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Manufactura Aditiva: Tipos, Procesos y Aplicaciones Explicados

¿Qué es la Manufactura Aditiva?

La manufactura aditiva (AM), también conocida como impresión 3D, es un enfoque transformador para la producción industrial que permite la creación de piezas y sistemas más ligeros y resistentes. Como su nombre indica, la manufactura aditiva añade material para crear un objeto.

La manufactura aditiva (AM) o manufactura aditiva por capas (ALM) es el nombre de producción industrial para la impresión 3D, un proceso controlado por computadora que crea objetos tridimensionales depositando materiales, generalmente en capas.

Según GE Additive, este es otro avance tecnológico posible por la transición de procesos analógicos a digitales. En las últimas décadas, la comunicación, imagen, arquitectura e ingeniería han pasado por sus propias revoluciones digitales. Ahora la AM puede llevar flexibilidad y eficiencia digital a la manufactura.

La manufactura aditiva usa software CAD (Diseño Asistido por Computadora) o escáneres de objetos 3D para controlar el hardware de modo que el material se deposite capa por capa en formas geométricas precisas. Como sugiere el nombre, la manufactura aditiva añade material para crear un objeto. En contraste, al crear un objeto por medios convencionales, a menudo es necesario remover material mediante mecanizado, tallado, fresado, moldeo u otros métodos.

Aunque los términos "impresión 3D" y "prototipado rápido" se usan casualmente para discutir manufactura aditiva, cada proceso es en realidad un subconjunto de la manufactura aditiva.

Aunque la manufactura aditiva pueda parecer nueva para muchos, en realidad lleva varias décadas existiendo. En las aplicaciones adecuadas, la manufactura aditiva ofrece una trifecta perfecta de rendimiento mejorado, geometrías complejas y manufactura simplificada. Como resultado, hay muchas oportunidades para quienes están activamente comprometidos con la manufactura aditiva.

¿Quién Inventó la AM?

El equipo de producción más temprano para impresión 3D fue desarrollado por Hideo Kodama del Instituto de Investigación Industrial Municipal de Nagoya cuando inventó dos métodos aditivos de hacer modelos 3D.

¿Cómo Funciona la Manufactura Aditiva?

Con la ayuda de CAD (Diseño Asistido por Computadora) o escáneres de objetos 3D, la manufactura aditiva permite la creación de objetos con formas geométricas precisas. Estos se construyen capa por capa, en contraste con la manufactura tradicional que a menudo requiere mecanizado u otras técnicas para remover material excedente.

La impresión 3D, prototipado rápido y manufactura aditiva son términos usados para describir los mismos procesos en general. Estructuras y componentes complejos se crean colocando materiales en capas que se construyen paso a paso.

Esta tecnología, que existe desde hace más de tres décadas, solo recientemente ha crecido en popularidad y ya no es solo un medio para hacer un prototipo impreso en 3D, sino que ofrece componentes totalmente funcionales. Las posibilidades son casi ilimitadas ya que la industria de impresión 3D sirve sectores desde industria pesada hasta medicina que quieren aprovechar las tecnologías de precisión disponibles.

Aunque la manufactura aditiva ofrece potencial para nuevas oportunidades en la ciencia, el concepto y cómo funciona es sorprendentemente simple.

Tecnologías de Manufactura Aditiva

1. Sinterizado

Durante el sinterizado, se usa calor para crear una masa sólida sin licuarla. El sinterizado es similar a la fotocopia 2D tradicional, en la que el tóner se funde selectivamente para crear una imagen en papel.

2. Sinterizado Directo de Metal por Láser (DMLS)

En el DMLS, un láser sinteriza cada capa de polvo metálico para que las partículas metálicas se adhieran entre sí. Las máquinas DMLS producen objetos de alta resolución con características superficiales deseables y propiedades mecánicas requeridas. Con SLS, un láser sinteriza polvos termoplásticos para causar que las partículas se adhieran entre sí.

3. Fusión Directa de Metal por Láser (DMLM) y Fusión por Haz de Electrones (EBM)

En contraste, los materiales en los procesos DMLM y EBM se funden completamente. Con DMLM, un láser funde completamente cada capa de polvo metálico, mientras que EBM usa haces de electrones de alta potencia para fundir el polvo metálico. Ambas tecnologías son ideales para crear objetos densos y no porosos.

4. Estereolitografía (SLA)

La Estereolitografía (SLA) usa fotopolimerización para imprimir objetos cerámicos. El proceso usa un láser UV que se quema selectivamente en un contenedor hecho de resina fotopolímera. Las resinas curables con UV producen piezas resistentes al torque que pueden soportar temperaturas extremas.

¿Cuánto Tiempo Toma el Proceso?

El tiempo de impresión toma en cuenta varios factores, incluyendo el tamaño de la pieza y la configuración usada para impresión. La calidad de la pieza terminada también es importante al determinar el tiempo de impresión, ya que los artículos de mayor calidad tardan más en producirse.

La AM puede durar desde unos minutos hasta varias horas o días – la velocidad, resolución y volumen del material son factores importantes aquí.

Materiales de Manufactura Aditiva

Es posible usar muchos materiales diferentes para crear objetos impresos en 3D. La tecnología AM fabrica piezas de motores a reacción de aleaciones metálicas avanzadas y también golosinas de chocolate y otros alimentos.

Tipos de Procesos de Manufactura Aditiva

Hay una serie de procesos AM distintos con sus propios estándares, que incluyen:

1. Inyección de Aglutinante (Binder Jetting)

El proceso de inyección de aglutinante usa dos materiales: un material basado en polvo y un aglutinante. El aglutinante actúa como adhesivo entre capas de polvo. El aglutinante suele estar en forma líquida y el material de construcción en forma de polvo.

Un cabezal de impresión se mueve horizontalmente a lo largo de los ejes x e y de la máquina y deposita alternadamente capas del material de construcción y del material aglutinante. Después de cada nivel, el objeto a imprimir se baja sobre su plataforma de construcción.

Debido al método de unión, las propiedades del material no siempre son adecuadas para componentes, y a pesar de la velocidad de impresión relativa, el post-procesamiento adicional puede extender significativamente el proceso general.

Como en otros procesos de manufactura basados en polvo, el objeto a imprimir se auto-soporta en la cama de polvo y se remueve del polvo no unido tras la finalización.

Inyección de Aglutinante – Paso a Paso

2. Deposición de Energía Dirigida / Fusión por Haz de Electrones (EBM)

La Deposición de Energía Dirigida (DED) cubre varios términos: "Moldeo neto por láser ingeniero, fabricación por luz dirigida, deposición directa de metal, recubrimiento láser 3D". Es un proceso de impresión más complejo, comúnmente usado para reparar o añadir material extra a componentes existentes.

Una máquina DED típica consiste en una boquilla montada en un brazo multi-eje que deposita material fundido en la superficie especificada donde se solidifica. El proceso es similar en principio a la extrusión de material, pero la boquilla puede moverse en múltiples direcciones y no está unida a un eje específico.

El material, que puede depositarse desde cualquier ángulo gracias a máquinas de 4 y 5 ejes, se funde durante la deposición con un láser o haz de electrones. El método puede usarse con polímeros y cerámicas pero típicamente se usa con metales en forma de polvo o alambre. Aplicaciones típicas incluyen reparación y mantenimiento de piezas estructurales.

Deposición de Energía Dirigida – Paso a Paso

3. Extrusión de Material

El Modelado por Deposición Fundida (FDM) es un proceso común de extrusión de material y es marca registrada de Stratasys. El material se extrae a través de una boquilla donde se calienta y luego se deposita capa por capa. La boquilla puede moverse horizontalmente y una plataforma se mueve verticalmente arriba y abajo después de que se ha depositado cada nueva capa. Es una técnica común encontrada en muchas impresoras 3D caseras y de aficionados de bajo costo.

El proceso tiene muchos factores que afectan la calidad del modelo final, pero tiene gran potencial y factibilidad cuando estos factores se controlan exitosamente. Aunque el FDM es similar a todos los demás procesos de impresión 3D en que se construye capa por capa, varía en que el material se añade a través de una boquilla bajo presión constante y en un flujo continuo.

Esta presión debe mantenerse constante y a velocidad constante para permitir resultados precisos. Las capas de material pueden unirse por control de temperatura o medios químicos. El material a menudo se añade a la máquina en forma de bobina como se muestra en el diagrama.

Extrusión de Material – Paso a Paso

4. Fusión de Cama de Polvo

El proceso de fusión de cama de polvo incluye las siguientes técnicas de impresión comúnmente usadas: Sinterizado Directo de Metal por Láser (DMLS), Fusión por Haz de Electrones (EBM), Sinterizado Selectivo por Calor (SHS), Fusión Selectiva por Láser (SLM) y Sinterizado Selectivo por Láser (SLS).

Los procesos de Fusión de Cama de Polvo (PBF) usan un láser o haz de electrones para fundir materiales en polvo y fusionarlos. Los procesos de fusión por haz de electrones (EBM) requieren vacío pero pueden usarse con metales y aleaciones para hacer piezas funcionales. En todos los procesos PBF, el material en polvo se distribuye sobre las capas previas.

Hay varios mecanismos para lograr esto, incluyendo un rodillo o una cuchilla. Un embudo o depósito bajo la cama asegura el suministro de material fresco. El sinterizado directo de metal por láser (DMLS) es lo mismo que SLS, pero usa metales, no plásticos.

El proceso sinteriza el polvo capa por capa. El sinterizado selectivo por calor difiere de otros métodos en que usa un cabezal de impresión térmico calentado para fundir el material en polvo. Como antes, se añaden capas con un rodillo entre capas de fusión. Una plataforma baja el modelo según corresponda.

Fusión de Cama de Polvo – Paso a Paso

5. Laminación de Láminas

Los procesos de laminación de láminas incluyen la fabricación de Aditivos Ultrasónicos (UAM) y la fabricación de Objetos Laminados (LOM). En la fabricación de aditivos ultrasónicos, se usan láminas o tiras de metal, que se unen entre sí por soldadura ultrasónica.

El proceso requiere mecanizado CNC adicional y remoción del metal no unido, a menudo durante el proceso de soldadura. La Fabricación de Objetos Laminados (LOM) usa un enfoque similar capa por capa pero usa papel como material y adhesivo en lugar de soldadura. El proceso LOM usa un método de tramado durante la impresión para fácil remoción tras la creación.

Los objetos laminados se usan a menudo para modelos estéticos y visuales y no son adecuados para propósitos estructurales. UAM usa metales e incluye aluminio, cobre, acero inoxidable y titanio. El proceso tiene baja temperatura y permite la creación de geometrías internas. El proceso puede combinar diferentes materiales y requiere relativamente poca energía ya que el metal no se funde.

Laminación de Láminas – Paso a Paso

6. Polimerización en Cubeta

En la polimerización en cubeta, se usa una cubeta de resina fotopolímera líquida, desde la cual el modelo se construye capa por capa. Luz ultravioleta (UV) se usa para curar o endurecer la resina según se necesita, mientras una plataforma mueve el objeto fabricado hacia abajo a medida que cada nueva capa cura.

Como el proceso usa líquido para formar objetos, no hay soporte estructural del material durante la fase de construcción. En contraste con procesos basados en polvo, donde el soporte lo proporciona el material no unido. En este caso, a menudo es necesario añadir estructuras de soporte.

Las resinas se curan usando un proceso de fotopolimerización o luz UV, en la que la luz se dirige a través de la superficie de la resina usando espejos motorizados. Cuando la resina entra en contacto con la luz, se endurece.

Fotopolimerización – Paso a Paso

7. Inyección de Material

La inyección de material crea objetos de manera similar a una impresora de inyección de tinta bidimensional. El material se inyecta sobre una plataforma de construcción usando un enfoque continuo o de gota a demanda (DOD).

El material se rocía sobre la superficie o plataforma, donde se solidifica y el modelo se construye capa por capa. El material se deposita desde una boquilla que se mueve horizontalmente a través de la plataforma de construcción. Las máquinas difieren en su complejidad y en sus métodos de controlar la deposición de material. Las capas de material se curan o endurecen luego usando luz ultravioleta (UV).

Como el material debe depositarse en gotas, el número de materiales disponibles para uso es limitado. Polímeros y ceras son materiales adecuados y ampliamente usados debido a su naturaleza viscosa y capacidad para formar gotas.

Inyección de Material – Paso a Paso

Ventajas de la Manufactura Aditiva

Aplicaciones de la Manufactura Aditiva

Aeroespacial

La AM destaca en la fabricación de piezas con diseños geométricos complejos que ahorran peso. Por tanto, a menudo es la solución perfecta para fabricar piezas aeroespaciales ligeras y resistentes.

En agosto de 2013, NASA probó exitosamente un inyector de cohete impreso con SLM durante una prueba de fuego en caliente que generó 20,000 libras de empuje. En 2015, la FAA aprobó la primera pieza impresa en 3D para uso en un motor comercial. El motor LEAP de CFM tiene 19 boquillas de combustible impresas en 3D. Según Aviation Week, piezas estructurales de Boeing 787 certificadas por FAA hechas de alambre de titanio se exhibieron en el Paris Air Show 2017.

Automotriz

CNN reportó que el equipo de carreras McLaren usa piezas impresas en 3D en sus autos de Fórmula 1. Un reemplazo de alerón trasero tomó unos 10 días en producirse en lugar de cinco semanas. El equipo ya ha producido más de 50 piezas diferentes usando manufactura aditiva.

En la industria automotriz, el potencial de prototipado rápido de la AM genera gran interés ya que aparecen piezas de producción. Por ejemplo, aleaciones de aluminio se usan para producir tubos de escape y piezas de bomba, y polímeros para producir parachoques.

Salud

En la Escuela de Medicina de la Universidad de Nueva York, un estudio clínico con 300 pacientes evalúa la efectividad de modelos de cáncer renal multicolor específicos del paciente usando manufactura aditiva. El estudio investiga si tales modelos apoyan efectivamente a cirujanos con evaluaciones preoperatorias y guía durante la cirugía.

El fabricante global de dispositivos médicos Stryker financia un proyecto de investigación en Australia para usar tecnología de manufactura aditiva para crear implantes quirúrgicos personalizados, a demanda, impresos en 3D para pacientes con cáncer óseo.

En general, las aplicaciones de salud para manufactura aditiva están creciendo, especialmente cuando se demuestra la seguridad y efectividad de dispositivos médicos construidos con AM. La producción de órganos sintéticos únicos también es prometedora.

Desarrollo de Productos

A medida que se realiza el potencial de flexibilidad de diseño de la AM, conceptos de diseño antes imposibles ahora se reimaginan exitosamente. La manufactura aditiva libera el potencial creativo de diseñadores que ahora pueden operar libres de las restricciones bajo las que antes trabajaban.

Preguntas Frecuentes

¿Qué es la manufactura aditiva?

La manufactura aditiva (AM), también conocida como impresión 3D, es un enfoque transformador para la producción industrial que permite la creación de piezas y sistemas más ligeros y resistentes. Como su nombre indica, la manufactura aditiva añade material para crear un objeto.

¿Qué es el proceso de manufactura aditiva?

La manufactura aditiva es un proceso específico de impresión 3D. Este proceso construye piezas capa por capa depositando material según datos de diseño 3D digitales. Por ejemplo, en lugar de fresar una pieza de trabajo de un bloque sólido, la manufactura aditiva construye la pieza capa por capa desde material suministrado como polvo fino.

¿Cuáles son los tipos de manufactura aditiva?

Tipos de Manufactura Aditiva:

  1. Inyección de aglutinante (Binder jetting).
  2. Deposición de energía dirigida (Directed Energy Deposition).
  3. Fusión de cama de polvo (Powder Bed Fusion).
  4. Laminación de láminas (Sheet Lamination).
  5. Extrusión de material (Material Extrusion).
  6. Inyección de material (Material Jetting).
  7. Fotopolimerización en cubeta (Vat Photo Polymerization).

¿Qué significa manufactura aditiva?

La manufactura aditiva es el proceso de crear un objeto construyéndolo una capa a la vez. Es lo opuesto a la manufactura sustractiva, en la que un objeto se crea cortando un bloque sólido de material hasta que el producto final está completo.

¿Qué productos se fabrican con manufactura aditiva?

Aplicaciones comunes incluyen conductos de sistemas de control ambiental (ECS), componentes interiores cosméticos personalizados de aeronaves, componentes de motores de cohetes, revestimientos de combustores, herramientas para compuestos, tanques de aceite y combustible, y componentes de UAV. La impresión 3D entrega piezas complejas y consolidadas con alta resistencia.

¿Por qué se llama manufactura aditiva?

Esto es distinto a otras formas tradicionales de crear o forjar productos, en las que el material se corta o remueve de un sujeto mayor para lograr el producto final. Para responder simplemente "¿Por qué se llama manufactura aditiva?", es porque el proceso de construcción añade en lugar de restar material base.

¿Es la manufactura aditiva lo mismo que la impresión 3D?

Entre los términos impresión 3D y manufactura aditiva, no hay diferencia. Impresión 3D y manufactura aditiva son sinónimos del mismo proceso. Ambos términos referencian el proceso de construir piezas uniendo material capa por capa desde un archivo CAD.

¿Qué significa estereolitografía?

La Estereolitografía (SLA) es un proceso de manufactura aditiva que construye prototipos sólidos, patrones y productos desde dibujos CAD. SLA permite la construcción de prototipos plásticos sólidos tejidos desde un haz láser alimentado por CAD.

¿Cuáles son los beneficios de la manufactura aditiva?

Ventajas de la Manufactura Aditiva:

¿Es la soldadura manufactura aditiva?

La aplicación de soldadura en manufactura aditiva (AM) para la fabricación de componentes metálicos es uno de los intereses de investigación y desarrollo de más rápido crecimiento. Fuentes de energía como láser, haz de electrones y soldadura por arco se usan para fundir y depositar material base en forma de polvo o alambre.

¿Qué es una desventaja de la manufactura aditiva?

Desventajas – El costo de producción es alto – Con el uso de técnicas distintas a la manufactura aditiva, las piezas pueden fabricarse más rápido, y por tanto el tiempo extra puede llevar a costos más altos. Además, las máquinas de manufactura aditiva de alta calidad pueden costar mucho.

¿Quién inventó la manufactura aditiva?

Chuck Hull es cofundador, vicepresidente ejecutivo y director de tecnología de 3D Systems. Es uno de los inventores de la impresora 3D SLA, la primera tecnología comercial de prototipado rápido, y el formato de archivo STL ampliamente usado.

¿Para qué tareas se usan las tecnologías aditivas?

¿Cuál es la diferencia entre manufactura aditiva y prototipado rápido?

Prototipado rápido significa producir un prototipo rápidamente. Manufactura aditiva se refiere a cualquier proceso de manufactura que haga productos añadiendo materiales gradualmente.

¿Cuál es la diferencia entre manufactura generativa y manufactura aditiva?

Aunque el diseño generativo es lo suficientemente sofisticado para trabajar con métodos tradicionales, la manufactura aditiva proporciona a la tecnología la mayor libertad. No es difícil entender por qué. Un ejemplo de una pieza creada vía diseño generativo. El sistema optimizó los dos diseños de la izquierda para fresado de 3 ejes y aluminio fundido.

¿Cuál es la historia de la manufactura aditiva?

La manufactura aditiva surgió por primera vez en 1987 con la estereolitografía (SL) de 3D Systems, un proceso que solidifica capas delgadas de polímero líquido sensible a luz ultravioleta (UV) usando un láser. El SLA-1, el primer sistema AM disponible comercialmente en el mundo, fue el precursor de la una vez popular máquina SLA 250.

¿Por qué se inventó la impresión 3D?

La idea vino a Crump en 1988 mientras intentaba hacer una rana de juguete para su hija dispensando cera de vela a través de una pistola de pegamento. En 1989, Crump patentó la tecnología y con su esposa cofundó Stratasys Ltd. para fabricar y vender máquinas de impresión 3D para prototipado rápido o manufactura comercial.

¿Qué líquido se usa en estereolitografía?

La Estereolitografía (o SLA) es una de las técnicas de impresión 3D más antiguas jamás desarrolladas. Este proceso de manufactura aditiva se usa para imprimir material de resina en 3D, usando un proceso fotoquímico. Este proceso de impresión 3D SLA usa una cubeta de resina fotopolímera líquida que puede curarse.

¿Quién inventó la máquina de impresión 3D?

Charles Hull es el inventor de la estereolitografía, la primera tecnología comercial de prototipado rápido comúnmente conocida como impresión 3D. Las primeras aplicaciones fueron en laboratorios de investigación y desarrollo y salas de herramientas, pero hoy las aplicaciones de impresión 3D son aparentemente infinitas.

¿Es la manufactura aditiva el futuro?

En 2021, el progreso continuará, con empresas de software grandes y pequeñas enfocándose en soluciones de software para cumplir los requisitos de tecnologías aditivas. Esta evolución impulsará la próxima generación de herramientas de software que impulsarán la AM hacia la industrialización.

¿Es la manufactura aditiva cara?

Dependiendo del proceso y diseño del componente, los costos variables para producción aditiva pueden ser cinco a cincuenta veces más altos que para producción convencional, por ejemplo en el procesamiento de polímeros y metales.

¿Qué es manufactura aditiva GE?

GE Additive ahora proporciona máquinas, materiales y experiencia en diseño de ingeniería, asociándose con clientes para ayudarles a introducir aditivos en sus negocios. Las máquinas Concept Laser y Arcam ya apoyan clientes en industrias aeroespacial, médica, dental y joyería.

¿Qué es la soldadura aditiva?

La manufactura aditiva por arco de alambre es un proceso que combina soldadura automatizada de gas inerte metálico (MIG) o soldadura láser de alambre caliente con deposición directa de impresión 3D.

¿Cuál es la diferencia entre manufactura aditiva y sustractiva?

Los procesos de manufactura aditiva construyen objetos añadiendo material capa por capa, mientras que la manufactura sustractiva remueve material para crear piezas.

¿Está creciendo la manufactura aditiva?

Crecimiento proyectado del mercado global de manufactura aditiva 2020-2026. Entre 2020 y 2023, se espera que el mercado global de manufactura aditiva crezca alrededor del 17% anual. Aunque el mercado de materiales de impresión 3D está dominado actualmente por plásticos, se proyecta que los materiales metálicos impulsarán el crecimiento del mercado.

¿Qué tan sostenible es la manufactura aditiva?

Como proceso en sí mismo, la manufactura aditiva ya representa un medio de producción más sostenible. Esto es particularmente evidente en el hecho de que la impresión 3D elimina el uso de material excedente y así desperdicio innecesario virtualmente desde el principio.

¿Cuál es el principal desafío para la manufactura aditiva?

El desafío es identificar los diseños de pieza y ensamblaje determinados por la tecnología de manufactura actual y considerar si la AM puede mejorar el rendimiento. Como la AM hace posible crear geometrías que no son factibles con métodos de manufactura convencionales, la libertad de diseño aumenta.

¿Qué es la manufactura aditiva simple?

La manufactura aditiva (AM) o manufactura aditiva por capas (ALM) es el nombre de producción industrial para la impresión 3D, un proceso controlado por computadora que crea objetos tridimensionales depositando materiales, usualmente en capas.

¿Por qué se introdujo la manufactura aditiva?

La Manufactura Aditiva de Metales, o impresión 3D, ofrece la posibilidad de producir piezas complejas sin las restricciones de diseño de las rutas de manufactura tradicionales.

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