La impresión 3D por inyección de aglutinante , conocida también como impresión de "lecho de polvo e inyección de tinta" y "gota sobre polvo", es una tecnología de fabricación aditiva y prototipado rápido para fabricar objetos descritos por 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, se le concedió a la empresa ExOne una patente exclusiva de campo de uso para la tecnología, [2] mientras que Z Corporation , que luego fue adquirida por 3D Systems, [3] obtuvo una patente no exclusiva para el uso de la tecnología para fines de fundición de metales. [4] El término "Impresión tridimensional" fue registrado por el grupo de investigación del MIT, junto con la abreviatura 3DP. [5] [6] Como resultado, el término "impresión 3D" originalmente se refería únicamente al proceso de impresión por chorro de aglutinante antes de ganar 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 que se va a imprimir se construye a partir de muchas secciones transversales delgadas del modelo 3D. Un cabezal de impresión de inyección de tinta se mueve sobre un lecho de polvo, depositando selectivamente un material aglutinante líquido . Se extiende una fina capa de polvo sobre la sección completa y el proceso se repite con cada capa adhiriéndose a la anterior.
Cuando el modelo está completo, el polvo no unido se elimina de forma automática y/o manual en un proceso llamado "desempolvado" y puede reutilizarse hasta cierto punto. [7]
La parte despolvoreada podría opcionalmente ser sometida a diversos infiltrados u otros tratamientos para producir propiedades deseadas en la pieza final.
En las implementaciones originales, el lecho de polvo se llena con almidón y yeso , y el "aglutinante" líquido es principalmente agua para activar el yeso. El aglutinante también incluye colorantes (para la impresión a color) y aditivos para ajustar la viscosidad , la tensión superficial y el punto de ebullición para que coincidan con las especificaciones del cabezal de impresión. Las piezas de yeso resultantes generalmente carecen de " resistencia verde " y requieren infiltración con cera derretida , pegamento de cianoacrilato , epoxi , etc. antes de su manipulación habitual.
Si bien no necesariamente se emplea la tecnología de inyección de tinta convencional , se pueden utilizar otras combinaciones de polvo y aglutinante para formar objetos por medios químicos o mecánicos. Las piezas resultantes pueden luego someterse a diferentes regímenes de posprocesamiento, como infiltración o horneado . Esto se puede hacer, por ejemplo, para eliminar el aglutinante mecánico (por ejemplo, quemándolo) y consolidar el material del núcleo (por ejemplo, fundiéndolo), 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. A partir de 2014, los inventores y fabricantes han desarrollado sistemas para formar objetos a partir de arena y carbonato de calcio (formando un mármol sintético ), 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 pieza, pero generalmente está limitada por el uso de un material de núcleo común. En los sistemas originales de Z Corporation , las secciones transversales se imprimen normalmente con contornos sólidos (que forman una carcasa sólida) y un patrón interior de menor densidad para acelerar la impresión y garantizar la estabilidad dimensional a medida que la pieza se cura.
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 de modelado por deposición fundida , que requiere 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 esparcimiento rápido. [9]
Al igual que con otras tecnologías de lecho de polvo, generalmente no se requieren estructuras de soporte porque el polvo suelto sostiene las características salientes y los objetos apilados o suspendidos. La eliminación de las estructuras de soporte impresas puede reducir el tiempo de construcción y el uso de material y simplificar tanto el equipo como el posprocesamiento. Sin embargo, la eliminación del polvo en sí puede ser una tarea delicada, desordenada y que requiere mucho tiempo. Por lo tanto, algunas máquinas automatizan la eliminación del polvo y el reciclaje del polvo en la medida de lo posible. Dado que todo el volumen de construcción está lleno de polvo, como en la estereolitografía , los medios para evacuar una parte hueca deben tenerse en cuenta en el diseño.
Al igual que otros procesos de lecho de polvo, el acabado y la precisión de la superficie, la densidad del objeto y, según el material y el proceso, la resistencia de la pieza pueden ser inferiores a los de tecnologías como la estereolitografía (SLA) o la sinterización selectiva por láser (SLS). Aunque el "escalonamiento" y las propiedades dimensionales asimétricas son características de la impresión 3D, como la mayoría de los demás procesos de fabricación por capas, los materiales de impresión 3D generalmente se consolidan de tal manera que se minimiza la diferencia entre la resolución vertical y la resolución en el plano. El proceso también se presta a la rasterización de capas a resoluciones objetivo, un proceso rápido que puede adaptarse a los sólidos que se cruzan y otros artefactos de datos.
Las impresoras 3D de lecho de polvo y de inyección de tinta suelen tener un precio que va desde los 50.000 dólares hasta los 2.000.000 dólares [ cita requerida ] . Sin embargo, existe un kit para aficionados que se vende por 800 dólares y que permite convertir una impresora FDM de consumo en una impresora de inyección de tinta y de polvo.
Las piezas impresas mediante el proceso de inyección de aglutinante son inherentemente porosas y tienen una superficie sin terminar, ya que a diferencia de la fusión de lecho de polvo, los polvos no se funden físicamente y se unen mediante un agente aglutinante. Si bien el uso de un agente aglutinante permite convertir en polvo materiales con temperaturas de fusión altas (por ejemplo, cerámica) y sensibles al calor (por ejemplo, polímeros) y utilizarlos para la fabricación aditiva, las piezas impresas mediante inyección de aglutinante requieren un posprocesamiento adicional que puede requerir más tiempo del que se necesita para imprimir la pieza, como el curado, la sinterización y el acabado adicional. [10]
La inyección de aglutinante es particularmente propensa al fenómeno de agotamiento del lecho de polvo, que ocurre cuando el aglutinante cae sobre la superficie del lecho de polvo. Este problema es particularmente frecuente en la inyección de aglutinante, ya que a diferencia de los procesos de fabricación aditiva tradicionales (que utilizan calor elevado para fundir y fusionar los polvos), el "chorro" de aglutinante que cae sobre el lecho puede hacer que se expulsen grandes aglomerados de polvo semiadherido de la superficie, dejando zonas de agotamiento subsuperficiales (para el polvo SS316 de 30 μm, se observó una profundidad de zona de agotamiento de 56 ± 12 μm). El crecimiento de las zonas de agotamiento a medida que se depositan capas posteriores de polvo impreso puede tener ramificaciones importantes en la calidad de las piezas impresas con inyección de aglutinante. Los aglomerados expulsados caen sobre otras regiones del lecho, lo que hace que la superficie del lecho se vuelva menos uniforme, las dimensiones de la pieza final se deformen e imprecisen y se formen grandes poros subsuperficiales. También pueden estar presentes defectos residuales y tensiones en toda la pieza, lo que reduce la resistencia de la parte ya más débil (debido a la porosidad inherente de la parte inyectada con aglutinante). [11]
Estos factores limitan el uso de la inyección de aglutinante para aplicaciones de alto rendimiento, como la industria aeroespacial, ya que las piezas inyectadas con aglutinante son generalmente más débiles que las impresas con procesos de fusión de lecho de polvo. Sin embargo, la inyección de aglutinante es perfecta para la creación rápida de prototipos y la producción de piezas metálicas de bajo costo. [12]