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En la producción de un objeto tridimensional mediante fabricación aditiva se utiliza una variedad de procesos , equipos y materiales . La impresión 3D también se conoce como fabricación aditiva, porque los numerosos procesos de impresión 3D disponibles tienden a ser de naturaleza aditiva, con algunas diferencias clave en las tecnologías y los materiales utilizados en este proceso.
Algunos de los diferentes tipos de transformaciones físicas que se utilizan en la impresión 3D incluyen la extrusión por fusión, la polimerización ligera, la producción continua de interfaces líquidas y la sinterización.
Existen muchos procesos de impresión 3D diferentes, que se pueden agrupar en siete categorías: [1]
Cada proceso y equipo tiene ventajas y desventajas asociadas. Estos generalmente involucran aspectos como velocidad, costos, versatilidad con respecto al material de materia prima , limitaciones y tolerancias geométricas , así como propiedades mecánicas y de apariencia de los productos como resistencia, textura y color.
La variedad de procesos y equipos permite numerosos usos tanto por parte de aficionados como de profesionales. Algunas se prestan mejor al uso industrial (en este caso se prefiere el término Fabricación Aditiva), mientras que otras 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 fabricar objetos de tamaño micro y nanoescala y, en general, se pueden explotar muchas tecnologías diferentes para producir físicamente los objetos diseñados. [2]
Desde finales de los años 1970 se han inventado varios procesos de impresión 3D. [3] Las imprentas eran originalmente grandes, costosas y muy limitadas en lo que podían producir. [4]
Actualmente se encuentran disponibles una gran cantidad de procesos aditivos. Las principales diferencias entre procesos están en la forma en que se depositan las capas para crear 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 directa por láser de metales (DMLS), sinterización selectiva por láser (SLS), modelado por deposición fundida (FDM), [5] [6] [7] o fabricación de filamentos fundidos (FFF), mientras que otros curan líquidos materiales utilizando diferentes tecnologías sofisticadas, como la estereolitografía (SLA). Con la fabricación de objetos laminados (LOM), se cortan capas delgadas para darles 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 del material termofusible imprime en realidad 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. Los modelos 3D complejos se imprimen con muchas gotas superpuestas fusionadas en capas según lo definido por el archivo CAD cortado. La tecnología de inyección de tinta permite que los modelos 3D sean estructuras sólidas o de celdas abiertas según lo definido por 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 variedad de polvos y polímeros para el material utilizado para construir el objeto. [8] Otros a veces utilizan papel comercial estándar disponible en el mercado como material de construcción para producir un prototipo duradero. Las principales consideraciones a la hora de elegir una máquina son generalmente la velocidad, los costes de la impresora 3D, del prototipo impreso, la elección y el coste de los materiales y las capacidades de color. [9]
Las impresoras que trabajan directamente con metales suelen ser caras. Sin embargo, se pueden utilizar impresoras menos costosas para fabricar un molde, que luego se utiliza para fabricar piezas metálicas. [10]
Se puede pasar una boquilla con material líquido sobre una superficie absorbente para eliminar el material, extraerlo electrostáticamente de un orificio de chorro más grande, [14] presurizarlo para hacer fluir el material o aumentar la presión del fluido para expulsar una breve ráfaga de fluido en forma de rocío o gotas individuales. . Una pluma estilográfica con punta es un ejemplo de material absorbente. Una manguera es un ejemplo de flujo de fluido. Un breve estallido de la bomba es un ejemplo de eyección de gota o rociado.
Las boquillas pueden estar hechas de cualquier material y pueden ser de una sola boquilla con una cámara de fluido o de múltiples boquillas con cámaras de uno o varios fluidos. Los productos de impresoras de inyección de tinta actuales pueden ser cualquier variación de estos estilos de inyección de tinta.
El material de tinta para inyección de tinta solo necesita tener una viscosidad lo suficientemente baja como para permitir que el fluido pase a través de la abertura de la boquilla. Los materiales se pueden fundir para volverse líquidos. Se denominan tintas termofusibles. En todos los casos, las tintas de inyección deben ser tridimensionales en la superficie impresa para producir un componente de altura Z para un objeto 3D.
La inyección de tinta fue pionera en Teletype, que introdujo la teleimpresora electrostática Inktronic [14] en 1966. La impresora tenía 40 chorros que ofrecían una velocidad de avance de 120 caracteres por segundo.
Los chorros de tinta continuos fueron populares en las décadas de 1950 y 1960 antes de que se inventaran los chorros de tinta Drop-On-Demand [15] en 1972. Las tintas tridimensionales continuas estaban basadas en cera y aleaciones metálicas de baja temperatura . La impresión con estas tintas termofusibles produjo caracteres alfanuméricos sólidos y elevados, pero nadie los reconoció como impresión 3D. En 1971, un joven ingeniero, Johannes Gottwald, patentó una grabadora de metal líquido que imprimía grandes caracteres en metal para señalización, pero Teletype Corp ignoró el descubrimiento. El braille se imprimió con tintas de cera pero nunca se comercializó en la década de 1960.
Los chorros de tinta de gota bajo demanda (DOD) se inventaron [16] en 1972 utilizando tecnología piezoeléctrica de "compresión" para bombear una gota por compresión. En estos primeros chorros DOD sólo se utilizaban tintas a base de agua. Se experimentó con muchas formas de orificios, diámetros y múltiples orificios de boquilla por tubo de inyección de tinta. Los chorros de tinta de una sola boquilla se denominaron "Alpha Jets" en Exxon Office Systems, donde muchos de los primeros inventores que fueron contratados para mejorar la impresión investigaron la impresión. El Alpha Jet fue rechazado por ser demasiado complejo. Este grupo diseñó e incorporó cabezales de impresión multichorro.
Una pequeña empresa de New Hampshire, RH Research, propiedad de Robert Howard [17] investigó la impresión entre 1982 y 1983 y decidió que la inyección de tinta de una sola boquilla era una posible opción y luego se puso en contacto con un inventor de Exxon que nombró a Al Hock como una buena opción. para este proyecto. Al Hock invitó a Tom Peer y Dave Lutz a unirse a él en New Hampshire para investigar esta nueva empresa y aceptaron la oferta de trabajo. Dave Lutz se puso en contacto con dos personas que todavía estaban en Exxon, Jim y Kathy McMahon, y también aceptaron ofertas para ser fundadores de esta empresa que luego se llamaría Howtek, Inc. En unos pocos meses, los jets Alpha fabricados por el nuevo equipo de Howtek estaban funcionando bien. La dirección de Howtek decidió cambiar las boquillas de vidrio por Tefzel basándose en los resultados de las pruebas de inyección de tinta. Tefzel permitió que la inyección de tinta funcionara a alta temperatura con las nuevas tintas termoplásticas termofusibles y funcionara sin vibraciones en la estructura de la boquilla que generaran gotas perdidas. Cada presión produjo una gota en un rango de frecuencia de 1 a 16.000 gotas por segundo. Las boquillas se pudieron fabricar y nació el Pixelmaster. Había 32 boquillas individuales de inyección de tinta por cabezal de impresión, imprimiendo 4 colores (8 chorros por color) CMYK. El mecanismo era un cabezal de impresión que giraba a 121 rpm y colocaba gotas de tamaño y forma uniformes con precisión en su lugar como texto sustractivo en color e impresión de imágenes para la industria gráfica. Esta tecnología de tintas termofusibles que imprimen capas de CMYK fue precursora de una patente 3D de Richard Helinski. Unos años más tarde (1993), la patente fue licenciada por primera vez por Sanders Prototype, Inc. (rebautizada como Solidscape , Inc), un fabricante de la primera impresora Rapid Prototype de escritorio de la industria, la Modelmaker 6 Pro. Esta impresora y los productos más nuevos utilizan estos inyectores de tinta estilo Howtek y tintas termoplásticas. Los modelos impresos con termoplástico eran perfectos para la fundición a la cera perdida sin cenizas durante el quemado. La impresión de gotas de tinta termoplástica es precisa y ofrece acabados superficiales de alta calidad en modelos populares entre joyeros y diseñadores CAD sensibles a los detalles. Las impresoras de inyección de tinta Howtek diseñadas para imprimir una página en 4 minutos ahora imprimían en algunos casos durante 4 días seguidos. La primera impresora se vendió en 1993 a Hitchner Corporations, grupo de I+D de Metal Casting Technology, donde imprime cabezas de palos de golf y piezas para motores de automóviles.
La fabricación de filamentos fundidos ( FFF ), también conocida con el término registrado de modelado por deposición fundida ( FDM ), deriva del sistema automático de soldadura por aire caliente de láminas poliméricas, el pegado por fusión en caliente y la deposición automática de juntas. Este principio fue desarrollado aún más por S. Scott Crump a finales de los años 1980 y fue comercializado en 1990 por Stratasys . [18] Después de que expiró la patente de esta tecnología, se desarrolló una gran comunidad de desarrollo de código abierto y aparecieron variantes tanto comerciales como de bricolaje que utilizan este tipo de impresora 3D, conocido como el proyecto RepRap (por prototipo rápido autorreplicante). Como resultado, el precio de esta tecnología ha bajado dos órdenes de magnitud desde su creación y se ha convertido en la forma más común de impresión 3D. [19]
En el modelado por deposición fundida, el modelo o pieza se produce extruyendo pequeñas cuentas o corrientes de material que se endurecen inmediatamente para formar capas. Un filamento de termoplástico u otro material o mezcla de bajo punto de fusión se introduce en un cabezal de boquilla de extrusión ( extrusora de impresora 3D ), donde el filamento se calienta hasta su temperatura de fusión y se extruye sobre una mesa de construcción. Más recientemente, se ha desarrollado la deposición de gránulos fundidos (o deposición de partículas fundidas), en la que partículas o gránulos de plástico reemplazan la necesidad de utilizar filamento. [20] [21] El cabezal de la boquilla calienta el material y enciende y apaga el flujo. Normalmente se emplean motores paso a paso o servomotores para mover el cabezal de extrusión y ajustar el flujo. La impresora suele tener 3 ejes de movimiento. Se utiliza un paquete de software de fabricación asistida por computadora (CAM) para generar el código G que se envía a un microcontrolador que controla los motores.
El plástico es el material más común para este tipo de impresión. Se pueden utilizar varios polímeros, incluidos acrilonitrilo butadieno estireno (ABS), policarbonato (PC), ácido poliláctico (PLA), polietileno de alta densidad (HDPE), PC/ABS, polifenilsulfona (PPSU) y poliestireno de alto impacto (HIPS). En general, el polímero tiene forma de filamento fabricado a partir de resinas vírgenes. Existen múltiples proyectos en la comunidad de código abierto destinados a procesar residuos plásticos posconsumo en filamentos. [22] [23] [24] [25] Se trata de máquinas utilizadas para triturar y extruir el material plástico en filamentos, como los robots de reciclaje . Además, en el proceso se utilizan fluoropolímeros como tubos de PTFE debido a la capacidad del material para soportar altas temperaturas. Esta capacidad es especialmente útil para transferir filamentos. [26]
Tanto el metal como el vidrio también se pueden utilizar para la impresión 3D, aunque son mucho más caros y generalmente se utilizan para obras de arte. Sin embargo, el desarrollo de WAAM (fabricación aditiva por arco de alambre) ha reducido los costos de la impresión 3D en metal.
FDM está algo restringido en la variación de formas que se pueden fabricar. Por ejemplo, el FDM normalmente no puede producir estructuras similares a estalactitas, ya que no tendrían soporte durante la construcción. De lo contrario, se debe diseñar un soporte delgado en la estructura, que se pueda romper durante el acabado. Habitualmente, el software que convierte el modelo 3D en un conjunto de capas planas, llamado slicer , se encarga de añadir estos soportes y algunos otros recursos para permitir la fabricación de este tipo de formas.
La deposición aditiva por fricción y agitación (AFSD) es un proceso de fabricación aditiva de metales de estado sólido que utiliza una herramienta giratoria para depositar material de materia prima sobre un sustrato. [27] AFSD ofrece una serie de ventajas sobre otros procesos de fabricación aditiva de metales, incluida la alta utilización de materiales, el bajo consumo de energía y la capacidad de imprimir aleaciones metálicas incompatibles con procesos basados en fusión. [28]
Otro enfoque de impresión 3D es la fusión selectiva de materiales en un lecho granular. [29] La técnica fusiona partes de la capa y luego se mueve hacia arriba en el área de trabajo, agregando otra capa de gránulos y repitiendo el proceso hasta que la pieza se haya formado. Este proceso utiliza los medios no fundidos para soportar voladizos y paredes delgadas en la pieza que se está produciendo, lo que reduce la necesidad de soportes auxiliares temporales para la pieza. Por ejemplo, en la sinterización selectiva por calor, un cabezal de impresión térmica aplica calor a capas de termoplástico en polvo ; cuando se termina una capa, el lecho de polvo desciende y un rodillo automático añade una nueva capa de material que se sinteriza para formar la siguiente sección transversal del modelo; El uso de un cabezal de impresión térmico menos intenso en lugar de un láser hace que esta sea una solución más económica que el uso de láseres y se puede reducir al tamaño de un escritorio. [30]
Las técnicas de sinterización por láser incluyen la sinterización por láser selectiva (SLS), tanto con metales como con polímeros (p. ej., PA, PA-GF, GF rígido, PEEK, PS, alumida , carbonamida, elastómeros) y sinterización directa por láser de metales (DMLS). [31]
La sinterización selectiva por láser (SLS) fue desarrollada y patentada por el Dr. Carl Deckard y el Dr. Joseph Beaman en la Universidad de Texas en Austin a mediados de la década de 1980, [32] bajo el patrocinio de DARPA . [33] Un proceso similar fue patentado sin ser comercializado por RF Housholder en 1979. [34]
La fusión selectiva por láser (SLM) no utiliza sinterización para la fusión de gránulos de polvo, pero derretirá completamente el polvo utilizando un láser de alta energía para crear materiales completamente densos en un método de capas que tiene propiedades mecánicas similares a las de los metales fabricados convencionales. . [35]
La fusión por haz de electrones (EBM) es un tipo similar de tecnología de fabricación aditiva para piezas metálicas (por ejemplo, aleaciones de titanio ). EBM fabrica piezas fundiendo polvo metálico capa por capa con un haz de electrones en alto vacío. A diferencia de las técnicas de sinterización de metales que operan por debajo del punto de fusión, las piezas EBM no tienen huecos. [36] [37]
La técnica de impresión 3D por inyección de aglutinante consiste en la deposición de un agente adhesivo aglutinante sobre capas de material, normalmente en polvo. Los materiales pueden ser de base cerámica o metálicos. Este método también se conoce como sistema de impresión 3D por inyección de tinta . Para producir la pieza, el impresor construye el modelo mediante un cabezal que se desplaza sobre la base de la plataforma y deposita, capa a capa, extendiendo una capa de polvo ( yeso , o resinas ) e imprimiendo un aglutinante en la sección transversal de la pieza mediante un proceso similar al de inyección de tinta. Esto se repite hasta que se hayan impreso todas las capas. Esta tecnología permite la impresión de prototipos, voladizos y piezas de elastómero a todo color. La resistencia de las impresiones en polvo adheridas se puede mejorar con cera o impregnación de polímero termoestable . [38]
El proceso de estereolitografía (SLA) se basa en el fotocurado ( fotopolimerización ) de materiales líquidos hasta darles una forma sólida; Fue patentado en 1986 por Chuck Hull . [39]
En este proceso, una tina de polímero líquido se expone a una iluminación controlada (como un láser o un proyector de luz digital) en condiciones de luz segura . Lo más común es que el polímero líquido expuesto se endurezca mediante reticulación impulsada por la reacción de adición de dobles enlaces carbono-carbono en acrilatos. [40] La polimerización ocurre cuando los fotopolímeros se exponen a la luz cuando los fotopolímeros contienen cromóforos ; de lo contrario, se utiliza la adición de moléculas que son fotosensibles para reaccionar con la solución para comenzar la polimerización. La polimerización de monómeros conduce a la reticulación, lo que crea un polímero. A través de estos enlaces covalentes se cambia la propiedad de la solución. [41] Luego, la placa de construcción se mueve hacia abajo en pequeños incrementos y el polímero líquido se expone nuevamente a la luz. El proceso se repite hasta que se haya construido el modelo. Luego se drena el polímero líquido de la tina, dejando el modelo sólido. EnvisionTEC Perfactory [42] es un ejemplo de un sistema de creación rápida de prototipos DLP.
Los sistemas de impresoras de inyección de tinta, como el sistema Objet PolyJet, rocían materiales fotopolímeros sobre una bandeja de construcción en capas ultrafinas (entre 16 y 30 μm) hasta que se completa la pieza. Cada capa de fotopolímero se cura con luz ultravioleta después de su inyección, lo que produce modelos completamente curados que pueden manipularse y usarse inmediatamente, sin poscurado. El material de soporte similar a un gel, que está diseñado para soportar geometrías complicadas, se retira a mano y con chorro de agua. También es adecuado para elastómeros. Existe otro tipo de sistema de impresión por inyección de tinta disponible en el mercado que puede imprimir un fotopolímero capa por capa, con curado UV intermedio, para producir lentes correctivos oftálmicos . En este caso no se necesitan estructuras de soporte, ya que las lentes oftálmicas no necesitan salientes. Luxexcel, una empresa holandesa , ha comercializado esta tecnología y plataforma de impresión. [43]
Se pueden crear características ultrapequeñas con la técnica de microfabricación 3D utilizada en la fotopolimerización multifotónica . Este enfoque utiliza un láser enfocado para trazar el objeto 3D deseado en un bloque de gel. Debido a la naturaleza no lineal de la fotoexcitación, el gel se cura hasta convertirse en un sólido solo en los lugares donde se enfocó el láser, mientras que el gel restante luego se elimina por lavado. Se producen fácilmente tamaños de características de menos de 100 nm, así como estructuras complejas con partes móviles y entrelazadas. [44]
Otro método más utiliza una resina sintética que se solidifica mediante LED . [45]
En la estereolitografía basada en proyección de imágenes de máscara, un modelo digital 3D se divide en un conjunto de planos horizontales. Cada sector se convierte en una imagen de máscara bidimensional. Luego, la imagen de la máscara se proyecta sobre una superficie de resina líquida fotocurable y se proyecta luz sobre la resina para curarla con la forma de la capa. [46] La técnica se ha utilizado para crear objetos compuestos de múltiples materiales que curan a diferentes velocidades. [46] En los sistemas de investigación, la luz se proyecta desde abajo, lo que permite que la resina se distribuya rápidamente en capas delgadas uniformes, lo que reduce el tiempo de producción de horas a minutos. [46] Los dispositivos disponibles comercialmente, como Objet Connex, aplican la resina a través de pequeñas boquillas. [46]
La producción continua de interfaz líquida (CLIP) es otra forma de fabricación aditiva que utiliza el proceso de fotopolimerización basado en DLP para crear objetos sólidos de lados lisos de una amplia variedad de formas. El proceso continuo de CLIP comienza con un charco de resina de fotopolímero líquido . Parte del fondo de la piscina es transparente a la luz ultravioleta (la "ventana"). Al igual que los sistemas DLP anteriores, un haz de luz ultravioleta brilla a través de la ventana e ilumina la sección transversal precisa del objeto. La luz hace que la resina se solidifique. El objeto se eleva lo suficientemente lento como para permitir que la resina fluya y mantenga contacto con la parte inferior del objeto. [47] CLIP se diferencia de los procesos DLP tradicionales debido a una membrana permeable al oxígeno que se encuentra debajo de la resina, creando una "zona muerta" (interfaz de líquido persistente) que impide que la resina se adhiera a la ventana (la fotopolimerización se inhibe entre la ventana y el polimerizador). [48]
A diferencia de la estereolitografía , sus fundadores consideran que el proceso de impresión es continuo y considerablemente más rápido que los procesos DLP tradicionales, lo que permite la producción de piezas en minutos en lugar de horas. [47] [48] [49]
Recientemente, se ha desarrollado aún más el uso de técnicas de impresión estereolitográfica 3D para permitir la fabricación aditiva de materiales cerámicos. La impresión 3D exitosa de cerámicas mediante estereolitografía se logra mediante la fotopolimerización de polímeros precerámicos para producir cerámicas a base de silicio de una clase conocida más ampliamente como cerámicas derivadas de polímeros , que incluyen carburo de silicio y oxicarburo de silicio . [40]
La litografía axial computarizada es un método de impresión 3D basado en invertir el principio de la tomografía computarizada (CT) para crear impresiones en resina fotocurable. Fue desarrollado gracias a una colaboración entre la Universidad de California, Berkeley y el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore . [50] [51] [52] A diferencia de otros métodos de impresión 3D, no construye modelos depositando capas de material como el modelado por deposición fundida y la estereolitografía , sino que crea objetos utilizando una serie de imágenes 2D proyectadas sobre un cilindro de resina. [50] [51] [52] Se destaca por su capacidad para construir objetos mucho más rápidamente que otros métodos utilizando resinas y la capacidad de incrustar objetos dentro de las impresiones. [50]
La fabricación aditiva líquida (LAM) es una técnica de fabricación aditiva que deposita un material líquido o altamente viscoso (por ejemplo, caucho de silicona líquida) sobre una superficie de construcción para crear un objeto, que luego se vulcaniza usando calor para endurecerlo. [53] [54] [55] El proceso fue creado originalmente por Adrian Bowyer y luego fue desarrollado por German RepRap. [53] [56] [57]
En algunas impresoras, se puede utilizar papel como material de construcción, lo que resulta en un menor costo de impresión. Durante la década de 1990, algunas empresas comercializaron impresoras que cortaban secciones transversales de papel recubierto de adhesivo especial utilizando un láser de dióxido de carbono y luego las laminaban.
En 2005, Mcor Technologies Ltd desarrolló un proceso diferente utilizando hojas comunes de papel de oficina, una hoja de carburo de tungsteno para cortar la forma y deposición selectiva de adhesivo y presión para unir el prototipo. [58]
También hay varias empresas que venden impresoras que imprimen objetos laminados utilizando finas láminas de plástico y metal.
La consolidación ultrasónica (UC) o la fabricación aditiva ultrasónica (UAM) es una técnica de fabricación aditiva a baja temperatura o de impresión 3D para metales.
En la deposición de energía dirigida alimentada por polvo, se utiliza un láser de alta potencia para fundir el polvo metálico suministrado al foco del rayo láser. El rayo láser normalmente viaja a través del centro del cabezal de deposición y se enfoca en un pequeño punto mediante una o más lentes. La construcción se produce en una mesa XY que es impulsada por una trayectoria de herramienta creada a partir de un modelo digital para fabricar un objeto capa por capa. El cabezal de deposición se mueve hacia arriba verticalmente a medida que se completa cada capa. Algunos sistemas incluso utilizan sistemas de 5 ejes [59] [60] o 6 ejes [61] ( es decir , brazos articulados ) capaces de entregar material sobre el sustrato (una cama de impresión o una pieza preexistente [62] ). con pocas o ninguna restricción de acceso espacial. El polvo metálico se entrega y distribuye alrededor de la circunferencia del cabezal o se puede dividir mediante un colector interno y distribuir a través de boquillas dispuestas en varias configuraciones alrededor del cabezal de deposición. A menudo se utiliza una cámara herméticamente sellada llena de gas inerte o un gas inerte local (a veces ambos combinados) para proteger el baño de fusión del oxígeno atmosférico, para limitar la oxidación y controlar mejor las propiedades del material. El proceso de energía dirigida alimentado con polvo es similar a la sinterización selectiva por láser, pero el polvo metálico se proyecta solo donde se está agregando material a la pieza en ese momento. Con el rayo láser se calienta y se crea un "charco de fusión" sobre el sustrato, en el que se inyecta casi simultáneamente el nuevo polvo. El proceso admite una amplia gama de materiales, incluidos titanio, acero inoxidable, aluminio, tungsteno y otros materiales especiales, así como compuestos y materiales clasificados funcionalmente. El proceso no solo puede construir completamente nuevas piezas metálicas, sino que también puede agregar material a piezas existentes, por ejemplo para recubrimientos, reparación y aplicaciones de fabricación híbrida. LENS (Laser Engineered Net Shaping) es un ejemplo del proceso de deposición de energía dirigida alimentado con polvo para la impresión 3D o la restauración de piezas metálicas. [63] [64]
Los sistemas de alimentación de alambre basados en láser, como el alambre de deposición de metal por láser (LMD-w), alimentan el alambre a través de una boquilla que se funde mediante un láser utilizando una protección de gas inerte en un entorno abierto (gas que rodea al láser) o en una cámara sellada. La fabricación de forma libre por haz de electrones utiliza una fuente de calor por haz de electrones dentro de una cámara de vacío.
También es posible utilizar soldadura por arco metálico con gas convencional conectada a una plataforma 3D para imprimir metales en 3D como acero, bronce y aluminio. [65] [66] Las impresoras 3D estilo RepRap de código abierto y de bajo costo han sido equipadas con sensores basados en Arduino y demostraron propiedades metalúrgicas razonables a partir del alambre de soldadura convencional como materia prima. [67]
En la deposición selectiva de polvo, los polvos de construcción y de soporte se depositan selectivamente en un crisol, de modo que el polvo de construcción tome la forma del objeto deseado y el polvo de soporte llene el resto del volumen en el crisol. Luego se aplica un material de relleno, de modo que entre en contacto con el polvo de construcción. Luego, el crisol se cuece en un horno a una temperatura superior al punto de fusión del relleno, pero inferior a los puntos de fusión de los polvos. Cuando el relleno se derrite, empapa el polvo de construcción. Pero no empapa el polvo de soporte, porque el polvo de soporte se elige de tal manera que el relleno no lo humedezca. Si a la temperatura de cocción, los átomos del material de relleno y el polvo de construcción son mutuamente desactivables, como en el caso del polvo de cobre y el relleno de zinc, entonces el material resultante será una mezcla uniforme de esos átomos, en este caso, bronce. Pero si los átomos no son mutuamente desactivables, como en el caso del tungsteno y el cobre a 1100°C, entonces el material resultante será un compuesto. Para evitar la distorsión de la forma, la temperatura de cocción debe estar por debajo de la temperatura de solidus de la aleación resultante. [68]
En octubre de 2012, había en el mercado sistemas de fabricación aditiva cuyo precio oscilaba entre 2.000 y 500.000 dólares y se empleaban en industrias como la aeroespacial, la arquitectura, la automoción, la defensa y los reemplazos médicos, entre muchas otras. A partir de 2018, el costo de las impresoras 3D ha bajado a tan solo $100 y las impresoras de escritorio de bajo costo y mayor calidad cuestan aproximadamente $2500. Este tipo de dispositivos se utilizan ampliamente en la industria para la creación de prototipos, la fabricación de plantillas, la fijación, la fijación de pequeños componentes personalizados e incluso la fabricación aditiva de productos reales. [69]
Además, las impresoras 3D de gama alta se han vuelto relativamente comunes para la producción y la fabricación aditiva . [69] Por ejemplo, General Electric utiliza el modelo de gama alta para construir piezas para turbinas . [70] Muchos de estos sistemas se utilizan para la creación rápida de prototipos, antes de que se empleen métodos de producción en masa. Volkswagen utiliza impresoras 3D en sus líneas de montaje para imprimir herramientas, plantillas y accesorios. Calculan que las impresoras 3D ahorran 250.000 euros al año en costes. [71] Un informe estima que casi el 75% de las impresoras 3D de escritorio fabricadas se utilizan en la industria y no por los consumidores. [72]
El ejército y la defensa también están incorporando el uso de impresoras 3D. La Real Fuerza Aérea de los Países Bajos está utilizando impresoras 3D de escritorio en su Base de la Fuerza Aérea de Woensdrecht para fabricar accesorios y herramientas de alineación. [73] En los Estados Unidos, la base Hill Air Force está utilizando piezas impresas en 3D en la reparación de aviones de combate. [74]
La educación superior ha demostrado ser un importante comprador de impresoras 3D profesionales y de escritorio. [75] Las importantes compras de impresoras 3D de escritorio tanto por parte de K-12 como de universidades ayudaron a sostener un mercado de impresoras 3D de escritorio que tuvo problemas en 2015-2016. [76] Como la educación superior es el hogar de la investigación, la impresión 3D se está utilizando para fabricar equipos para promover la investigación y mantener bajos los costos. Por ejemplo, los químicos pueden imprimir en 3D sistemas de reactores de flujo que de otro modo serían demasiado costosos de comprar. [77] La Facultad de Farmacia de la UCL en el Reino Unido creó un sistema de reactor de flujo modular para síntesis química que se puede imprimir fácilmente en 3D en laboratorios de todo el mundo a bajo costo. [78] Las bibliotecas de todo el mundo también se han convertido en lugares para albergar impresoras 3D más pequeñas para acceso educativo y comunitario. [79]
Varios proyectos y empresas están haciendo esfuerzos para desarrollar impresoras 3D asequibles para uso doméstico. Gran parte de este trabajo ha sido impulsado y dirigido a comunidades de bricolaje , creadores , entusiastas y primeros usuarios , con vínculos adicionales con las comunidades académica y de hackers . [80]
RepRap Project es uno de los proyectos de mayor duración en la categoría de escritorio. El proyecto RepRap tiene como objetivo producir una impresora 3D de hardware libre y de código abierto (FOSH), cuyas especificaciones completas se publican bajo la Licencia Pública General GNU , que sea capaz de replicarse a sí misma imprimiendo muchas de sus propias piezas (de plástico) para crear más máquinas. . [81] [82] Ya se ha demostrado que RepRaps puede imprimir placas de circuito [83] y piezas metálicas. [84] [85] La impresora 3D más popular del mundo es la Prusa i3 , una impresora RepRap. [86] [87]
Debido a los objetivos FOSH de RepRap , muchos proyectos relacionados han utilizado su diseño como inspiración, creando un ecosistema de impresoras 3D relacionadas o derivadas, la mayoría de las cuales también son diseños de código abierto. La disponibilidad de estos diseños de código abierto significa que es fácil inventar variantes de impresoras 3D. Sin embargo, la calidad y complejidad de los diseños de las impresoras, así como la calidad del kit o de los productos terminados, varían mucho de un proyecto a otro. Este rápido desarrollo de las impresoras 3D de código abierto está ganando interés en muchas esferas, ya que permite la hiperpersonalización y el uso de diseños de dominio público para fabricar tecnología apropiada de código abierto . Esta tecnología también puede ayudar a las iniciativas de desarrollo sostenible , ya que las tecnologías se elaboran fácil y económicamente a partir de recursos disponibles para las comunidades locales. [88]
El costo de las impresoras 3D ha disminuido drásticamente desde aproximadamente 2010, y las máquinas que solían costar 20.000 dólares ahora cuestan menos de 1.000 dólares. [89] Por ejemplo, a partir de 2013, varias empresas e individuos están vendiendo piezas para construir varios diseños de RepRap , con precios que comienzan en aproximadamente 400 € / 500 dólares estadounidenses . [90] El proyecto de código abierto Fab@Home [91] ha desarrollado impresoras para uso general con cualquier cosa que se pueda rociar a través de una boquilla, desde chocolate hasta selladores de silicona y reactivos químicos. Desde 2012, los proveedores ofrecen impresoras que siguen los diseños del proyecto en kits o en forma preensamblada a precios que rondan los 2.000 dólares estadounidenses. [90] Varias impresoras 3D nuevas están dirigidas al mercado pequeño y económico, incluidas mUVe3D y Lumifold. Rapide 3D ha diseñado una impresora 3D de calidad profesional con un coste de 1.499 dólares que no emite humos ni traqueteos constantes durante su uso. [92] El 3Doodler , "lápiz de impresión 3D", recaudó 2,3 millones de dólares en Kickstarter y los bolígrafos se vendieron a 99 dólares, [93] aunque el 3D Doodler ha sido criticado por ser más un bolígrafo para manualidades que una impresora 3D. [94]
A medida que los costos de las impresoras 3D han bajado, se está volviendo más atractivo financieramente su uso para la autofabricación de productos personales. [95] Además, los productos de impresión 3D en el hogar pueden reducir los impactos ambientales de la fabricación al reducir el uso de materiales y los impactos de distribución. [96]
Además, se han diseñado y fabricado varios RecycleBots , como el comercializado Filastruder, para convertir residuos de plástico, como envases de champú y jarras de leche, en filamentos RepRap económicos. [97] Existe cierta evidencia de que utilizar este enfoque de reciclaje distribuido es mejor para el medio ambiente. [98]
El desarrollo y la hiperpersonalización de las impresoras 3D basadas en RepRap han producido una nueva categoría de impresoras adecuadas para el uso de pequeñas empresas y consumidores. Fabricantes como Solidoodle , [70] Robo 3D , RepRapPro y Pirx 3D han introducido modelos y kits con precios inferiores a 1.000 dólares, miles menos que en septiembre de 2012. [70] Dependiendo de la aplicación, la resolución de impresión y la velocidad de fabricación se encuentra a medio camino entre una impresora personal y una impresora industrial. Se mantiene una lista de impresoras con precios y otra información. [90] Más recientemente, los robots delta , como el TripodMaker, se han utilizado para la impresión 3D para aumentar aún más la velocidad de fabricación. [99] Para las impresoras 3D delta, debido a su geometría y movimientos de diferenciación, la precisión de la impresión depende de la posición del cabezal de la impresora.
Algunas empresas [ especificar ] también ofrecen software para impresión 3D, como soporte para hardware fabricado por otras empresas. [100]
Se han desarrollado grandes impresoras 3D para usos industriales, educativos y demostrativos. SeeMeCNC construyó una gran impresora 3D estilo delta en 2014. La impresora es capaz de crear un objeto con un diámetro de hasta 4 pies (1,2 m) y hasta 10 pies (3,0 m) de altura. También utiliza bolitas de plástico como materia prima en lugar de los típicos filamentos de plástico utilizados en otras impresoras 3D. [101]
Otro tipo de impresora de gran tamaño es la fabricación aditiva de área grande (BAAM). El objetivo es desarrollar impresoras que puedan producir un objeto grande a alta velocidad. Una máquina BAAM de Cincinnati Incorporated puede producir un objeto a velocidades entre 200 y 500 veces más rápidas que las impresoras 3D típicas disponibles en 2014. Lockheed Martin está desarrollando otra máquina BAAM con el objetivo de imprimir objetos largos de hasta 100 pies (30 m). ) para ser utilizado en industrias aeroespaciales. [102]
Ver también Construcción Impresión 3D
Se pueden emplear métodos de fabricación de dispositivos microelectrónicos para realizar la impresión 3D de objetos de tamaño nanométrico. Estos objetos impresos suelen crecer sobre un sustrato sólido, por ejemplo, una oblea de silicio, al que se adhieren después de la impresión, ya que son demasiado pequeños y frágiles para manipularlos después de su construcción.
En una técnica, las nanoestructuras 3D se pueden imprimir moviendo físicamente una máscara de plantilla dinámica durante el proceso de deposición del material, algo análogo al método de extrusión de las impresoras 3D tradicionales. De esta manera se han producido nanoestructuras de altura programable con resoluciones tan pequeñas como 10 nm, mediante deposición física de vapor metálico. Máscara de plantilla controlada por un actuador piezoeléctrico mecánico que tiene un nanoporo fresado en una membrana de nitruro de silicio. [103]
Otro método mejora el proceso de fotopolimerización a una escala mucho menor, utilizando láseres finamente enfocados controlados por espejos ajustables. Este método ha producido objetos con resoluciones características de 100 nm. [104] También se han impreso con láser cables de cobre de micras de ancho y milímetros de longitud. [105]
