Entendiendo la Impresión 3D: Principios, Tipos y Aplicaciones Clave

Entendiendo la Impresión 3D: Principios, Tipos y Aplicaciones Clave

El concepto de la impresión 3D fue esbozado 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 años recientes, estos procesos han avanzado significativamente y ahora pueden desempeñar roles cruciales en muchas aplicaciones.

Este artículo de visión 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. Empecemos con una pregunta muy básica.

¿Qué es la Impresión 3D?

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

Normalmente, el material (como granos de polvo o moléculas líquidas que se fusionan) se añade capa por capa a escala milimétrica. Por eso la impresión 3D también se llama proceso de fabricación aditiva.

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

En la década de 1990, las técnicas de impresión 3D se denominaban prototipado rápido. Solo eran adecuadas para la fabricación de prototipos estéticos o funcionales. Desde entonces, hemos avanzado mucho.

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

La precisión, gama de materiales y repetibilidad de la impresión 3D ha 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 usando 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 3D (como entrada) y lo convierte en un objeto físico tridimensional añadiendo material capa por capa.

Es muy diferente de los procesos de fabricación tradicionales como el moldeo por inyección y el mecanizado CNC que usan diversas herramientas de corte para construir la estructura deseada a partir de un bloque sólido. La impresión 3D, sin embargo, no requiere herramientas de corte: los objetos se fabrican directamente sobre la plataforma de construcción.

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

Dependiendo del tipo de impresora y el tamaño del objeto, una impresión tarda varias horas en completarse. El objeto impreso a menudo requiere post-procesamiento (como lijado, lacado, pintura u otros tipos de acabados convencionales) para lograr el acabado superficial óptimo, lo que lleva tiempo y esfuerzo manual adicional.

Diferentes tipos de impresoras 3D emplean diferentes tecnologías que procesan 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 el estándar ISO/ASTM 52900, todos los procesos de impresión 3D se pueden categorizar en siete grupos. Cada uno tiene pros y contras asociados, que generalmente involucran aspectos como costo, velocidad, propiedades del material y limitaciones geométricas.

1. Fotopolimerización en Cubeta (Vat Photopolymerization)

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

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

1a) Estereolitografía (SLA): Inventada en 1984, la SLA usa un láser ultravioleta para entrecruzar monómeros y oligómeros químicos y formar polímeros que componen el cuerpo de un sólido tridimensional. Aunque el proceso es rápido y puede construir casi cualquier estructura, puede ser costoso.

1b) Procesamiento Digital de Luz (DLP): Utiliza fuentes de luz convencionales como lámparas de arco (en lugar de láseres). Cada capa del objeto se proyecta sobre la cubeta de resina líquida, que luego se solidifica capa por capa a medida que la plataforma elevadora sube o baja.

1c) Producción de Interfaz Líquida Continua (CLIP): Es similar a la estereolitografía pero continua y hasta 100 veces más rápida. CLIP puede producir objetos elásticos y flexibles con lados lisos, que no se podrían crear con otras técnicas.

2. Extrusión de Material (Material Extrusion)

Ilustración de extrusión de material: Boquilla (1) depositando material (2) sobre plataforma de construcción (3).

En este proceso, un filamento de material termoplástico sólido se empuja a través de una boquilla calentada, que funde el material y lo deposita en una plataforma de construcción siguiendo una ruta predeterminada. Este material eventualmente se enfría y solidifica, formando un objeto tridimensional. Las técnicas más usadas en este proceso son:

2a) Modelado por Deposición Fundida (FDM): Usa un filamento continuo de material termoplástico, como nailon, poliuretano termoplástico o ácido poliláctico.

2b) Robocasting: Implica la extrusión de un material similar a pasta desde una boquilla pequeña mientras la boquilla se mueve sobre una plataforma de construcción. El proceso difiere del FDM ya que no depende del secado o solidificación del material para retener su forma después de la extrusión.

3. Laminación de Hojas (Sheet Lamination)

Algunas impresoras usan papel y plástico como material de construcción para reducir el costo de impresión. En esta técnica, múltiples capas de plástico adhesivo, papel o láminas de metal se unen sucesivamente y se cortan en forma usando un cortador láser o cuchilla.

La resolución de capa puede definirse por la materia prima del material. Típicamente oscila entre una y unas pocas hojas de papel de copia. El proceso puede usarse para hacer piezas grandes, pero la precisión dimensional del producto final será bastante menor que la de la estereolitografía.

4. Deposición de Energía Dirigida (Directed Energy Deposition)

La técnica de deposición de energía dirigida se usa comúnmente en la industria del metal de alta tecnología y aplicaciones de fabricación rápida. El aparato de impresión contiene una boquilla fijada a un brazo robótico multi-eje. La boquilla deposita polvo metálico en la plataforma de construcción, que luego se funde con un láser, plasma o haz de electrones, para formar un objeto sólido.

Este tipo de impresión 3D soporta diversos metales, materiales funcionalmente graduados y compuestos, incluyendo aluminio, acero inoxidable y titanio. No solo puede construir piezas metálicas completamente nuevas sino también añadir material a piezas existentes, permitiendo aplicaciones de fabricación híbrida.

5. Inyección de Material (Material Jetting)

Piezas impresas con el proceso de inyección de material

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

Los materiales usados en esta técnica son fotopolímeros termoestables (acrílicos). La impresión multi-material y una amplia gama de materiales (incluyendo materiales elásticos y transparentes) también están disponibles.

Dado que la impresión 3D por inyección de material puede construir piezas de alta precisión dimensional con acabado superficial liso, es una opción atractiva para fabricar tanto prototipos visuales como herramientas comerciales.

6. Inyección de Aglutinante (Binder Jetting)

Impresión a color completa impresa en arenisca con inyección de aglutinante | Crédito de imagen: 3D Hubs

La inyección de aglutinante usa dos materiales: material base en 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.

Cera o polímero termoestable a menudo se mezcla con polvo aglutinado para aumentar su resistencia. Después de completar la impresión 3D, el polvo sobrante se recoge y usa para imprimir otra estructura.

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

7. Fusión de Cama de Polvo (Powder Bed Fusion)

Un sistema SLS | DTM – 2500CI

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

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

7b) Fundición Selectiva por Láser (SLM): A diferencia de SLS, esta técnica está diseñada para fundir y fusionar completamente polvos metálicos. Puede crear materiales completamente densos (capa por capa) que tienen características mecánicas similares a las de metales fabricados tradicionalmente. Es uno de los procesos de más rápido desarrollo que se está implementando tanto en la industria como en la investigación.

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

7d) Sinterizado Selectivo por Calor (SHS): Usa un cabezal de impresión térmica para aplicar calor a capas de termoplástico en polvo. Tan pronto como se termina la capa, la cama de polvo baja y se añade una nueva capa de material, que luego se sinteriza para formar la siguiente sección transversal del modelo. Esta técnica es mejor para fabricar prototipos y piezas económicas para pruebas funcionales.

7e) Sinterizado Directo de Metal por Láser (DMLS): Es similar a SLS pero usa polvo metálico. El polvo sobrante se convierte en estructura de soporte para el objeto y puede reutilizarse para la próxima impresión 3D. Las piezas DMLS se fabrican principalmente con materiales en polvo como titanio, acero inoxidable, aluminio y varias aleaciones de nicho. Es un proceso ideal para piezas médicas personalizadas, componentes de petróleo y gas, y prototipos funcionales resistentes.

Aplicaciones

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

Muchas técnicas de fabricación aditiva pueden usarse para fabricar productos alimenticios. Las impresoras 3D modernas vienen con recetas pre-cargadas a bordo y también permiten a los usuarios crear su comida remotamente en sus computadoras y smartphones. La comida impresa en 3D puede personalizarse en textura, color, forma, sabor y nutrición.

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

Impresora 3D de gravedad cero enviada a la EEI en 2014

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

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

Hoy en día, las empresas tecnológicas están integrando la fabricación aditiva con la computación en la nube para permitir la producción distribuida descentralizada e geográficamente independiente. Algunas empresas ofrecen servicios de impresión 3D en línea (vía web) a clientes privados y comerciales.

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Futuro de la Impresión 3D

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

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

Según GrandViewResearch, el mercado global de impresión 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% anual).

Los factores que se espera impulsen el crecimiento del mercado incluyen I+D agresiva y la creciente demanda de aplicaciones de prototipado de varios sectores industriales, particularmente automotriz, aeroespacial, defensa y salud.