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Introducción a la fabricación aditiva

por Nessan Cleary | 22/03/2021
Introducción a la fabricación aditiva

Nessan Cleary ofrece una breve introducción a la impresión 3D y detalla los diferentes tipos de impresoras 3D disponibles actualmente.

El término 'impresión 3D' es un poco engañoso, ya que no hay mucho en la forma de impresión, al menos no de la forma en que cualquiera del mundo de la impresión gráfica entendería. Dicho esto, muchos profesionales de gran formato están acostumbrados a trabajar con archivos CAD para producir empaques, soportes de exhibición y otros objetos tridimensionales, por lo que la impresión 3D no debería ser un gran desafío.

El concepto básico es tomar el diseño de un objeto y cortarlo en capas utilizando un software de corte. Luego, la impresora 3D crea el objeto, colocando una capa a la vez, agregando cada capa encima de la anterior hasta que el objeto esté completo. Puede ser un proceso bastante lento, dependiendo del tamaño de cada objeto, aunque muchas impresoras 3D se pueden configurar para imprimir varios objetos uno al lado del otro dentro de la cámara de construcción de la impresora.

Hoy en día, la impresión 3D se utiliza ampliamente para producir prototipos, plantillas, moldes y piezas finales, y cada vez se está convirtiendo en un proceso de fabricación más aceptable. Por esta razón, la impresión 3D también se conoce como fabricación aditiva. Hay muchas tecnologías de impresión 3D diferentes, demasiadas para enumerarlas todas aquí, por lo que para esta historia repasaremos algunos de los tipos principales y los materiales con los que pueden trabajar. Tenga cuidado, hay bastantes TLA (siglas de tres letras) para pasar.

MakerBot_MethodPETG_PRinc_WQ.jpg Leyenda: MakerBot ha introducido varios materiales especiales para su impresora 3D Method FFF.

Quizás el método más común es la fabricación de filamentos fundidos, o FFF, también conocido como modelado por deposición fundida o FDM. Este utiliza un carrete de filamento termoplástico como materia prima. El filamento se alimenta a través de una extrusora calentada, que lo funde para colocarlo y formar una capa. Las capas se unen a medida que el material se enfría para formar el objeto. Hay muchas impresoras FFF / FDM del tamaño de una computadora de escritorio, en su mayoría bastante capaces a pesar de su precio relativamente barato. La resolución depende de qué tan fina sea la boquilla de la extrusora, con una compensación entre alta resolución y velocidades de impresión más rápidas.

Hay una buena variedad de materiales, desde plásticos duros como ABS hasta opciones flexibles como TPU, así como materiales más exóticos entrelazados con nailon o fibra de carbono para mejorar la resistencia.

Formlab_Form3Form3L_PRfrm_WQ.jpg Leyenda: Formlab ha desarrollado estas impresoras 3D de estereolitografía Form 3 y Form 3L de escritorio.

El siguiente paso es la estereolitografía, o SLA, que utiliza materiales a base de resina de fotopolímero. El proceso comienza llenando una tina con el fotopolímero líquido. Un rayo de luz ultravioleta luego traza el patrón de la primera capa sobre la superficie de este líquido, provocando una reacción química que solidifica el líquido donde la luz lo ha tocado. Se baja la plataforma de construcción, se agrega más resina y se traza una segunda capa sobre la primera, y así sucesivamente. En algunos casos, se utiliza una tina con fondo transparente y la luz se ilumina desde la parte inferior, creando el objeto desde la parte inferior del tanque hacia arriba.

Estas impresoras también son en su mayoría máquinas de escritorio y generalmente más caras que las impresoras FFF / FDM, pero hay una gama más especializada de materiales, para usos como la creación de prototipos o la producción de moldes para moldeo, así como resinas biocompatibles para uso dental y médico. Por lo general, dan un acabado suave con detalles finos pero carecen de gran resistencia.

El procesamiento de luz digital o DLP es una variación de la impresión SLA, pero en lugar de un láser utiliza un proyector de luz digital para hacer brillar una imagen de una capa completa, que es mucho más rápido que trazar esa capa con un láser.

Una de las formas más antiguas de impresión 3D es la sinterización selectiva por láser o SLS. Es adecuado para todo tipo de materiales, desde plástico hasta metal, así como cerámica y vidrio, que comienzan en forma de polvo. El polvo se esparce en una cámara de construcción y el láser escribe un patrón en el polvo, y el láser fusiona solo las partículas que calienta para formar la primera capa. Luego se baja el lecho de la cámara y se esparce más polvo, y el proceso se repite con cada capa fusionada con la última hasta que el objeto está terminado.

Este proceso permite objetos increíblemente intrincados, como radiadores de turbina que requieren muchas aletas internas. Sin embargo, las máquinas SLS tienden a ser caras porque requieren un buen control de temperatura y, por supuesto, un láser de alta potencia, por lo que se limitan principalmente al uso comercial.

Similar a SLS es la fusión selectiva por láser o SLM, que también se conoce como fusión directa por láser de metales. Existe una buena variedad de aleaciones metálicas, incluidos varios grados de aluminio y aleaciones de acero. Este método también utiliza un láser de alta potencia para producir objetos metálicos, pero derrite completamente el polvo metálico, en lugar de simplemente sinterizar las partículas de polvo juntas, lo que significa que las piezas son más densas. La cámara de construcción generalmente se llena con un gas inerte como el argón para limitar el potencial de incendio o explosión, pero también requiere un manejo cuidadoso y solo es adecuado para uso comercial.

La fusión por haz de electrones o EBM funciona de manera similar. En este caso, el láser produce haces de electrones y funde el polvo metálico, y requiere un vacío en lugar de un gas inerte. Implica altas temperaturas, hasta 1000ºC, pero puede producir objetos muy fuertes y densos y es particularmente adecuado para aleaciones de titanio.

HP_JF5200_PRhp_WQ.jpg Leyenda: La impresora 3D HP Jet Fusion 5200, que utiliza inyección de aglutinante, que se ve aquí con una estación de procesamiento separada.

Binder Jetting utiliza un cabezal de impresión de inyección de tinta para inyectar un adhesivo y, literalmente, pegar los polvos. El material en polvo se extiende sobre el lecho, y el patrón de la primera capa se escribe en el polvo lanzando el adhesivo para unir los polvos. El lecho desciende y se esparce más polvo, y el proceso se repite capa por capa hasta que se completa el objeto. Por lo general, hay un paso de acabado separado en el que se dispara el objeto para derretir el aglutinante restante y garantizar que todas las capas estén completamente fusionadas en un solo objeto.

El proceso se puede adaptar para su uso con plásticos, metales y materiales cerámicos. La gran ventaja de usar cabezales de impresión de inyección de tinta es que es relativamente barato escalar el proceso, por ejemplo, agregando más cabezales para una mayor productividad.

Los cabezales de impresión de inyección de tinta también se pueden usar para otro método, Material Jetting, que puede depositar el material en el lugar exacto para formar cada capa. Esto también es bueno para plásticos, metales y cerámica. Sin embargo, el chorro de material se enfrenta a algunos de los mismos problemas que con las impresoras gráficas, a saber, el riesgo de que las partículas más grandes obstruyan los cabezales de impresión y la necesidad de deshacerse del vehículo líquido utilizado para inyectar el material una vez finalizada la impresión.

En conclusión, la elección de en qué tipo de impresora 3D invertir se reduce en gran medida a encontrar un equilibrio entre el costo de la impresora, frente a los materiales que desea utilizar, y la calidad y resistencia que necesita para los objetos terminados.

Estén atentos, ya que volveremos a este tema en un par de meses y observe algunas de las aplicaciones para las que se pueden usar las impresoras 3D.

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