractiva para la fabricación de prototipos visuales y herramientas comerciales.

6. Inyección de aglutinante

Una impresión a todo color impresa en piedra arenisca con Binder Jetting | Crédito de la imagen:3D Hubs

El chorro de aglutinante utiliza dos materiales:material a base de polvo y un aglutinante líquido. El polvo se distribuye en capas uniformes en la cámara de construcción y el aglutinante se aplica a través de boquillas de chorro, que "pegan" las partículas de polvo para construir el objeto deseado.

A menudo se mezcla cera o polímero termoestable con polvo aglomerado para aumentar su resistencia. Una vez completada la impresión 3D, el polvo sobrante se recoge y se utiliza para imprimir otra estructura.

Dado que la técnica es muy similar a un proceso similar al de la inyección de tinta, también se denomina impresión 3D inyectada. Se utiliza principalmente para imprimir piezas de elastómero, voladizos y prototipos coloridos.

7. Fusión de lecho de polvo

Un sistema SLS | DTM - 2500CI

La fusión en lecho de polvo es un subconjunto de la fabricación aditiva mediante el cual se utiliza una fuente de calor (como un cabezal de impresión térmica o láser) para consolidar el material en forma de polvo para construir objetos físicos. Las cinco formas más comunes de esta tecnología son

7a) Sinterización selectiva por láser (SLS): Utiliza un láser como fuente de energía para sinterizar material en polvo como poliamida o nailon. Aquí el término sinter se refiere al proceso de compactar y formar una masa sólida de material aplicando presión o calor sin derretirlo hasta el punto de licuefacción.

7b) Fusión selectiva por láser (SLM): A diferencia de SLS, esta técnica está diseñada para fundir y fusionar por completo polvos metálicos. Puede crear materiales completamente densos (capa por capa) que tienen características mecánicas similares a las de los metales manufacturados tradicionales. Este es uno de los procesos de rápido desarrollo que se está implementando tanto en la industria como en la investigación.

7c) Fusión por haz de electrones (EBM): En el proceso, la materia prima (alambre o polvo metálico) se coloca dentro de un vacío y se fusiona mediante un haz de electrones. Aunque el EBM solo se puede usar con materiales conductores, tiene una velocidad de construcción superior debido a su mayor densidad de energía.

7d) Sinterización por calor selectivo (SHS): Utiliza un cabezal de impresión térmico para aplicar calor a las capas de termoplástico en polvo. Tan pronto como se termina la capa, el lecho de polvo se mueve hacia abajo y se agrega una nueva capa de material, que luego se sinteriza para formar la siguiente sección transversal del modelo. Esta técnica es la mejor para fabricar prototipos económicos y piezas para pruebas funcionales.

7e) Sinterización directa por láser de metales (DMLS): Es similar a SLS pero utiliza energía de metal en su lugar. La energía sobrante se convierte en una estructura de soporte para el objeto y se puede reutilizar para la próxima impresión 3D. Las piezas DMLS se fabrican principalmente con materiales en polvo como titanio, acero inoxidable, aluminio y varias aleaciones especializadas. Es un proceso ideal para piezas médicas personalizadas, componentes de petróleo y gas y prototipos funcionales resistentes.

Aplicación

En la última década, la impresión 3D se ha desarrollado significativamente. Dado que se puede utilizar para fabricar rápidamente diseños complejos a costos más bajos, se ha convertido en una herramienta esencial en una variedad de industrias, que van desde la fabricación comercial y la medicina hasta la arquitectura y el diseño personalizado.

Se pueden utilizar muchas técnicas de fabricación aditiva para fabricar productos alimenticios. Las impresoras 3D modernas vienen con recetas precargadas a bordo y también permiten a los usuarios crear de forma remota su comida en sus computadoras y teléfonos inteligentes. Los alimentos impresos en 3D se pueden personalizar en textura, color, forma, sabor y nutrición.

La tecnología también ha demostrado ser eficaz en formulaciones farmacéuticas. La primera formulación fabricada por 3D Printing se produjo en 2015. Ese mismo año, la FDA aprobó la primera tableta impresa en 3D.

Impresora 3D Zero-G enviada a ISS en 2014

En 2014, SpaceX entregó la primera impresora 3D de gravedad cero a la Estación Espacial Internacional. Ahora los astronautas lo utilizan para imprimir herramientas útiles como llaves de tubo.

De hecho, muchos proyectos de montaje planeados en planetas o asteroides se iniciarán de alguna manera utilizando los materiales disponibles en las regiones cercanas. La impresión 3D es uno de los pasos principales en este arranque.

Hoy en día, las empresas de tecnología están integrando la fabricación aditiva con la computación en la nube para permitir una producción distribuida descentralizada y geográficamente independiente. Algunas empresas ofrecen servicios de impresión 3D en línea (a través del sitio web) tanto a clientes privados como comerciales.

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El futuro de la impresión 3D

El gran sueño de la impresión 3D es "una fábrica en la casa de todos". Puede sonar extraño, pero no se puede negar que tener una máquina que puede producir instantáneamente cosas infinitamente personalizables es fascinante.

Al igual que las computadoras y los teléfonos inteligentes han empoderado a miles de millones de personas, las impresoras 3D podrían hacer lo mismo para la fabricación.

Según GrandViewResearch, el mercado global impreso en 3D se valoró en $ 11.58 mil millones en 2019, y se espera que alcance más de $ 33 mil millones para 2027 (a una tasa de crecimiento del 14% por año).

Los factores que se espera que impulsen el crecimiento del mercado incluyen la investigación y el desarrollo agresivos y la creciente demanda de aplicaciones de creación de prototipos de varias verticales de la industria, particularmente automotriz, aeroespacial, defensa y salud.