Impresión 3D con lecho de polvo y cabezal de inyección de tinta

La impresión 3D por inyección de aglutinante , conocida también como impresión de lecho de polvo, inyección de tinta o polvo de gota a gota , es una tecnología de prototipado rápido y fabricación aditiva para crear objetos descritos mediante datos digitales, como un archivo CAD. La inyección de aglutinante es una de las siete categorías de procesos de fabricación aditiva según ASTM e ISO . ^{[ 1 ]}

Esta tecnología se desarrolló por primera vez en el Instituto Tecnológico de Massachusetts y se patentó en 1993. En 1996, la empresa ExOne obtuvo una patente exclusiva de uso para la tecnología, ^{[ 2 ]} mientras que Z Corporation , que posteriormente fue adquirida por 3D Systems, ^{[ 3 ]} obtuvo una patente no exclusiva para el uso de la tecnología con fines de fundición de metales. ^{[ 4 ]} El término "Impresión Tridimensional" fue registrado como marca comercial por el grupo de investigación del MIT, junto con la abreviatura 3DP. ^{[ 5 ] [ 6 ]} Como resultado, el término "impresión 3D" originalmente se refería exclusivamente al proceso de impresión por inyección de aglutinante antes de obtener una aceptación más amplia como un término que se refiere a todos los procesos de fabricación aditiva.

Como en muchos otros procesos de fabricación aditiva , la pieza a imprimir se construye a partir de numerosas secciones transversales delgadas del modelo 3D. Un cabezal de impresión de inyección de tinta se desplaza sobre una capa de polvo, depositando selectivamente un material aglutinante líquido . Se extiende una fina capa de polvo sobre la sección completada y el proceso se repite, adhiriéndose cada capa a la anterior.

Cuando el modelo está completo, el polvo no ligado se elimina de forma automática y/o manual en un proceso llamado "despulpado" y puede reutilizarse hasta cierto punto. ^{[ 7 ]}

La parte despulpadora podría someterse opcionalmente a diversos infiltrantes u otros tratamientos para obtener las propiedades deseadas en la pieza final.

En las implementaciones originales, el almidón y el yeso rellenan el lecho de polvo, y el aglutinante líquido es principalmente agua para activar el yeso. El aglutinante también incluye tintes (para impresión a color) y aditivos para ajustar la viscosidad , la tensión superficial y el punto de ebullición según las especificaciones del cabezal de impresión. Las piezas de yeso resultantes suelen carecer de resistencia inicial y requieren infiltración con cera fundida , pegamento de cianoacrilato , epoxi , etc., antes de su manipulación habitual.

Aunque no necesariamente emplean tecnología de inyección de tinta convencional , se pueden utilizar diversas combinaciones de polvo y aglutinante para formar objetos por medios químicos o mecánicos. Las piezas resultantes pueden someterse a diferentes procesos posteriores, como infiltración o horneado . Esto puede hacerse, por ejemplo, para eliminar el aglutinante mecánico (por ejemplo, mediante combustión) y consolidar el material base (por ejemplo, mediante fusión), o para formar un material compuesto que combine las propiedades del polvo y el aglutinante. Dependiendo del material, la impresión a todo color puede ser o no una opción. En 2014, inventores y fabricantes desarrollaron sistemas para formar objetos a partir de arena y carbonato de calcio (para formar una canica sintética ), polvo acrílico y cianoacrilato , polvo cerámico y un aglutinante líquido, azúcar y agua (para hacer caramelos), etc. Uno de los primeros productos disponibles comercialmente que incorporó el uso de grafeno fue un compuesto en polvo utilizado en la impresión 3D con cabezal de inyección de tinta de lecho de polvo. ^{[ 8 ]}

La tecnología de impresión 3D tiene un potencial limitado para variar las propiedades de los materiales en una sola impresión, pero generalmente se ve limitada por el uso de un material base común. En los sistemas originales de Z Corporation , las secciones transversales se imprimen normalmente con contornos sólidos (formando una carcasa sólida) y un patrón interior de menor densidad para acelerar la impresión y garantizar la estabilidad dimensional durante el curado de la pieza.

Además del color volumétrico mediante el uso de múltiples cabezales de impresión y aglutinante de color, el proceso de impresión 3D es generalmente más rápido que otras tecnologías de fabricación aditiva, como la inyección de material por modelado por deposición fundida, que requieren que el 100 % del material de construcción y soporte se deposite con la resolución deseada. En la impresión 3D, la mayor parte de cada capa impresa, independientemente de su complejidad, se deposita mediante el mismo proceso de propagación rápida. ^{[ 9 ]}

Al igual que con otras tecnologías de lecho de polvo, generalmente no se requieren estructuras de soporte, ya que el polvo suelto soporta elementos sobresalientes y objetos apilados o suspendidos. La eliminación de estructuras de soporte impresas puede reducir el tiempo de construcción y el consumo de material, además de simplificar tanto el equipo como el posprocesamiento. Sin embargo, la eliminación del polvo puede ser una tarea delicada, engorrosa y que requiere mucho tiempo. Por lo tanto, algunas máquinas automatizan la eliminación del polvo y su reciclaje en la medida de lo posible. Dado que todo el volumen de construcción se llena de polvo, como en la estereolitografía , es necesario contemplar en el diseño un sistema para evacuar una pieza hueca.

Al igual que otros procesos de lecho de polvo, el acabado superficial , la precisión, la densidad del objeto y, dependiendo del material y el proceso, la resistencia de la pieza pueden ser inferiores a las de tecnologías como la estereolitografía (SLA) o la sinterización selectiva por láser (SLS). Si bien la asimetría y el efecto de "escalonamiento" son características de la impresión 3D, al igual que la mayoría de los demás procesos de fabricación por capas, los materiales de impresión 3D generalmente se consolidan de manera que se minimiza la diferencia entre la resolución vertical y la del plano. El proceso también permite la rasterización de capas a resoluciones específicas, un proceso rápido que puede acomodar sólidos que se intersecan y otros artefactos de datos.

Las impresoras 3D de lecho de polvo y de inyección de tinta suelen tener precios que oscilan entre los 50.000 y los 2.000.000 de dólares . Sin embargo, existe un kit para aficionados que se vende desde 800 dólares para convertir una impresora FDM de consumo en una impresora de polvo/inyección de tinta.

Las piezas impresas mediante el proceso de inyección de aglutinante son inherentemente porosas y tienen una superficie sin acabado, ya que, a diferencia de la fusión de lecho de polvo, los polvos no se funden físicamente, sino que se unen mediante un agente aglutinante. Si bien el uso de un agente aglutinante permite pulverizar materiales con alta temperatura de fusión (por ejemplo, cerámica) y materiales termosensibles (por ejemplo, polímeros) para su uso en la fabricación aditiva, las piezas de inyección de aglutinante requieren un posprocesamiento adicional que puede llevar más tiempo que el de la impresión de la pieza, como el curado, la sinterización y el acabado adicional. ^{[ 10 ]}

La impresión por inyección de aglutinante es particularmente propensa al fenómeno de agotamiento del lecho de polvo, que ocurre cuando el aglutinante se deposita sobre la superficie del lecho. Este problema es especialmente frecuente en la impresión por inyección de aglutinante, ya que, a diferencia de los procesos de fabricación aditiva tradicionales (que utilizan altas temperaturas para fundir y fusionar los polvos), el chorro de aglutinante que se deposita sobre el lecho puede provocar la expulsión de grandes aglomerados de polvo semiadherido de la superficie, dejando zonas de agotamiento subsuperficiales (para polvo SS316 de 30 μm, se observó una profundidad de zona de agotamiento de 56 ± 12 μm). El crecimiento de estas zonas de agotamiento a medida que se depositan capas posteriores de polvo puede tener importantes repercusiones en la calidad de las piezas impresas con esta técnica. Los aglomerados expulsados ​​se depositan en otras regiones del lecho, lo que provoca que la superficie del lecho sea menos uniforme, que las dimensiones de la pieza final sean deformadas e imprecisas, y que se formen grandes poros subsuperficiales. También pueden presentarse defectos y tensiones residuales en toda la pieza, lo que reduce la resistencia de la parte ya más débil (debido a la porosidad inherente de la pieza inyectada con aglutinante). ^{[ 11 ]}

Estos factores limitan el uso de la inyección de aglutinante para aplicaciones de alto rendimiento, como la aeroespacial, ya que las piezas impresas mediante inyección de aglutinante suelen ser más débiles que las impresas con procesos de fusión de lecho de polvo. Sin embargo, la inyección de aglutinante es ideal para la creación rápida de prototipos y la producción de piezas metálicas de bajo coste. ^{[ 12 ]}

• Impresión 3D , proceso aditivo utilizado para fabricar un objeto 3D.
• Mercado de impresión 3D , sitio web para archivos digitales imprimibles en 3D
• Lista de modelos de prueba 3D comunes
• Fusión multichorro , impresión 3D mediante la fusión de polvo en capas.
• La impresión volumétrica es una tecnología de imagen digital tridimensional que utiliza material suspendido en un volumen para formar una escena volumétrica en el espacio físico. En particular, la impresión 3D volumétrica es un tipo de impresión 3D que construye el objeto completo de una sola vez, en lugar de capa por capa.