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procesos de impresión 3D

Modelo de diseño asistido por computadora (CAD) utilizado para impresión 3D. El proceso de modelado manual para preparar datos geométricos para gráficos 3D por computadora es si...

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Modelo de diseño asistido por computadora (CAD) utilizado para impresión 3D. El proceso de modelado manual para preparar datos geométricos para gráficos 3D por computadora es similar a las artes plásticas, como la escultura. El escaneo 3D es un proceso de recopilación de datos digitales sobre la forma y apariencia de un objeto real, creando un modelo digital a partir de ellos.

En la producción de un objeto tridimensional mediante fabricación aditiva se utilizan diversos procesos , equipos y materiales .

Las técnicas incluyen inyección a presión, extrusión , deposición aditiva por fricción-agitación, fusión de lecho de polvo , inyección de aglutinante, estereolitografía , litografía axial computarizada , alternativa líquida, laminación, deposición de energía dirigida , deposición selectiva de polvo y fabricación criogénica.

Tipos

Los procesos de impresión 3D se agrupan en siete categorías por ASTM International en la norma ISO/ASTM52900-15: [ 1 ]

Cada proceso y equipo tiene ventajas y desventajas asociadas. Estas suelen incluir aspectos como la velocidad, los costos, la versatilidad con respecto a la materia prima , las limitaciones geométricas y las tolerancias , así como las propiedades mecánicas y estéticas de los productos, tales como la resistencia, la textura y el color.

La variedad de procesos y equipos permite numerosos usos tanto para aficionados como para profesionales. Algunos se prestan mejor al uso industrial (en este caso se prefiere el término fabricación aditiva ), mientras que otros hacen que la impresión 3D sea accesible al consumidor medio. Algunas impresoras son lo suficientemente grandes como para fabricar edificios, mientras que otras tienden a producir objetos de tamaño micro y nanométrico, y en general se pueden aprovechar muchas tecnologías diferentes para producir físicamente los objetos diseñados. [ 2 ]

Historia

Evolución de la impresión 3D a lo largo de las décadas. [ 3 ]

La impresión por inyección de tinta fue pionera de Teletype, que introdujo la teleimpresora Inktronic de tracción electrostática [ 4 ] en 1966. La impresora tenía 40 inyectores que ofrecían una velocidad revolucionaria de 120 caracteres por segundo. [ 5 ]

Las impresoras de inyección de tinta continua fueron populares en las décadas de 1950 y 1960, antes de que se inventaran las impresoras de inyección de tinta de gota a demanda [ 6 ] en 1972. [ 7 ] Las tintas tridimensionales continuas eran a base de cera y aleaciones metálicas de baja temperatura . La impresión con estas tintas termofusibles producía caracteres alfanuméricos sólidos y en relieve, pero nadie los reconoció como impresión 3D. En 1971, un joven ingeniero, Johannes Gottwald, patentó una grabadora de metal líquido que imprimía caracteres grandes en metal para señalización, pero Teletype Corp ignoró el descubrimiento. El braille se imprimía con tintas de cera, pero nunca se comercializó en la década de 1960.

RH Research [ 8 ] investigó la impresión entre 1982 y 1983 y decidió que la inyección de tinta de una sola boquilla era una posible solución. Reclutó a los ingenieros Al Hock, Tom Peer, Dave Lutz, Jim y Kathy McMahon para unirse a la empresa, que pasó a llamarse Howtek, Inc. El dispositivo Pixelmaster de la empresa utilizaba boquillas Tefzel , lo que permitía que la inyección de tinta funcionara a alta temperatura y admitiera tintas termoplásticas termofusibles . El dispositivo podía manejar un rango de frecuencia de 1 a 16 000 gotas por segundo. Contaba con 32 boquillas de inyección de tinta individuales por cabezal de impresión, imprimiendo 4 colores (8 chorros por color) CMYK . El cabezal de impresión giraba a 121 rpm y colocaba gotas uniformes con precisión, como en la impresión sustractiva. Esta tecnología de impresión de capas de tintas termofusibles en CMYK fue precursora de una patente 3D de Richard Helinski.

Chuck Hull patentó la estereolitografía (SLA) en 1986. [ 9 ]

En 1993, la patente de Helinski fue licenciada inicialmente por Sanders Prototype, Inc. (más tarde Solidscape , Inc.), fabricante de la primera impresora de prototipado rápido de escritorio, la Modelmaker 6 Pro. Esta utilizaba inyectores de tinta tipo Howtek y tintas termoplásticas. Los modelos impresos con termoplástico eran perfectos para la fundición a la cera perdida, ya que no generaban cenizas durante el proceso de desmoldeo. La impresión por goteo con tinta termoplástica era lo suficientemente precisa para joyeros y diseñadores CAD que requerían gran atención al detalle. Los inyectores de tinta Howtek, diseñados para imprimir una página en 4 minutos, se utilizaban para imprimir durante hasta 4 días seguidos.

Procesos

Se han inventado varios procesos de impresión 3D desde finales de la década de 1970. [ 3 ] Las impresoras originalmente eran grandes, caras y muy limitadas en lo que podían producir. [ 10 ]

Actualmente se dispone de una gran cantidad de procesos aditivos. Las principales diferencias entre los procesos radican en la forma en que se depositan las capas para crear las piezas y en los materiales que se utilizan. Algunos métodos funden o ablandan el material para producir las capas, por ejemplo, fusión selectiva por láser (SLM) o sinterización láser directa de metal (DMLS), sinterización selectiva por láser (SLS), modelado por deposición fundida (FDM), [ 11 ] [ 12 ] [ a ] ​​o fabricación por filamento fundido (FFF), mientras que otros curan materiales líquidos utilizando diferentes tecnologías sofisticadas, como la estereolitografía (SLA). Con la fabricación de objetos laminados (LOM), se cortan capas delgadas a la forma y se unen (por ejemplo, papel, polímero, metal). La deposición de partículas mediante tecnología de inyección de tinta imprime capas de material en forma de gotas individuales. Cada gota de tinta sólida de material termofusible imprime una partícula o un objeto. Las tintas termofusibles de color imprimen gotas individuales de CMYK una encima de la otra para producir un objeto de un solo color con 1 a 3 capas fundidas juntas. Los modelos 3D complejos se imprimen con muchas gotas superpuestas fusionadas en capas, según lo definido por el archivo CAD segmentado. La tecnología de inyección de tinta permite que los modelos 3D sean estructuras sólidas o de celda abierta, según la configuración de impresión de inyección de tinta de la impresora 3D. Cada método tiene sus propias ventajas y desventajas, por lo que algunas empresas ofrecen una selección de polvo y polímero para el material utilizado en la construcción del objeto. [ 13 ] Otras a veces utilizan papel comercial estándar como material de construcción para producir un prototipo duradero. Las principales consideraciones al elegir una máquina son generalmente la velocidad, los costos de la impresora 3D y del prototipo impreso, la variedad y el costo de los materiales, y las capacidades de color. [ 14 ]

Las impresoras que trabajan directamente con metales suelen ser caras. Sin embargo, se pueden usar impresoras menos costosas para hacer un molde, que luego se usa para fabricar piezas metálicas. [ 15 ]

Jetting

Inyección de material

En la proyección de material, una boquilla se desliza sobre una superficie absorbente. El material puede ser una mecha.ed, extraído electrostáticamente de un chorro más grande, [ 4 ] presurizado para expulsar material de forma continua o en ráfagas cortas en forma de aerosol o gotas.

Las boquillas pueden ser de una sola cámara de fluido o de múltiples cámaras con una o varias cámaras de fluido, o combinaciones de ambas.

El material debe tener una viscosidad lo suficientemente baja como para pasar a través de la boquilla. Los materiales termofusibles pueden fundirse hasta convertirse en líquidos. Las tintas deben ser lo suficientemente espesas como para acumularse verticalmente.

La tecnología de inyección de tinta continua (CIT) comenzó imprimiendo letreros y documentos en papel, y posteriormente se adaptó para imprimir en metales. La cera y los termoplásticos fueron los primeros materiales 3D, impresos mediante inyección de tinta bajo demanda (DOD).

Inyección de aglutinante

Esquema del proceso de inyección de aglutinante. El cabezal móvil deposita selectivamente el aglutinante sobre el lecho de polvo. La plataforma desciende progresivamente. El objeto solidificado queda sumergido en el polvo no adherido. Se añade polvo nuevo desde el depósito mediante un mecanismo de nivelación.

La inyección de aglutinante deposita adhesivo aglutinante sobre capas de material en polvo. [ 19 ] También conocida como impresión 3D por inyección de tinta, el proceso extiende polvo (de cerámica, metal o plástico, incluyendo yeso y resinas) sobre una plataforma. Un cabezal de impresión deposita aglutinante en la sección transversal de cada capa. Las impresoras modernas curan (solidifican) el aglutinante en cada capa. La pieza resultante se cura aún más en un horno para eliminar la mayor parte del aglutinante. Los operadores la sinterizan en un horno siguiendo una curva de tiempo-temperatura específica para el material. El polvo no aglutinado soporta los voladizos durante la impresión. El método permite prototipos a todo color y piezas de elastómero. La resistencia mejora al impregnar los huecos con cera, polímero termoestable, bronce u otros materiales compatibles. [ 20 ] [ 21 ]

Extrusión

Esquema de fabricación por deposición de filamento fundido. El filamento a) se alimenta a través de un cabezal móvil calentado b) . El cabezal funde y extruye el material, depositándolo capa por capa para formar la figura c) . La plataforma móvil e) desciende después de cada capa. Las estructuras de soporte d) sostienen los voladizos.

La fabricación por deposición fundida (FFF), comercializada como modelado por deposición fundida (FDM), extruye material termoplástico para construir objetos capa por capa. En 2023, FDM era el método de impresión 3D dominante. [ 22 ]

Un filamento termoplástico se introduce en una boquilla de extrusión. El cabezal de la boquilla calienta el material hasta su punto de fusión y lo extruye sobre una plataforma de construcción. Motores paso a paso o servomotores mueven el cabezal y controlan el flujo a lo largo de tres ejes. Un software de fabricación asistida por ordenador genera el código G. Un microcontrolador acciona los motores.

Los materiales comunes incluyen acrilonitrilo butadieno estireno (ABS), policarbonato (PC), ácido poliláctico (PLA), polietileno de alta densidad (HDPE), PC/ABS, polifenilsulfona (PPSU) y poliestireno de alto impacto (HIPS). El filamento se forma a partir de resinas vírgenes .

Vídeo en cámara rápida de un modelo de robot (logotipo de la revista Make ) imprimiéndose mediante FDM en una impresora RepRapPro de Fisher.
Impresora 3D de vidrio, depositando vidrio fundido

Los proyectos de código abierto reciclan los residuos plásticos posconsumo en filamento utilizando trituradoras y extrusoras como los recyclebots . [ 23 ] [ 24 ] [ 25 ] [ 26 ] Los tubos de PTFE transfieren filamento debido a su resistencia a altas temperaturas. [ 27 ] Las variantes utilizan gránulos o partículas en lugar de filamento, conocidas como fabricación de gránulos/partículas/granulares fundidos (FPF/FGF), lo que ayuda al uso de materiales reciclados. [ 28 ] [ 29 ] El alambre metálico permite la impresión mediante fabricación aditiva por arco de alambre (WAAM), reduciendo los costos. La deposición de vidrio fundido crea obras artísticas. El uso de FDM limita las geometrías complejas como voladizos o estructuras de estalactitas . El software Slicer agrega estructuras de soporte removibles para tales características. [ 30 ]

S. Scott Crump desarrolló el proceso a finales de la década de 1980. Stratasys lo comercializó en 1992. [ 31 ] Evolucionó a partir de la soldadura automatizada de láminas poliméricas por aire caliente, el pegado termofusible y la deposición de juntas. Tras la expiración de la patente, los proyectos RepRap de código abierto fomentaron el desarrollo comunitario y las variantes de bricolaje. Los precios cayeron en dos órdenes de magnitud. [ 22 ]

Deposición aditiva por fricción-agitación

La deposición aditiva por fricción-agitación (AFSD) es un proceso de fabricación aditiva de metales en estado sólido que utiliza una herramienta giratoria para depositar material de alimentación sobre un sustrato. [ 32 ] La AFSD ofrece varias ventajas sobre otros procesos de fabricación aditiva de metales, incluyendo una alta utilización del material, un bajo consumo de energía y la capacidad de imprimir aleaciones metálicas incompatibles con los procesos basados ​​en fusión. [ 33 ]

Fusión de lecho de polvo

Esquema de unión granular. Cabezal móvil a) une selectivamente el lecho de polvo e) superficie mediante la aplicación de pegamento o sinterización láser. Plataforma f) desciende progresivamente. Objeto solidificado d) reposa en polvo no unido. Mecanismo de nivelación b) añade polvo nuevo desde el depósito c) .

La fusión de lecho de polvo (PBF) fusiona selectivamente el material en un lecho granular. [ 34 ] El proceso fusiona las partes de la capa, eleva el área de trabajo, agrega gránulos y se repite hasta completarse. El polvo no fusionado soporta voladizos y paredes delgadas, reduciendo los soportes auxiliares. La PBF incluye la sinterización láser directa de metal (DMLS), la sinterización láser selectiva (SLS), la fusión láser selectiva (SLM), la fusión multichorro (MJF) y la fusión por haz de electrones (EBM). [ 35 ] Estos métodos manejan diversos materiales y permiten geometrías complejas.

Sinterización selectiva por láser

La sinterización selectiva por láser (SLS) utiliza polímeros y metales (por ejemplo, PA, PA-GF, PEEK, alumida , carbonamida, elastómeros ) y la sinterización directa de metales por láser (DMLS). [ 36 ] [ 37 ] Deckard y Joseph Beaman la desarrollaron y patentaron a mediados de la década de 1980 bajo el patrocinio de DARPA . [ 37 ] [ 38 ] RF Housholder patentó un proceso similar, no comercializado, en 1979. [ 39 ]

Fusión selectiva por láser

La fusión selectiva por láser (SLM) no utiliza sinterización para la fusión de gránulos de polvo, sino que funde el polvo mediante un láser de alta energía para crear materiales completamente densos en un método por capas que tiene propiedades mecánicas similares a las de los metales fabricados convencionalmente. [ 34 ] [ 40 ]

Fusión por haz de electrones

La fusión por haz de electrones (EBM) funde polvo metálico (por ejemplo, aleaciones de titanio) capa por capa con un haz de electrones en alto vacío , produciendo piezas sin poros. [ 41 ] [ 42 ]

Fusión multichorro

La fusión multichorro (MJF) combina agentes de fusión y detalle con una matriz de inyección de tinta que calienta para solidificar capas sin láseres. [ 43 ] La inyección de aglutinante esparce polvo (yeso o resinas) e imprime aglutinante a través de inyección de tinta. La sinterización por calor selectivo aplica calor con un cabezal de impresión térmico al polvo termoplástico, ofreciendo una alternativa más barata y escalable. [ 44 ] Otro enfoque de impresión 3D es la fusión selectiva de materiales en un lecho granular. [ 34 ] La técnica fusiona partes de la capa y luego se mueve hacia arriba, agregando capas de gránulos y repitiendo el proceso hasta que la pieza esté completa. Este proceso utiliza el medio no fusionado para soportar voladizos y paredes delgadas, lo que reduce la necesidad de soportes auxiliares. Por ejemplo, en la sinterización por calor selectivo , un cabezal de impresión térmico aplica calor a capas de termoplástico en polvo ; cuando una capa está terminada, el lecho de polvo se mueve hacia abajo y un rodillo automatizado agrega una nueva capa de material para sinterizar en la siguiente sección transversal; utilizando un cabezal de impresión térmico menos intenso en lugar de un láser, una solución más económica que los láseres, y se puede reducir a tamaños de escritorio. [ 44 ] [ 41 ] [ 42 ]

fotopolimerización en cuba

Esquema de estereolitografía. Dispositivo emisor de luz a) (láser o DLP) ilumina selectivamente el fondo transparente c) del tanque b) lleno de resina fotopolimérica líquida. La resina solidificada d) se eleva progresivamente mediante una plataforma elevadora e) .

La fotopolimerización en cuba cura la resina fotopolimérica líquida capa por capa utilizando fuentes de luz como láseres, proyectores de luz digital (DLP) o LED. El proceso expone la resina en una cuba a luz controlada en condiciones de luz segura. La fotopolimerización reticula los monómeros, generalmente a través de enlaces dobles carbono-carbono en acrilatos, cuando se exponen a cromóforos o aditivos fotosensibles. [ 45 ] [ 46 ] La plataforma de construcción se mueve incrementalmente. El exceso de resina líquida drena una vez finalizado el proceso. Los sistemas Objet PolyJet pulverizan el fotopolímero en capas ultrafinas (16–30 μm). La luz UV cura cada capa inmediatamente, lo que permite una manipulación instantánea sin un paso de curado posterior. Los soportes con aspecto de gel se retiran a mano o con chorro de agua.

El método es adecuado para elastómeros y lentes oftálmicas. [ 47 ] [ 48 ]

La polimerización multifotónica utiliza láseres focalizados para curar el gel únicamente en los puntos focales debido a la fotoexcitación no lineal. El exceso de gel se elimina mediante lavado. Esto permite obtener características de menos de 100 nm y estructuras móviles complejas. [ 49 ]

La estereolitografía por proyección de imagen y máscara divide los modelos en planos, convierte los planos en máscaras y los proyecta sobre resina para curar las capas. Algunos sistemas admiten varios materiales.

La producción continua de interfaz líquida (CLIP) utiliza una ventana permeable al oxígeno debajo del baño de resina para crear una "zona muerta" líquida persistente. Esto permite la extracción continua del objeto, reduciendo los tiempos de horas a minutos. [ 50 ] [ 51 ] [ 52 ]

La impresión de interfaz dinámica (DIP) sumerge un cabezal de impresión hueco con una ventana transparente en un prepolímero. La luz visible cura en el menisco aire-líquido . La presión del aire y la modulación acústica controlan la interfaz para lograr precisión y un flujo de material óptimo.

Los polímeros precerámicos permiten la impresión cerámica (por ejemplo, carburo de silicio ) mediante fotopolimerización. [ 45 ] Algunos sistemas solidifican resina sintética con LED. [ 53 ]

Los fundidos de deposición de energía dirigida alimentados con polvo suministraron polvo metálico con un láser, un análogo localizado de la sinterización selectiva por láser. [ 54 ] [ 55 ]

La fotopolimerización en cuba se utiliza ampliamente para la impresión 3D de materiales cerámicos como la alúmina y la zirconia . [ 56 ] [ 57 ] Los polímeros precerámicos también permiten la impresión de cerámica (por ejemplo, carburo de silicio ) mediante fotopolimerización. [ 45 ]

La precisión de la fotopolimerización en cubeta cerámica a menudo se ve comprometida por la dispersión de la luz y el sobrecurado lateral, que pueden obstruir las características internas finas. Investigaciones recientes han establecido marcos cuantitativos para la impresión de "cerámicas vasculares" con canales internos integrados. Al optimizar las relaciones entre la profundidad de curado y la altura de la capa, y aplicar una precompensación geométrica para tener en cuenta el estrechamiento simétrico, se pueden lograr canales completamente cerrados. [ 58 ]

Litografía axial computarizada

La litografía axial computarizada invierte el principio de la tomografía computarizada (TC) para crear impresiones en resina fotocurable. Fue desarrollada mediante una colaboración entre la Universidad de California, Berkeley y el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore . [ 59 ] [ 60 ] [ 61 ] Crea objetos utilizando una serie de imágenes 2D proyectadas sobre un cilindro de resina. [ 59 ] [ 60 ] [ 61 ] Destaca por su capacidad para construir objetos más rápidamente que otros métodos de resina y puede incrustar objetos dentro de las impresiones. [ 59 ]

Fabricación aditiva líquida

La fabricación aditiva líquida (LAM) es una técnica de fabricación aditiva que deposita un líquido o un material altamente viscoso (por ejemplo, caucho de silicona líquida) sobre una superficie de construcción para crear un objeto, que luego se vulcaniza mediante calor para endurecerlo. [ 62 ] [ 63 ] [ 64 ] El proceso fue creado por Adrian Bowyer y ampliado por la empresa alemana RepRap. [ 62 ] [ 65 ] [ 66 ]

El utillaje programable implica la creación de un molde temporal, que luego se llena mediante un proceso de moldeo por inyección convencional y se disuelve inmediatamente. [ 67 ]

Laminación

En algunas impresoras, el papel se puede usar como material de construcción, lo que reduce los costos. Estas impresoras cortan secciones transversales de papel recubierto con adhesivo especial mediante un láser de dióxido de carbono y luego las laminan.

Como alternativa, se pueden cortar hojas de papel de oficina comunes con una cuchilla de carburo de tungsteno , seguida de la deposición selectiva de adhesivo y presión para unir las capas. [ 68 ]

Otras impresoras imprimen objetos laminados utilizando láminas de plástico y metal.

La consolidación ultrasónica (UC) o fabricación aditiva ultrasónica (UAM) es una técnica aditiva de baja temperatura para metales.

Deposición de energía dirigida (DED)

Deposición de energía dirigida alimentada con polvo

Un láser de alta potencia funde el polvo metálico suministrado al foco del haz láser. El haz láser suele atravesar el centro del cabezal de deposición y se enfoca mediante una lente en un punto pequeño. El proceso de fabricación se realiza sobre una mesa XY , cuyo movimiento se guía por una trayectoria de herramienta creada a partir de un modelo digital. El cabezal de deposición se desplaza verticalmente a medida que se completa cada capa.

Algunos sistemas utilizan sistemas de 5 ejes [ 69 ] [ 70 ] o 6 ejes [ 71 ] ( es decir , brazos articulados ) capaces de depositar material sobre el sustrato (una base de impresión o una pieza preexistente) [ 72 ] con pocas o ninguna restricción de acceso espacial. El polvo metálico se deposita y distribuye alrededor del cabezal o puede dividirse mediante un colector interno y depositarse a través de boquillas dispuestas alrededor del cabezal de deposición. A menudo se utiliza una cámara herméticamente sellada llena de gas inerte o un gas inerte de protección local (a veces combinados) para proteger el baño de fusión del oxígeno atmosférico, limitar la oxidación y controlar mejor las propiedades del material.

El proceso de energía dirigida con alimentación de polvo es similar a la sinterización selectiva por láser , pero el polvo metálico se proyecta únicamente donde se va a añadir material a la pieza en ese momento. El láser calienta y crea un baño de fusión sobre el sustrato, en el que se inyecta el nuevo polvo de forma casi simultánea.

El proceso admite materiales como titanio, acero inoxidable, aluminio, tungsteno y otros materiales especiales, así como materiales compuestos y materiales con gradiente funcional. Permite fabricar piezas metálicas nuevas, añadir material a piezas existentes, aplicar recubrimientos, realizar reparaciones y utilizar en aplicaciones de fabricación híbrida. LENS (Laser Engineered Net Shaping) es un ejemplo. [ 73 ] [ 74 ]

Procesos de alambre metálico

Los sistemas de alimentación de alambre basados ​​en láser, como el deposición láser de metal por alambre (LMD-w), alimentan el alambre a través de una boquilla que se funde mediante un láser utilizando un gas inerte como protección, ya sea en un entorno abierto (gas que rodea al láser) o en una cámara sellada. La fabricación de formas libres mediante haz de electrones utiliza una fuente de calor de haz de electrones dentro de una cámara de vacío.

También es posible utilizar la soldadura convencional por arco metálico con gas acoplada a una plataforma 3D para imprimir en 3D metales como acero, bronce y aluminio. [ 75 ] [ 76 ] Se han equipado impresoras 3D de bajo costo y código abierto tipo RepRap con sensores basados ​​en Arduino y han demostrado propiedades metalúrgicas razonables a partir de alambre de soldadura convencional como materia prima. [ 77 ]

Deposición selectiva de polvo

En la deposición selectiva de polvo (SPD), los polvos de construcción y de soporte se depositan selectivamente en un crisol, de manera que el polvo de construcción adquiere la forma del objeto deseado y el polvo de soporte llena el resto del crisol. A continuación, se aplica un material de relleno, de modo que entre en contacto con el polvo de construcción. Posteriormente, el crisol se cuece en un horno a una temperatura comprendida entre el punto de fusión del relleno y los polvos. Cuando el relleno se funde, impregna el polvo de construcción. Sin embargo, no impregna el polvo de soporte, ya que este se selecciona para que no sea humectable por el relleno. Si a la temperatura de cocción, los átomos del material de relleno y del polvo de construcción son mutuamente difusibles, como en el caso del polvo de cobre y el relleno de zinc, el material resultante es una mezcla uniforme de dichos átomos, en este caso, bronce. Pero si los átomos no son mutuamente difusibles, como en el caso del tungsteno y el cobre a 1100 °C, el material resultante es un compuesto. Para evitar la distorsión de la forma, la temperatura de cocción debe ser inferior a la temperatura de solidificación de la aleación resultante. [ 78 ]

Criogénico

La impresión 3D criogénica es un conjunto de técnicas que forman estructuras sólidas mediante la congelación de materiales líquidos a medida que se depositan. A medida que se aplica cada capa líquida, se enfría por la baja temperatura de la capa anterior y el entorno de impresión, lo que la solidifica. Las técnicas criogénicas requieren un entorno de impresión controlado. La temperatura ambiente debe estar por debajo del punto de congelación del material para asegurar que la estructura permanezca sólida durante la fabricación y la humedad debe mantenerse baja para evitar la formación de escarcha entre capas. [ 79 ] Los materiales suelen incluir agua y soluciones a base de agua, como salmuera , lodo e hidrogeles . [ 80 ] [ 81 ] Las técnicas criogénicas incluyen el prototipo de congelación rápida (RFP), [ 80 ] la fabricación por deposición a baja temperatura (LDM), [ 82 ] y la fabricación por extrusión de congelación (FEF). [ 83 ]

Electroquímica

La fabricación aditiva electroquímica (ECAM) es un conjunto de tecnologías con el potencial de fabricar micro/nanoestructuras 3D en diversos materiales. Las tecnologías ECAM incluyen la deposición electroquímica localizada (LED), la electrodeposición confinada por menisco (MCED), la impresión redox electrohidrodinámica (EHD-RP), la electrodeposición FM fluida y la microscopía de conductancia iónica de barrido (SICM). El electrolito de un metal objetivo se coloca dentro de una pipeta capilar de vidrio. Se forma un circuito electrónico-iónico mediante un capilar líquido creado entre la punta de la pipeta y el sustrato conductor. Los iones metálicos se reducen (liberan oxígeno) cuando se aplica un voltaje y se depositan sobre el sustrato. Posicionadores de precisión controlan la pipeta en tres dimensiones, creando los objetos tridimensionales necesarios. La fabricación se realiza a temperatura ambiente y produce menos defectos térmicos. [ 84 ] Permite resoluciones de características en el rango de 30 a 50 micrómetros. ECAM se está considerando como una técnica para fabricar placas de refrigeración de cobre avanzadas para centros de datos que proporcionan reducciones del 98 % en el consumo de energía para refrigeración. [ 85 ]

Impresoras

Industria

En octubre de 2012, los sistemas de fabricación aditiva tenían precios que oscilaban entre los 2000 y los 500 000 dólares y se empleaban en industrias como la aeroespacial, la arquitectura, la automoción, la defensa y la de repuestos médicos. Estos dispositivos se utilizan para la creación de prototipos, la fabricación de plantillas, la fijación de componentes pequeños a medida y la producción de productos completos. [ 86 ]

Las impresoras 3D de gama alta se han vuelto relativamente comunes para la producción y la fabricación aditiva . [ 86 ] Por ejemplo, General Electric utiliza la fabricación aditiva para construir piezas de turbinas . El prototipado rápido ahorra tiempo y reduce la complejidad. Volkswagen utiliza impresoras 3D para imprimir herramientas, plantillas y dispositivos de fijación. En 2018, estimaron que las impresoras 3D ahorraban 250 000 € al año en costes. [ 87 ] Un informe de 2018 estimó que casi el 75 % de las impresoras 3D de escritorio fabricadas se utilizan en la industria. [ 88 ]

Los sistemas militares y de defensa también incorporan el uso de impresoras 3D. La Real Fuerza Aérea de los Países Bajos utiliza impresoras 3D de escritorio para fabricar accesorios y herramientas de alineación. [ 89 ] La base aérea de Hill utiliza piezas impresas en 3D para reemplazar piezas de aviones. [ 90 ]

La educación superior es una importante compradora de impresoras 3D de escritorio y profesionales. [ 91 ] En la educación superior, la impresión 3D se utiliza para fabricar equipos. Por ejemplo, los químicos pueden imprimir en 3D sistemas de reactores de flujo que de otro modo excederían los presupuestos típicos, [ 92 ] como un dispositivo creado en la Facultad de Farmacia de la UCL en el Reino Unido. [ 93 ] Muchas bibliotecas cuentan con impresoras 3D más pequeñas para el acceso educativo y comunitario. [ 94 ]

Consumidor

RepRap versión 2.0 (Mendel)
Todas las piezas de plástico de la máquina de la derecha fueron producidas por la máquina de la izquierda. Adrian Bowyer (izquierda) y Vik Olliver (derecha) son miembros del proyecto RepRap .

Las comunidades de aficionados al bricolaje , creadores , entusiastas y primeros adoptadores , con vínculos con las comunidades académicas y de hackers , impulsaron la adopción a nivel de consumidor.

El proyecto RepRap es uno de los proyectos de escritorio de mayor trayectoria. Su objetivo es producir una impresora 3D de hardware libre y de código abierto (FOSH), bajo la Licencia Pública General GNU, capaz de autorreplicarse imprimiendo muchas de sus propias piezas. Las impresoras RepRap pueden imprimir placas de circuitos y piezas metálicas. En 2016, la impresora 3D más popular era la Prusa i3 , una impresora RepRap. [ 95 ] [ 96 ]

Muchos proyectos relacionados se han inspirado en RepRap, creando un ecosistema de impresoras 3D relacionadas o derivadas, la mayoría de las cuales también son de código abierto. El desarrollo de impresoras 3D de código abierto permite una mayor personalización y el uso de diseños de dominio público para fabricar tecnología apropiada de código abierto .

El coste de las impresoras 3D disminuyó drásticamente a partir de 2010, pasando de costar 20.000 dólares a menos de 1.000. El proyecto de código abierto Fab@Home ha desarrollado impresoras de uso general para cualquier material que pueda ser inyectado a través de una boquilla, desde chocolate hasta sellador de silicona y reactivos químicos.

Además, se han diseñado y fabricado varios RecycleBots , como el Filastruder, que ya se comercializa, para convertir residuos plásticos, como envases de champú y jarras de leche, en filamento RepRap económico.

Impresoras 3D de gran tamaño

Se han desarrollado impresoras 3D de mayor tamaño para usos industriales, educativos y demostrativos. [ 97 ]

La BigRep One.1 con un volumen de 1  m³ .

Otro tipo de impresora de gran tamaño es la fabricación aditiva de área grande (BAAM). El objetivo es desarrollar impresoras que puedan producir objetos grandes a alta velocidad. Otra máquina BAAM desarrollada por Lockheed Martin busca imprimir objetos de hasta 30 metros de largo para su uso en la industria aeroespacial. [ 98 ] 

Impresoras a microescala y nanoescala

Los métodos de fabricación de dispositivos microelectrónicos pueden emplearse para imprimir objetos a nanoescala. Estos objetos impresos suelen cultivarse sobre un sustrato, por ejemplo, una oblea de silicio, al que se adhieren después de la impresión, ya que son demasiado pequeños y frágiles para manipularlos posteriormente.

En una técnica, las nanoestructuras 3D se imprimen moviendo una máscara de plantilla dinámica durante el proceso de deposición, de forma similar al método de extrusión de las impresoras 3D tradicionales.  De esta manera, se han producido nanoestructuras de altura programable con resoluciones de hasta 10 nm, mediante deposición física de vapor metálico utilizando una máscara de plantilla controlada por un actuador piezoeléctrico mecánico con un nanoporo fresado en una membrana de nitruro de silicio . [ 99 ]

Otro método mejora el proceso de fotopolimerización a una escala mucho menor, utilizando láseres finamente enfocados controlados por espejos ajustables. Este método produjo objetos con resoluciones de características de 100  nm en 2013. [ 100 ] Se han impreso cables de cobre de 1 micra de ancho y un milímetro de largo utilizando láseres. [ 101 ]

Véase también

Notas

  1. ↑ FDM (Fused Deposition Modeling) es una marca registrada propiedad de Stratasys . Las máquinas que no son de Stratasys y que utilizan el mismo proceso se conocen comúnmente como máquinas de fabricación por filamento fundido (FFF).

Referencias

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  98. ↑ McKenna, Beth (26 de septiembre de 2014). "La próxima gran novedad en impresión 3D: fabricación aditiva de gran superficie, o BAAM" . The Motley Fool . Consultado el 28 de septiembre de 2014 .
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Lecturas adicionales

  • Beaumont Newhall (mayo de 1958) "Fotoescultura", Image , 7 (5)  : 100–105. Archivado el 4 de octubre de 2013 en Wayback Machine.
  • François Willème, «Fotoescultura», Patente estadounidense n.º 43.822 (9 de agosto de 1864). Disponible en línea en: Patente estadounidense 43.822
  • François Willème (15 de mayo de 1861) "La escultura fotográfica", Le Moniteur de la photographie , p.  34.
  • "Prototipado rápido en Europa y Japón" (PDF) . Informe del panel JTEC/WTEC. Archivado del original (PDF) el 30 de agosto de 2017. Consultado el 28 de diciembre de 2016 .