Cómo funciona la impresión 3D

No hace mucho tiempo, la idea de la impresión 3-D (crear objetos tridimensionales utilizando máquinas que agregan capas de material una encima de la otra) parecía novedosa. Si dice que va a imprimir algo desde su computadora, la mayoría de la gente todavía piensa en la impresión bidimensional, poniendo tóner o tinta en una hoja de papel. Ahora bien, aunque es posible que muchas personas no hayan experimentado la impresión en 3D, es posible que sepan muy bien de lo que estás hablando. Y las impresoras 3-D se han vuelto lo suficientemente asequibles como para comenzar a aparecer en hogares, espacios de fabricación y aulas.

La impresión 3D utiliza una familia de tecnología de fabricación denominada fabricación aditiva (AM). AM es el medio de crear un objeto agregando material al objeto capa por capa. AM es la terminología actual establecida por ASTM International (anteriormente Sociedad Estadounidense de Pruebas y Materiales) [fuente: Gibson, et, al. ]. A lo largo de su historia, la fabricación aditiva, en general, ha ido por varios nombres: estereolitografía , 3-D de estratificación y de impresión 3-D . Este artículo utiliza el término impresión 3D porque es más conocido.

Puede ver algunos de los principios básicos detrás de la MA en las cuevas; Durante miles de años, el agua que gotea crea capas y capas de depósitos minerales, que se acumulan para formar estalagmitas y estalactitas . Sin embargo, a diferencia de estas formaciones naturales, la impresión 3-D es mucho más rápida y sigue un plan predeterminado proporcionado por el software de computadora. La computadora indica a la impresora 3D que agregue cada nueva capa como una sección transversal precisa del objeto final.

Específicamente, la fabricación aditiva y la impresión 3-D continúan creciendo. La tecnología que comenzó como una forma de construir prototipos rápidos ahora es un medio para crear productos para las industrias médica, dental, aeroespacial y automotriz. La impresión 3D también se está trasladando a la fabricación de juguetes y muebles, al arte y a la moda.

Este artículo analiza el amplio alcance de la impresión 3D, desde su historia y tecnologías hasta su amplia gama de usos, incluida la impresión de sus propios modelos 3D en casa. Primero, echemos un vistazo a cómo se inició la impresión 3D y cómo se está desarrollando en la actualidad.

1. Historia de la impresión 3D
2. Impresión 3D directa y en carpeta
3. Fotopolimerización y sinterización
4. El proceso de impresión 3D
5. La revolución de la impresión 3D
6. Desventajas de la impresión 3D
7. Impresión 3D en casa

El primer uso de la fabricación aditiva fue en la creación rápida de prototipos (RP) a fines de la década de 1980 y principios de la de 1990. Los prototipos permiten a los fabricantes examinar el diseño de un objeto más de cerca e incluso probarlo antes de producir un producto terminado. RP permite a los fabricantes producir esos prototipos mucho más rápido que antes, a menudo a los pocos días oa veces horas de concebir el diseño. En RP, los diseñadores crean modelos utilizando software de diseño asistido por computadora (CAD), y luego las máquinas siguen ese modelo de software para determinar cómo construir el objeto. El proceso de construir ese objeto "imprimiendo" sus secciones transversales capa por capa se conoció como impresión 3D.

El primer desarrollo de las tecnologías de impresión 3-D ocurrió en el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) y en una empresa llamada 3D Systems. A principios de la década de 1990, el MIT desarrolló un procedimiento que registró con el nombre de Impresión 3D, que oficialmente abrevió como 3DP. A septiembre de 2019, el MIT ha otorgado licencias a seis empresas para utilizar y promover el proceso 3DP en sus productos [fuente: MIT ].

3D Systems, con sede en Rock Hill, Carolina del Sur, ha sido pionera y ha utilizado una variedad de enfoques de impresión 3-D desde su fundación en 1986. Incluso ha registrado algunas de sus tecnologías, como el aparato de estereolitografía (SLA) y la sinterización selectiva por láser. (SLS), cada uno de los cuales se describe más adelante en este artículo. Si bien MIT y 3D Systems siguen siendo líderes en el campo de la impresión 3-D, otras empresas también han traído nuevos productos innovadores al mercado profesional, basándose en estas tecnologías AM.

Hoy en día, parte de la misma tecnología de impresión 3D que contribuyó a la RP se utiliza ahora para crear productos terminados. La tecnología continúa mejorando de varias maneras, desde la precisión de los detalles que una máquina puede imprimir hasta la cantidad de tiempo necesario para limpiar y terminar el objeto cuando se completa la impresión. Los procesos son cada vez más rápidos, los materiales y los equipos son más baratos y se pueden utilizar más materiales, incluidos metales y cerámica. Las máquinas de impresión ahora varían desde el tamaño de un automóvil pequeño hasta el tamaño de un horno de microondas.

La fabricación aditiva a menudo se compara, o incluso se confunde, con otro proceso de fabricación común llamado mecanizado de control numérico por computadora (CNC). Sin embargo, CNC es sustractivo, que es lo opuesto a AM. En el mecanizado CNC, el material se retira de algún bloque preexistente hasta que queda el producto terminado, de forma muy similar a la talla de una estatua en piedra.

Ahora que tiene información básica sobre el campo, exploremos algunas tecnologías de impresión 3-D.

Un enfoque de la impresión 3D es la impresión 3D directa . La impresión directa en 3D utiliza tecnología de inyección de tinta , que ha estado disponible para la impresión en 2D desde la década de 1960 [fuente: Gibson, et al. ]. Como en una impresora de inyección de tinta 2-D, las boquillas en una impresora 3-D se mueven hacia adelante y hacia atrás para dispensar un fluido. Sin embargo, a diferencia de la impresión 2-D, las boquillas o la superficie de impresión se mueven hacia arriba y hacia abajo para que varias capas de material puedan cubrir la misma superficie. Además, estas impresoras no usan tinta; dispensan ceras espesas y polímeros plásticos, que se solidifican para formar cada nueva sección transversal del robusto objeto tridimensional.

La creación rápida de prototipos (RP), que describimos anteriormente en este artículo, ha sido un factor importante en el crecimiento de la impresión 3D directa. En 1994, ModelMaker, una máquina producida por una empresa conocida como Solidscape, se convirtió en la primera tecnología comercialmente exitosa en aplicar el enfoque de inyección de tinta a RP [fuente: Gibson, et al. ]. Le siguieron otros productos comerciales de RP. Por ejemplo, los productos de creación rápida de prototipos avanzados de hoy en día utilizan tecnologías como el modelado de chorros múltiples (MJM), que crea prototipos de cera rápidamente con docenas de boquillas que funcionan simultáneamente [fuente: GWP ].

La impresión tridimensional de carpetas , como la impresión tridimensional directa, utiliza boquillas de inyección de tinta para aplicar un líquido y formar cada nueva capa. Sin embargo, a diferencia de la impresión directa, la impresión de carpetas utiliza dos materiales separados que se unen para formar cada capa impresa: un polvo seco fino más un pegamento líquido o aglutinante . Las impresoras Binder 3-D realizan dos pasadas para formar cada capa. La primera pasada extiende una fina capa de polvo y la segunda utiliza las boquillas para aplicar el aglutinante. Luego, la plataforma de construcción desciende ligeramente para acomodar una nueva capa de polvo, y todo el proceso se repite hasta que el modelo está terminado.

El proceso 3DP del MIT, mencionado anteriormente, utiliza este enfoque de aglutinante. El MIT otorga licencias a las empresas para que desarrollen productos que utilicen 3DP, pero para calificar, la empresa debe utilizar una combinación única de materiales en polvo y aglutinantes.

La impresión en 3-D con encuadernación tiene algunas ventajas sobre la impresión en 3D directa. Primero, tiende a ser más rápida que la impresión directa porque se aplica menos material a través de las boquillas. Otra ventaja es que puede incorporar una variedad más amplia de colores y materiales en el proceso, incluidos metales y cerámicas.

Modelado de deposición fundida (FDM)

El modelado por deposición fundida (FDM) es un enfoque de fabricación aditiva que es similar, aunque no idéntico, a la impresión 3D directa. El proceso FDM, con marca registrada de Stratasys, Inc., incluye la inyección de plástico fundido en líneas muy compactas utilizando boquillas muy pequeñas. FDM puede crear objetos con características tan pequeñas como una fracción de milímetro. [fuente: Grimm ]

La fotopolimerización es una tecnología de impresión 3-D mediante la cual se exponen gotas de un plástico líquido a un rayo láser de luz ultravioleta. Durante esta exposición, la luz convierte el líquido en sólido. El término proviene de la foto de las raíces, que significa luz y polímero, que describe la composición química del plástico sólido .

En la década de 2000, el Piedmont Triad Center for Advanced Manufacturing (PTCAM) era una asociación de escuelas y empresas que brindaban capacitación práctica en habilidades para trabajar metales en Carolina del Norte. Parte del entrenamiento de PT CAM incorporó un aparato de estereolitografía (SLA) de 3D Systems. SLA utiliza fotopolimerización, dirigiendo un láser a través de una tina de plástico líquido llamado fotopolímero . Al igual que con la impresión 3D de inyección de tinta , el SLA repite este proceso capa por capa hasta que finaliza la impresión.

La sinterización es otra tecnología de fabricación aditiva que implica fundir y fusionar partículas para imprimir cada sección transversal sucesiva de un objeto. La sinterización selectiva por láser (SLS) es una forma de sinterización utilizada en la impresión 3D. SLS se basa en un láser para derretir un polvo de plástico retardante de llama, que luego se solidifica para formar la capa impresa. Esto es similar al mecanismo detrás de las impresoras 2-D: derriten el tóner para que se adhiera al papel y cree la imagen.

La sinterización es naturalmente compatible con la construcción de objetos metálicos porque la fabricación de metales a menudo requiere algún tipo de fusión y remodelación. Un ejemplo del uso de metal como material de sinterización es de 3D Systems [fuente: 3D Systems ]. Los objetos creados con LaserForm A6 tienen varias ventajas sobre los productos metálicos fabricados por otros medios, como la fundición a presión. Una de las mayores ventajas es el alto nivel de precisión que puede lograr SLS.

Hasta ahora, hemos analizado cómo se ha desarrollado la impresión 3D y cuatro tecnologías de impresión 3D ampliamente adoptadas. A continuación, examinemos el proceso general de impresión de objetos tridimensionales, que se aplica independientemente del enfoque que esté utilizando.

Independientemente del enfoque que utilice una impresora 3D, el proceso de impresión general es generalmente el mismo. En su libro " Additive Manufacturing Technologies: Rapid Prototyping to Direct Digital Manufacturing ", Ian Gibson, David W. Rosen y Brent Stucker enumeran los siguientes ocho pasos en el proceso genérico de AM:

La creciente disponibilidad y asequibilidad de las soluciones de impresión 3D ha hecho que la tecnología sea atractiva para las personas de muchas industrias. Por ejemplo, la industria automotriz ha utilizado la tecnología de impresión 3-D durante muchos años para la creación rápida de prototipos de nuevos diseños de autopartes. La imagen de arriba muestra un prototipo múltiple creado por el Piedmont Triad Center for Advanced Manufacturing (PTCAM).

La profesión médica adoptó con entusiasmo la impresión 3D para varios usos, como la impresión de prótesis. Las prótesis tradicionales fabricadas por profesionales pueden ser caras, pero una impresora 3D podría fabricar una mano protésica por tan solo 50 dólares [fuente: Amputee Coalition ]. De manera similar, Walter Reed Army Medical Center ha utilizado la impresión 3D para producir modelos que los cirujanos pueden usar como guía para la cirugía reconstructiva facial [fuente: King ]. Varios fabricantes de impresoras 3D profesionales venden máquinas diseñadas específicamente para trabajos dentales.

Los ingenieros de la industria aeroespacial incorporan la impresión 3D para ayudar a probar y mejorar sus diseños, así como para mostrar lo bien que funcionan [fuente: Gordon ]. La empresa de investigación EADS tiene una ambición aún más audaz para la impresión 3D: fabricar las piezas de los aviones ellos mismos, incluido un ala completa para un avión grande . Los investigadores de EADS ven esto como una tecnología ecológica, y creen que las alas impresas en 3D reducirán el peso de un avión y, por lo tanto, reducirán su uso de combustible. Esto podría reducir las emisiones de dióxido de carbono y la aerolínea alrededor de $ 3,000 en el transcurso de un año. [fuente: The Economist ]

La impresión 3D también tiene algunas aplicaciones estéticas interesantes. Los diseñadores y artistas lo están utilizando de manera creativa para producir arte, moda y muebles. El artista gráfico Torolf Sauermann ha creado coloridas esculturas geométricas utilizando impresión 3D [fuente: Jotero GbR ]. Freedom of Creation (FOC), una empresa de los Países Bajos, vendía productos impresos en 3D hechos de poliamida sinterizada con láser, incluida la iluminación con intrincados diseños geométricos y diseños de ropa que consisten en anillos de plástico entrelazados que se asemejan a una cota de malla. FOC también tiene varios clientes corporativos que utilizan sus servicios de diseño e impresión, incluidos Philips, Nokia, Nike, Asics y Hyundai [fuente: FOC ].

Una aplicación más sabrosa de la tecnología de impresión 3D proviene de la industria del chocolate, que ha desarrollado máquinas que pueden crear artículos de confitería únicos. Aunque no son adecuadas para la producción en masa, las impresoras 3-D pueden hacer objetos diseñados por computadora como prototipos, o simplemente como obsequios únicos y personalizados [fuente: Ooi ]. ¿Buscas algo un poco más sabroso? Puede utilizar impresoras 3-D para crear muchos tipos de alimentos (tiene que ser algo que pueda hacer puré para introducirlo en la máquina), pero puede hacer hamburguesas con impresión 3-D. Una cosa a tener en cuenta: la comida impresa tiene una textura diferente a la comida tradicional [fuente: Houser ].

Históricamente, la impresión 3D ha sido una tecnología cara. El SLA de PTCAM, descrito anteriormente en el artículo, cuesta más de $ 250,000; el plástico líquido cuesta alrededor de $ 800 por galón. Las organizaciones que poseen este tipo de equipo pueden vender servicios de estereolitografía a otros o permitir que las empresas compren bloques de tiempo para usar el equipo.

Hoy en día, muchas máquinas industriales AM grandes siguen siendo caras, aunque menos que antes. Por ejemplo, en septiembre de 2019, el ProJet CPX 3000MJP 3600 de 3D Systems se vendía por menos de $ 100,000 y podía producir modelos en alta definición de hasta 11.75 pulgadas por 7.3 pulgadas por 8 pulgadas (298 milímetros por 185 milímetros por 203 milímetros) [fuentes: BasTech ].

Además del precio, existen otros inconvenientes con las impresoras 3D. Consumen mucha energía, unas 100 veces más energía eléctrica que la fabricación normal. Los investigadores también encontraron que pueden emitir muchas partículas cancerígenas y compuestos orgánicos volátiles, particularmente cuando se usan en un espacio pequeño, como una casa. El plástico utilizado para la mayoría de los proyectos 3D también tiene sus propios problemas. Los restos de plástico de los proyectos 3-D probablemente terminarán en vertederos y contribuirán a la crisis de la Tierra con plástico desechable. La resistencia adicional del plástico varía y puede que no sea la mejor para todos los componentes de un proyecto. Las impresoras 3-D también son lentas y un proyecto puede tardar varios días u horas en imprimirse [fuente: 3-D Insider ].

Es probable que muchos de estos problemas se solucionen con el tiempo, a medida que la tecnología mejore. Pero pueden persistir otros problemas. Por ejemplo, la gente ya ha fabricado armas con impresoras 3-D , incluido un hombre al que antes se le negó un permiso de armas . ¿Se pueden tomar medidas para evitar que las personas utilicen impresoras 3D para fabricar pistolas, cuchillos y otras armas? También existe preocupación por las violaciones de derechos de autor . La gente podría hacerse con planos e imprimir un objeto en lugar de comprarlo al titular de la patente o de los derechos de autor. Puede resultar difícil para el titular de una patente localizar a la persona (o cientos de personas) que imprime algo patentado y alega infracciones de derechos de autor.

Aunque todavía no es algo común, las impresoras 3D están apareciendo en más hogares, bibliotecas , escuelas y espacios de fabricación.

Los precios de estas máquinas también han disminuido a medida que madura la tecnología. Por ejemplo, a partir de 2019, una MakerBot Replicator Mini + comienza en $ 1,299 [fuente: MakerBot ]. La compañía vende bobinas pequeñas de su material PLA en 12 colores estándar a partir de $ 18 y colores de edición limitada (¿alguien que brilla en la oscuridad?) Por un cargo adicional.

Si no quiere gastar dinero en una máquina para uso doméstico, siempre puede construir una usted mismo. Por ejemplo, el físico y bloguero Windell Oskay construyó su propia impresora 3D en 2007 que fabrica objetos a partir de azúcar utilizando un método de sinterización. El proyecto, llamado CandyFab, tiene un sitio web dedicado en CandyFab.org . Aunque el proyecto se cerró, aún puede leer sobre él y cómo lo hizo funcionar.

Para un enfoque más profesional, puede adquirir servicios de impresión 3D. Estos servicios le permiten enviar sus propios archivos CAD y obtener una producción de alta calidad de su objeto u objetos creados por una impresora 3D industrial. Las empresas en línea que ofrecen servicios de impresión 3-D incluyen Shapeways y Ponoko. Estos sitios también le brindan la opción de configurar una tienda en línea, lo que le permite ganar dinero cuando otros compran impresiones en 3D de su diseño. [fuente: Shapeways , Ponoko ]

La impresión 3D continúa mejorando a medida que baja su costo. Quizás en el futuro estas máquinas serán herramientas comunes que se usarán para solucionar problemas cotidianos, como imprimir proyectos escolares o imprimir una nueva llave de la casa en lugar de conducir a la ferretería para reemplazarla.

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