La impresión 3D Binder Jet , conocida como impresión de "cama de polvo e inyección de tinta" e impresión de "gota sobre polvo", es una tecnología rápida de creación de prototipos y fabricación aditiva para crear objetos descritos mediante datos digitales, como un archivo CAD. El Binder Jetting 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 de Tecnología de Massachusetts y se patentó en 1993. En 1996, a ExOne Company se le concedió una patente de campo de uso exclusivo 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 con 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 a través de 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 última.
Cuando el modelo está completo, el polvo no unido se elimina automática y/o manualmente en un proceso llamado "desempolvado" y puede reutilizarse hasta cierto punto. [7]
Opcionalmente, la parte desempolvada podría someterse a diversos infiltrantes u otros tratamientos para producir las propiedades deseadas en la parte final.
En las implementaciones originales, el almidón y el yeso llenan el lecho de polvo, siendo el "aglutinante" líquido principalmente agua para activar el yeso. El aglutinante también incluye tintes (para impresión en 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 normalmente carecen de " resistencia verde " y requieren infiltración con cera derretida , pegamento de cianoacrilato , epoxi , etc. antes de su manipulación regular.
Si bien no se emplea necesariamente la tecnología de inyección de tinta convencional , se pueden implementar 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, fundiendo), 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 una opción o no. A partir de 2014, inventores y fabricantes han desarrollado sistemas para formar objetos a partir de arena y carbonato de calcio (para formar un mármol sintético ), polvo acrílico y cianoacrilato , polvo cerámico y un aglutinante líquido, azúcar y agua (para hacer caramelos), etc. El primer producto disponible comercialmente que incorporó el uso de grafeno fue un compuesto en polvo utilizado en la impresión 3D con cabezales de inyección de tinta en lecho de polvo. [8]
La tecnología de impresión 3D tiene un potencial limitado para variar las propiedades del material en una sola construcción, pero generalmente está limitada por el uso de un material central común. En los sistemas originales de Z Corporation , las secciones transversales generalmente se imprimen con contornos sólidos (formando una cubierta 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 aglutinantes de colores, 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 en la resolución deseada. . En la impresión 3D, la mayor parte de cada capa impresa, independientemente de su complejidad, se deposita mediante el mismo y rápido proceso de extensión. [9]
Al igual que con otras tecnologías de lecho de polvo, generalmente no se requieren estructuras de soporte porque 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 uso de materiales y simplificar tanto el equipo como el posprocesamiento. Sin embargo, quitar el polvo en sí puede ser una tarea delicada, complicada y que requiere mucho tiempo. Por lo tanto, algunas máquinas automatizan la eliminación de polvo y el reciclaje de polvo en la medida de lo posible. Dado que todo el volumen de construcción está lleno de polvo, al igual que en la estereolitografía , en el diseño se deben incluir medios para evacuar una parte hueca.
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 tecnologías como la estereolitografía (SLA) o la sinterización selectiva por láser (SLS). Aunque las propiedades dimensionales asimétricas y de "escalonamiento" son características de la impresión 3D como la mayoría de los demás procesos de fabricación en capas, los materiales de impresión 3D generalmente se consolidan de tal manera que minimizan la diferencia entre la resolución vertical y en el plano. El proceso también se presta para la rasterización de capas en resoluciones objetivo, un proceso rápido que puede acomodar 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 de entre 50.000 y 2.000.000 de dólares [ cita requerida ] . Sin embargo, hay un kit de bricolaje para aficionados que se vende desde $800 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 terminar, ya que, a diferencia de la fusión en 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 pulverizar y utilizar materiales de alta temperatura de fusión (por ejemplo, cerámica) y sensibles al calor (por ejemplo, polímeros) para la fabricación aditiva, las piezas de inyección de aglutinante requieren un posprocesamiento adicional que puede requerir más tiempo del necesario. para imprimir la pieza, como curado, sinterización y acabado adicional. [10]
El chorro de aglutinante es particularmente propenso al fenómeno de agotamiento del lecho de polvo, que se produce cuando el aglutinante cae sobre la superficie del lecho de polvo. Este problema es particularmente frecuente en el chorro de aglutinante, ya que a diferencia de los procesos tradicionales de fabricación aditiva (que utilizan altas temperaturas para fundir y fusionar los polvos), el "chorro" de aglutinante que cae sobre el lecho puede provocar que se formen grandes aglomerados de polvo semiadherido. ser expulsado 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 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 aglutinante. Los aglomerados expulsados caen sobre otras regiones del lecho, provocando que la superficie del lecho se vuelva menos uniforme, que las dimensiones de la parte final sean deformadas e inexactas y que se formen grandes poros en el subsuelo. También pueden estar presentes defectos residuales y tensiones en todas partes, que reducen 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 las aeroespaciales, ya que las piezas inyectadas con aglutinante son generalmente más débiles que las impresas con procesos de fusión en 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]