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¿Qué es la fabricación aditiva?

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¿Es impresión 3D? ¿Es una tecnología o material 3D específico? En el artículo responderemos a la pregunta: ¿Qué es la fabricación aditiva?

La fabricación aditiva es comúnmente conocida como impresión 3D, el proceso de crear un objeto tridimensional a partir de un archivo CAD digital colocando capas de material una encima de la otra sucesivamente. Es por ello por lo que se llama aditivo porque agrega material durante el proceso, no como las tecnologías de fabricación sustractiva (corte, fresado…) que eliminan material de un bloque sólido para crear el objeto.

¿Cómo se inventó la fabricación aditiva?

En la década de los 80, investigadores del Instituto Municipal de Investigación Industrial de Nagoya, Japón como el Dr. Hideo Kodama; un investigador francés, Alain le Méhauté y Jean- Claude André del Centro Nacional Francés de Investigación Científica (CNRS), empezaron a investigar y probar hipótesis sobre la fabricación de objetos a partir de la nada en el llamado prototipado rápido.

Estos investigadores anteriores no consiguieron inventar la fabricación aditiva, fue en 1984 cuando Charles Hull, un ingeniero estadounidense publicó su artículo sobre un sistema de creación rápida de prototipos. En 1986 obtuvo la patente, llamó a la tecnología aparato de estereolitografía (SLA). Unos pocos años más tarde, otro pionero, Scott Crump, inventó el modelado por deposición fundida (FDM) y de repente empezaron a surgir muchas tecnologías de fabricación aditiva.

Una industria que no para de crecer

Al principio, la fabricación aditiva era cara y no todo el mundo podía tener acceso a ella, además era muy básica. A finales de la década de 2000, las impresoras 3D de escritorio empezaron a introducirse en el mercado, dándole más popularidad a esta tecnología tan prometedora. Marcas populares como Makerbot, han desarrollado impresoras 3D FDM industriales y profesionales de alta calidad, como su línea de impresoras 3D Makerbot Method con la que se pueden crear piezas de grado de fabricación de manera accesible y conectada.

Actualmente, la fabricación aditiva es una industria accesible y eficaz para tanto empresas aeroespaciales muy avanzadas como para un ingeniero de una pequeña empresa.

Tipos de tecnologías de fabricación aditiva

Como se comentaba anteriormente, la fabricación aditiva agrega material de forma continuada para construir un objeto capa a capa. Como define la ASTM (Sociedad Americana para Pruebas y Materiales), todas las tecnologías de fabricación aditiva se pueden clasificar en las siete categorías siguientes:

EXTRUSIÓN DE MATERIALES

La extrusión de material también conocida como modela por deposición fundida (FDM). Una impresora 3D FDM funciona en un sistema de coordenadas cartesianas. Un cabezal de impresión (el conjunto de extrusor y boquilla) se mueve en la dirección X e Y y la plataforma de construcción se mueve en la dirección Z.

El filamento se carga en el conjunto del extrusor. El mecanismo de engranaje tira del filamento hacia el conjunto y lo empuja hacia el calentador. En este momento, el filamento se calienta hasta la temperatura recomendada definida por el tipo de material utilizado.

Cuando ya está el material caliente, se desliza hasta la boquilla y esta lo extruye en la plataforma de construcción y va trazando la geometría de la pieza a fabricar capa a capa hasta que se imprime en toda la pieza.

VAT PHOTOPOLYMERIZATION

En esta categoría incluimos las tecnologías como el procesamiento digital de luz (DLP), la síntesis digital de luz (DLS) y el aparato de estereolitografía (SLA). Todas estas tecnologías utilizan un material líquido que es un polímero termoestable.

La resina líquida se pone en una bandeja, sobre la que se va proyectando luz o un láser, estos endurecen el material para convertirlo en sólido capa a capa hasta que se forma el objeto completo. A diferencia de la tecnología FDM, la impresión se realizada al revés, con la superficie de construcción tirando esencialmente de la impresión fuera del baño de resina líquida.

FUSIÓN DEL LECHO DE POLVO

En esta categoría se incluyen las tecnologías como el sinterizado selectivo por láser (SLS), la fusión directa de metales por láser (DMLM), el sinterizado directo de metales por láser (DMLS), la fusión por haz de electrones (EBM) y la fusión selectiva por láser (SLM). Descubre la tecnología SAF

Todas estas tecnologías usan materiales metálicos o poliméricos en forma de polvo. Con un potente láser hacia las partículas de polvo las sinteriza o las funde, formando una fuerte unión con la partícula adyacente. De esta manera, al disparar el láser sobre las partículas que se necesitan para la geometría deseada, se forma la pieza.

MATERIAL JETTING

Esta tecnología tiene un funcionamiento similar al de una impresora de inyección de tinta bidimensional. El material termoplástico fotosensible líquido se rellena en múltiples cabezales de impresión por encima de la plataforma de construcción. Entonces, el material se distribuye sobre la plataforma de construcción en forma de gotas. Después de cada capa, el material se endurece exponiéndolo a la luz ultravioleta, construyendo así la pieza capa a capa. Descubre la impresora 3D industrial de Stratasys que utiliza esta tecnología, Polyjet J850.

BINDER JETTING

Esta tecnología es similar al material jetting, pero en vez de utilizar un solo material, utiliza dos. Un material en polvo se coloca en una bandeja y el material aglutinante se rocía sobre él en un patrón para mantener el polvo unido. Un limpiador aplica otra capa de polvo y el proceso se repite.

LAMINACIÓN DE LÁMINAS

La laminación de láminas es un término que engloba dos técnicas:

Fabricación de objetos laminados (LOM)

El LOM se utiliza para imprimir productos en 3D utilizando hojas de papel que se unen con adhesivo. Este proceso utiliza un método de rayado cruzado para que la pieza terminada sea fácil de retirar. Los objetos impresos en 3D mediante LOM únicamente se utilizan con fines estéticos y no son aptos para un uso estructural.

Fabricación aditiva por ultrasonidos (UAM)

El UAM es similar al LOM pero se diferencian por el material utilizado, en este caso, se utilizan hojas de metal en lugar de hojas de papel y se unen soldando en vez de con el adhesivo de la LOM. Esta tecnología puede imprimir en 3D con metales como el aluminio, el cobre, el acero y el titanio. Como no es necesario calentar los metales, este proceso requiere relativamente menos energía.

DEPOSICIÓN DE ENERGÍA DIRIGIDA

En un proceso de deposición de energía dirigida (DED), una boquilla sostiene el material en forma de hilo, conocido como alimentación, que se mueve a través de múltiples ejes. A continuación, un proyector de haz de electrones funde el material a medida que se desplaza y traza la geometría del objeto. Como la DED utiliza un láser, este proceso también se denomina Laser Engineered Net Shaping, 3D Laser Cladding, Directed Light Fabrication o Direct Metal Deposition. Esta tecnología se utiliza popularmente para los metales.

El ecosistema de la fabricación aditiva

La tecnología de fabricación aditiva requiere todo un ecosistema a su alrededor para funcionar con eficacia. A continuación, se detallan los cuatro componentes del ecosistema.

SOFTWARE DE CAD Y SLICING

El software forma parte integral del ecosistema de impresión 3D. Para completar el proceso de impresión 3D se necesitan varios programas informáticos. Entre ellos se encuentran programas de diseño CAD como Catia, Creo, Fusion 360 y Solidworks para crear el modelo 3D. El software de laminado coge el archivo de diseño y lo prepara para la impresora 3D. Las nuevas opciones basadas en la nube, como MakerBot CloudPrint, añaden funciones como la impresión y la supervisión remotas, la colaboración en equipo y la cola de impresión, así como la elaboración de informes para la gestión.

MATERIAL

Para que la fabricación aditiva tenga sentido en tus aplicaciones, es muy importante la buena elección del material 3D de impresión. Las distintas tecnologías de fabricación aditiva ofrecen diferentes gamas de materiales. Algunas son muy específicas y otras más amplias. Los materiales pueden ser polímeros, metales, compuestos, etc. (Encontrarás más información sobre materiales en este mismo artículo más abajo).

IMPRESORA 3D Y ACCESORIOS DE SOPORTE

En este punto es donde toma forma el proceso de impresión 3D propiamente dicho. Aquí, el diseño y los ajustes asociados se combinan para crear el objeto tridimensional. El archivo final se lamina y se inicia la impresión 3D. Además de la propia impresora 3D, pueden entrar en juego otros accesorios de hardware. En la impresora 3D industrial Makerbot Method, por ejemplo, hay 6 extrusores modulares que se pueden intercambiar rápidamente, cada uno optimizado para un conjunto de materiales específico. Otro accesorio podría ser un accesorio de filtro de partículas como el Clean Air™ System para Makerbot Method.

POSTPROCESADO

Muchas de las piezas que son fabricadas con impresoras 3D necesitan de algún nivel de post procesamiento, por lo que éste también constituye una parte esencial del ecosistema de la impresión 3D. Las técnicas de post procesamiento van desde la eliminación básica del soporte, el lijado y la pintura hasta procesos más complejos como el debinding y la sinterización para las impresiones metálicas FDM, que dan como resultado una pieza metálica sólida. Las distintas tecnologías 3D también tienen requisitos diferentes. Los sistemas basados en polvo requieren la retirada de la impresión de un lecho de polvo, mientras que los sistemas basados en resina requieren el lavado de las resinas dañinas y el post curado.

Materiales utilizados en la fabricación aditiva

POLÍMEROS

Los polímeros fueron los primeros materiales 3D desarrollados para las impresoras 3D. Las impresoras 3D FDM utilizan filamento en bobinas como las fabricadas por MakerBot. MakerBot fabrica y vende polímeros de alta calidad como ABS, Nylon, Fibra de Carbono de Nylon, PC-ABS, ASA, PETG, SR-30, PVA y más. Los materiales de MakerBot para el las impresoras 3D Makerbot Method se fabrican con las especificaciones exactas de diámetro y calidad y, por lo tanto, dan lugar a un resultado satisfactorio en todo momento.

Los polímeros también se utilizan como resinas en las impresoras 3D de tipo fotopolimerización en cuba y como polvos en las impresoras 3D de tipo fusión de lecho de polvo.

COMPOSITES

Los polímeros también pueden mezclarse con otros materiales para obtener atributos adicionales. Las fibras de carbono y las fibras de vidrio son dos ejemplos populares de esto, así como los materiales de descarga electrostática (ESD). Actualmente, estos materiales son los más comunes en el espacio FDM.

METALES

Algunos de los metales más populares ya pueden crearse con impresoras 3D. Sin embargo, constantemente se califican nuevos materiales para su uso en la fabricación aditiva. Algunos de los metales más populares para la impresión 3D son el acero inoxidable, el titanio, el níquel, el cromo, el cobre, etc. Los metales se utilizan en las tecnologías de impresión 3D DMLS, SLM, DMLM, laminación de láminas, DED y, ahora, con el filamento metálico ligado disponible, FDM.

CERÁMICAS

La cerámica es un material popular que se asocia generalmente con la alfarería o los artículos de cocina. Pero también se utiliza mucho en la industria por su altísima tolerancia al calor. Es por ello por lo que las empresas han desarrollado materiales cerámicos para la impresión 3D en las tecnologías FDM, SLA y Binder Jetting.

Algunos materiales cerámicos comunes son el carburo de boro, el nitruro de aluminio, el titanato de bario de circonio, el titanato de circonato de plomo (PZT), el vidrio, el carburo de tungsteno, el carburo de circonio y el nitruro de silicio.

HORMIGÓN

El hormigón es uno de los materiales más nuevos que se han introducido en la impresión 3D para atender a la aplicación de la construcción. El uso de este material es bastante limitado ahora mismo, pero muestra un enorme potencial en un futuro próximo.

BIOTINTA / BIOMATERIALES

La biotinta es un material utilizado para producir tejidos artificiales con la ayuda de la tecnología de impresión 3D. Las biotintas se consideran incluso el precursor de la edad de oro de la sanidad en los próximos años. Una biotinta es cualquier polímero natural o sintético seleccionado por sus componentes biocompatibles y sus propiedades reológicas favorables. Estas características sirven de soporte temporal o permanente a las células vivas para facilitar su adhesión, proliferación y diferenciación durante la maduración.

La fabricación aditiva en las industrias

La fabricación aditiva se utiliza para crear una amplia gama de productos en muchas industrias, que cada vez son más, entre ellas:

AEROESPACIAL

La fabricación aditiva es la tecnología ideal para la industria aeroespacial debido a su capacidad para optimizar el diseño de las piezas. Esto ayuda a reducir el peso total del sistema, lo que es muy importante en la industria aeroespacial.

AUTOMOCIÓN

La industria de la automoción también se beneficia enormemente de las capacidades de la fabricación aditiva, como la reducción de peso, la optimización de la topología para reducir el peso del sistema en los deportes de motor y el diseño generativo para innovar nuevas piezas y la consolidación de piezas para construir conjuntos directos.

EDUCACIÓN

La impresión 3D en educación es cada vez más popular y se puede utilizar en todos los cursos. Con el crecimiento de la educación STEM, las impresoras 3D se usan en las escuelas para desarrollar rápidamente modelos de aprendizaje para conceptos. También ofrece a los estudiantes de los institutos técnicos una experiencia de primera mano de la tecnología de fabricación aditiva que se suele utilizar en el mundo real.

MÉDICO/DENTAL

El sector médico es uno de los primeros de los que más pronto adoptaron la impresión 3D. Desde los primeros días de la fabricación aditiva, los médicos han utilizado la tecnología para imprimir en 3D modelos prequirúrgicos, implantes de titanio, prótesis y múltiples productos dentales como alineadores, coronas y puentes, etc. Los investigadores también están utilizando las impresoras 3D para imprimir órganos. Aunque todavía está en fase de I+D, será una realidad en las próximas décadas.

CONSTRUCCIÓN

La impresión 3D en la construcción es una tendencia que crece rápidamente en todo el mundo. Las grandes empresas de construcción están experimentando con edificios impresos en 3D.

MODA/ROPA

Las impresoras 3D también se utiliza para imprimir ropa y calzado, como las deportivas. La joyería impresa en 3D también ha ganado popularidad en los últimos años.

Ventajas de la fabricación aditiva

La fabricación aditiva presenta ciertas ventajas sin precedentes para la industria manufacturera. En sus inicios se utilizaba principalmente para la creación de prototipos, pero ahora también se usa para la producción de piezas finales cuando se requieren las geometrías más complejas. Con la fabricación aditiva se alcanzan niveles de personalización nunca imaginados, lo que da lugar a productos a medida. Esto tiene un impacto directo en la eficiencia de la pieza y del conjunto del sistema.

Además, las impresoras 3D son una tecnología que genera menos residuos, lo que ahorra costes de material y de logística, almacenamiento y depósito.

Debido a su capacidad de fabricación a demanda, la impresión 3D también es adecuada para la gestión de piezas de repuesto, lo que disminuye la dependencia de invertir en enormes instalaciones de almacenamiento. Cualquier pieza de recambio que se necesite puede fabricarse bajo demanda.

Por último, la impresión 3D tiene la capacidad de incorporar datos y tecnologías de la nueva era como la inteligencia artificial y el aprendizaje automático en la fabricación, digitalizando la capacidad de fabricación. Esto ayuda a mejorar la eficiencia de la fabricación, identificando los fallos y construyendo sistemas de autocorrección.

 

La fabricación aditiva ha avanzado mucho en los últimos 30 años. En la actualidad, existe una amplia gama de tecnologías que se engloban bajo el término de fabricación aditiva. En nuestra sociedad de desarrollo constante, cada una de estas tecnologías tiene su lugar. A medida que las tecnologías de fabricación aditiva se vuelvan más asequibles, versátiles y eficientes, las industrias seguirán incorporando estas útiles herramientas a sus equipos, ya sea en el laboratorio de diseño o en la planta de fabricación, o quizás algún día incluso en la superficie de otro planeta.

 

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