Comprender los siete tipos de fabricación aditiva

La fabricación aditiva (AM), también conocida como impresión 3D, construye piezas a través de un modelo 3D generado por CAD agregando capas individuales de material y fusionando las capas. AM surgió por primera vez en 1987 y ha estado creciendo constantemente desde entonces, con más pasos agigantados en los últimos años. A medida que las empresas inventan e introducen nuevas técnicas de FA, tienden a crear términos de marketing exclusivos para su proceso, aunque las técnicas básicas sean similares. Tener nombres diferentes para métodos similares puede llevar fácilmente a confusión en el mercado. En la publicación, identificaremos las técnicas principales y sus ventajas y desventajas.

Según las normas ISO/ASTM, AM divide las técnicas utilizadas para crear las capas en siete categorías, de las cuales las primeras cuatro de la lista son adecuadas para metales.

1. Lavado de aglutinante
2. Deposición de energía dirigida
3. Fusión de lecho de polvo
4. Laminación de láminas
5. Extrusión de materiales
6. Lanzamiento de material
7. Foto polimerización en tina

1. Chorro de aglomerante

Único en AM en que no usa calor durante el proceso de fusión de los materiales. Se deposita selectivamente un líquido aglutinante o aglutinante, que une el material en polvo para formar la pieza 3D. Según el tipo de polvo, el sistema que se utilice o los requisitos de aplicación del cliente, se determina la selección del tipo de aglutinante. El proceso comienza cuando el material en polvo se esparce sobre la plataforma de construcción con un rodillo y el cabezal de impresión deposita el aglutinante sobre el polvo donde se especifica. La plataforma de construcción baja para permitir la siguiente capa y el proceso se repite hasta que se completa el elemento. Se elimina cualquier polvo suelto.

Ventajas de Binder Jetting

• Capacidad de fabricar piezas con una gama de colores diferentes
• Utiliza una variedad de materiales:metal, polímeros y cerámica
• Proceso AM más rápido
• Sin deformación ni encogimiento de piezas
• Menos desperdicio al reutilizar cualquier polvo sin usar
• Presenta un método de dos materiales que permite diferentes combinaciones de aglutinante y polvo

Desventajas de Binder Jetting

• Las piezas requieren posprocesamiento, lo que agrega un tiempo significativo al proceso general
• Baja resistencia de la pieza, no siempre adecuada para piezas estructurales
• Menos preciso que el chorro de material

2. Deposición de energía dirigida (DED)

DED crea Objetos 3D al fundir y depositar materiales a base de polvo o alambre desde una fuente de energía térmica enfocada, que incluye láser, haz de electrones o arco de plasma. Si bien el proceso puede fabricar piezas de metal, cerámica y polímero, se usa principalmente para piezas de metal y en una fabricación más híbrida donde el lecho del sustrato se puede mover para crear formas complejas. DED también se conoce como deposición de metal láser (LMD), revestimiento láser 3D o fabricación de luz directa debido a los diferentes usos de las fuentes de energía y el uso final. Por último, según cómo funcione el proceso, se utiliza principalmente para reparar o reacondicionar piezas existentes mediante la adición de material donde sea necesario.

Ventajas de DED

• Partes fuertes y densas
• Rápidas tasas de construcción
• Reducción del desperdicio de material
• Gama de selección de materiales:metal, cerámica y polímero
• Los materiales se cambian fácilmente
• Capacidad para fabricar piezas con aleaciones personalizadas
• Piezas construidas casi en forma neta
• Capacidad para construir piezas más grandes

Desventajas de DED

• El costo de capital para los sistemas es alto
• Las piezas tienen una resolución más baja, lo que da como resultado un acabado superficial más pobre, lo que requiere un procesamiento secundario
• Las estructuras de soporte no se pueden usar durante el proceso de construcción

3. Fusión de lecho de polvo (PBF)

PBF tiene cuatro categorías de fuentes de energía, fusionadas con láser, fusionadas con haz de electrones, fusionadas con agente y energía, y fusionadas térmicamente. La fuente de energía derrite partículas de polvo de plástico o metal, que se solidifican y fusionan en un patrón para hacer el objeto. El proceso de fusión del lecho de polvo utiliza dos cámaras, la cámara de construcción y la cámara de polvo, y un rodillo de recubrimiento. Para crear los objetos, el rodillo de revestimiento se mueve y esparce el material en polvo por la cámara de construcción para depositar una fina capa de polvo. Algunos procesos de PDF utilizan un raspador, una cuchilla o un rodillo nivelador después del rodillo de revestimiento para garantizar que el grosor de la capa superior del material sea uniforme. A continuación, la fuente de energía funde la capa superior depositada de la base de polvo metálico. Cuando esa capa se ha escaneado y fusionado, la plataforma de construcción se baja progresivamente, simultáneamente la cámara de polvo se eleva y el proceso se repite hasta que se completa el objeto.

Ventajas de PBF

• Máquinas de bajo coste
• Ninguna o mínimas estructuras de apoyo necesarias para la construcción
• Variedad de selección de materiales
• Se pueden utilizar varios materiales
• Capaz de reciclar polvo

Desventajas de PBF

• Tiempo de impresión lento y prolongado
• Tiempo de posprocesamiento adicional
• Propiedades estructurales más débiles
• Variaciones de la calidad de la textura de la superficie
• Es posible que se necesite una placa de construcción de soporte para evitar deformaciones
• La velocidad del proceso de impresión puede determinar si el polvo es reciclable
• Distorsión térmica, principalmente para piezas de polímero
• Las máquinas utilizan mucha energía para crear piezas

4. Laminación de láminas

AM que construye objetos 3D apilando y laminando láminas delgadas de material mediante unión, soldadura ultrasónica o soldadura fuerte. Para crear la forma final del objeto, se utiliza el corte por láser o el mecanizado CNC. De todas las tecnologías AM, esta produce piezas con la menor resolución aditiva o cantidad de detalles, pero proporciona un bajo costo y un tiempo de fabricación más rápido para la creación rápida de prototipos utilizando material de bajo costo fácilmente disponible.

La laminación de láminas se puede clasificar en siete tipos:

• Fabricación de objetos laminados (LOM)
• Fabricación de objetos compuestos por laminación selectiva (SLCOM)
• Laminación de láminas de plástico (PSL)
• Fabricación asistida por computadora de materiales de ingeniería laminados (CAM-LEM)
• Laminación por depósito selectivo (SDL)
• Fabricación aditiva basada en compuestos (CBAM)
• Fabricación aditiva ultrasónica (UAM)

Si bien los tipos de laminación de láminas difieren ligeramente, el principio general es el mismo. El proceso comienza con una lámina delgada de material que se alimenta desde el rodillo o se coloca en la plataforma de construcción. La siguiente capa puede o no estar unida a la lámina anterior, según el proceso. La estratificación continúa hasta que alcanza la altura máxima. La eliminación del bloque de impresión y todos los bordes exteriores no deseados completan el objeto.

Ventajas de la laminación de láminas

• Costo relativamente bajo
• Área de trabajo más grande
• Impresiones a todo color
• Se integra como sistemas de fabricación híbridos
• Facilidad en el manejo de materiales
• Capacidad de superponer múltiples materiales
• No se necesitan estructuras de apoyo
• En algunas láminas laminadas
• Dependiendo del tipo de técnica utilizada, el estado del material permanece sin cambios
• Tiempo de impresión más rápido, pero requiere posprocesamiento

Desventajas de la laminación de láminas

• La altura de la capa no se puede cambiar sin cambiar el grosor de la hoja
• Los acabados pueden variar según el material y pueden requerir un procesamiento posterior
• Opciones limitadas de materiales disponibles
• La eliminación del exceso de material después de la fase de laminación puede ser difícil y llevar mucho tiempo
• Puede generar más residuos en comparación con otros métodos AM
• Las piezas huecas son difíciles de producir en algunos tipos de laminación de láminas
• La fuerza de unión depende de la técnica de laminación utilizada

5. Extrusión de materiales

El proceso AM más popular en términos de disponibilidad para la demanda y calidad del consumidor general, utiliza un filamento continuo de material termoplástico o compuesto para construir piezas 3D. El material en forma de filamento de plástico se alimentó a través de una boquilla de extrusión, donde se calentó y luego se depositó en la plataforma de construcción capa por capa.

Ventajas de la extrusión de materiales

• Amplia selección de material impreso
• Técnica de impresión fácilmente comprensible
• Método fácil de usar para cambiar el material de impresión
• Costos iniciales y de funcionamiento bajos
• Tiempo de impresión más rápido para piezas pequeñas y delgadas
• Tolerancia de impresión de +/- 0,1 (+/- 0,005″)
• No se requiere supervisión
• Tamaño de equipo pequeño
• Proceso a baja temperatura

Desventajas de la extrusión de materiales

• Líneas de capa visibles
• Cabeza de extrusión en movimiento continuo o el material se levanta
• Es posible que se requieran apoyos
• Resistencia de la pieza débil a lo largo del eje Z
• Mayor tiempo de impresión con una resolución más fina y áreas más amplias
• Susceptible a deformaciones y otros problemas de fluctuación de temperatura
• Materiales impresos tóxicos

6. Chorro de material

Un proceso en el que las gotas de materiales similares a la cera se depositan selectivamente en una plataforma de construcción. El material se enfría y solidifica, lo que permite colocar capas de materiales una encima de la otra. Después de la construcción, las estructuras de soporte se eliminan mecánicamente o se derriten.

Ventajas de la inyección de material

• La inyección de material puede lograr una precisión y unos acabados superficiales excepcionales
• Las piezas son buenas para usar en patrones para fundición

Desventajas de Material Jetting

• Número limitado de materiales similares a la cera disponibles
• Las piezas son frágiles debido a los materiales similares a la cera
• Proceso de compilación lento

7. Fotopolimerización en cuba

El proceso utilizado para curar la resina líquida de fotopolímero en una tina capa por capa, convirtiéndola en piezas de plástico duro usando un láser ultravioleta (UV). Los tres tipos más comunes de esta tecnología incluyen estereolitografía, procesamiento digital de luz (DLP) y procesamiento continuo de luz digital (CDLP).

Ventajas de la fotopolimerización en tina

• Alto nivel de precisión y buen acabado
• Proceso relativamente rápido
• Áreas de construcción grandes

Desventajas de la fotopolimerización en cuba

• Relativamente caro
• Prolongado tiempo de posprocesamiento y eliminación de la resina
• Limitado a materiales de fotorresinas
• Aún puede verse afectado por la luz ultravioleta después de la impresión
• Puede requerir estructuras de soporte y poscurado para que las piezas sean lo suficientemente fuertes para uso estructural

Conclusión

A medida que las máquinas de fabricación aditiva se vuelven más asequibles para los talleres mecánicos, la flexibilidad en el diseño y las propiedades de los materiales se está convirtiendo en una amplia gama de aplicaciones y usos prácticos. Las industrias aeroespacial, automotriz y médica están viendo los beneficios de la fabricación aditiva. La creación rápida de prototipos, la producción de bajo volumen y la capacidad de reparar piezas son algunas de las razones del crecimiento de este tipo de fabricación.