Procesos de impresión 3D

Se utilizan una variedad de procesos , equipos y materiales en la producción de un objeto tridimensional mediante la fabricación aditiva . La impresión 3D también se conoce como fabricación aditiva, por lo que 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.

Pieza de fundición de metal con ayuda de una carcasa de cerámica impresa en 3D
Modelo CAD utilizado para impresión 3D. El proceso de modelado manual de preparar datos geométricos para gráficos por computadora en 3D es similar a las artes plásticas como la escultura. El escaneo 3D es un proceso de recopilación de datos digitales sobre la forma y apariencia de un objeto real, creando un modelo digital basado en él.

Algunos de los diferentes tipos de transformaciones físicas que se utilizan en la impresión 3D incluyen la extrusión por fusión, la polimerización por luz, la producción continua de interfaces líquidas y la sinterización.

Hay muchos procesos de impresión 3D diferentes, que se pueden agrupar en siete categorías: [1]

Cada proceso y pieza de equipo tiene pros y contras asociados. Suelen implicar aspectos como la velocidad, los costes, la versatilidad con respecto al material de la materia prima, las limitaciones y tolerancias geométricas , así como las 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. Algunos se prestan mejor al uso industrial (en este caso, se prefiere el término Fabricación aditiva), mientras que otros hacen que la impresión 3D sea accesible para el consumidor medio. Algunas impresoras son lo suficientemente grandes para fabricar edificios, mientras que otras tienden a objetos de tamaño micro y nanoescala y, en general, se pueden explotar muchas tecnologías diferentes para producir físicamente los objetos diseñados. [2]

Se han inventado varios procesos de impresión 3D desde finales de la década de 1970. [3] Las impresoras eran originalmente grandes, caras y muy limitadas en lo que podían producir. [4]

Actualmente se dispone de una gran cantidad de procesos aditivos. Las principales diferencias entre los procesos están en la forma en que se depositan las capas para crear las piezas y en los materiales que se utilizan. Algunos métodos derriten o ablandan el material para producir las capas, por ejemplo. fusión selectiva por láser (SLM) o sinterización directa por láser de metal (DMLS), sinterización selectiva por láser (SLS), modelado por deposición fundida (FDM), [5] [6] o fabricación de filamentos fundidos (FFF), mientras que otros curan materiales líquidos utilizando diferentes tecnologías sofisticadas, como la estereolitografía (SLA). Con la fabricación de objetos laminados (LOM), las capas delgadas se cortan 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 de material termofusible imprime realmente una partícula o un objeto. Las tintas de fusión en caliente de color imprimen gotas individuales de CMYK una encima de la otra para producir un objeto de un solo color con 1-3 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 celda abierta según lo definido por la configuración de impresión de inyección de tinta de la impresora 3D. Cada método tiene sus propias ventajas e inconvenientes, por lo que algunas empresas ofrecen una opción de polvo y polímero para el material utilizado para construir el objeto. [7] Otros a veces utilizan papel comercial estándar, listo para usar, como material de construcción para producir un prototipo duradero. Las principales consideraciones al elegir una máquina son generalmente la velocidad, los costos de la impresora 3D, el prototipo impreso, la elección y el costo de los materiales y las capacidades de color. [8]

Las impresoras que trabajan directamente con metales son generalmente caras. Sin embargo, se pueden usar impresoras menos costosas para hacer un molde, que luego se usa para fabricar piezas de metal. [9]

Tipo Tecnologias Materiales
Tecnología de inyección de tinta Deposición de partículas de gota a demanda o continua (boquilla única o múltiple) Materiales termofusibles (cera, termoplástico, aleación de metal)
Extrusión de material Modelado de deposición fundida (FDM) o fabricación de filamentos fundidos (FFF) y fabricación de gránulos fundidos o fabricación de partículas fundidasTermoplásticos , metales eutécticos , materiales comestibles, cauchos , arcilla de modelar , plastilina
Impresión 3D de Robocasting o soldadura MIG [10] o Escritura de tinta directa (DIW) o Fabricación aditiva basada en extrusión de metales (EAM) y cerámica (EAC)Metal -binder mezclas (incluyendo arcilla de metal y Precious Metal Clay ), mezclas-aglutinante cerámico (incluyendo cerámica arcilla y cerámicas suspensiones ), cermet , compuesto de matriz metálica , cerámica compuesto de matriz , de metal ( MIG Welding ) [10]
Fabricación de filamentos compuestos (CFF) Nylon o Nylon con fibra de carbono corta + refuerzo en forma de Carbono, Kevlar, Vidrio y Vidrio para fibra de alta temperatura
Polimerizado por luz Estereolitografía (SLA)Fotopolímero (incluidos los polímeros precerámicos )
Procesamiento de luz digital (DLP)Fotopolímero
Producción continua de interfaces líquidas (CLIP)Fotopolímero + química activada térmicamente
Cama de polvo Impresión 3D con cabezal de inyección de tinta y lecho de polvo (3DP)Casi cualquier aleación de metal , polímeros en polvo, yeso
Fusión por haz de electrones (EBM)Casi cualquier aleación de metal, incluidas las aleaciones de titanio
Fusión selectiva por láser (SLM)Aleaciones de titanio , aleaciones de cromo cobalto , acero inoxidable , aluminio
Sinterización térmica selectiva (SHS) [11]Polvo termoplástico
Sinterización selectiva por láser (SLS)Termoplásticos , polvos metálicos , polvos cerámicos
Sinterización directa por láser de metales (DMLS)Casi cualquier aleación de metal
Laminado Fabricación de objetos laminados (LOM)Papel, lámina de metal , película de plástico
Alimentado con polvo Deposición de energía dirigida Casi cualquier aleación de metal
Cable Fabricación de forma libre con haz de electrones (EBF 3 )Casi cualquier aleación de metal

Tecnología de inyección de tinta

Se puede pasar una boquilla con material líquido sobre una superficie absorbente para expulsar el material, extraerse electrostáticamente de un orificio de chorro más grande, [12] presurizar para hacer fluir el material o aumentar la presión del fluido para expulsar una pequeña ráfaga de fluido en forma de aerosol o gotas individuales . Una pluma estilográfica con punta de plumilla es un ejemplo de material absorbente. Una manguera es un ejemplo de flujo de fluido. Una bomba de ráfaga corta es un ejemplo de expulsión de gotas o pulverizaciones.

Las boquillas pueden estar hechas de cualquier material y pueden ser de una sola boquilla con una cámara de fluido o de varias boquillas con una o varias cámaras de fluido. 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 debe tener una viscosidad lo suficientemente baja para permitir que el fluido pase a través de la abertura de la boquilla. Los materiales se pueden fundir para que sean líquidos. Se denominan tintas termofusibles. En todos los casos, las tintas de inyección de tinta 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 de arrastre electrostático Inktronic [12] en 1966. La impresora tenía 40 inyectores que ofrecían una velocidad de avance de 120 caracteres por segundo.

Las impresoras de inyección de tinta continuas fueron populares en la década de 1950-1960 antes de que se inventaran las de inyección de tinta Drop-On-Demand [13] en 1972. Las tintas tridimensionales continuas eran a base de cera y aleaciones metálicas de baja temperatura. La impresión con estas tintas termofusibles produjo caracteres alfanuméricos que eran sólidos y parecidos a 3D, pero nadie los reconoció como impresión 3D. En 1971, un joven ingeniero, Johannes Gottwald patentó una grabadora de metal líquido que imprimía caracteres grandes 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.

Las impresoras de inyección de tinta Drop-On-Demand (DOD) se inventaron [14] en 1972 utilizando tecnología de "compresión" piezoeléctrica para bombear una gota por compresión. En estos primeros inyectores DOD solo se utilizaron tintas a base de agua. La experimentación se realizó con muchas formas de orificios, diámetros y múltiples orificios de boquilla por tubo de inyección de tinta. Las impresoras de inyección de tinta de una sola boquilla se denominaban "Alpha Jets" en Exxon Office Systems, donde la impresión fue investigada por muchos de los primeros inventores que fueron contratados para mejorar la impresión. El chorro Alpha fue rechazado por ser demasiado complejo. Los cabezales de impresión de chorro múltiple fueron diseñados e incorporados por este grupo.

Una pequeña empresa en New Hampshire, RH Research, propiedad de Robert Howard [15] investigó la impresión de 1982 a 1983 y decidió que la inyección de tinta de una sola boquilla era una opción posible 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 reunirse con él en New Hampshire para investigar esta nueva empresa y aceptaron la oferta de trabajo. Dave Lutz se puso en contacto con dos jets que todavía estaban en Exxon, Jim y Kathy McMahon y también aceptaron ofertas para ser fundadores en esta empresa que luego se llamaría Howtek, Inc. En unos meses, los jets Alpha fabricados por el nuevo equipo de Howtek estaban funcionando bien. La gerencia de Howtek decidió cambiar las boquillas de vidrio a Tefzel basándose en los resultados de la prueba 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 para generar gotas perdidas. Cada apretón produjo una gota en un rango de frecuencia de 1-16.000 gotas por segundo. Las boquillas se podían fabricar y nació Pixelmaster. Había 32 inyectores individuales de inyección de tinta por cabezal de impresión, imprimiendo 4 colores (8 inyectores 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 primero por Sanders Prototype, Inc., (Renamed Solidscape , Inc), un fabricante de la primera impresora Rapid Prototype de escritorio en la industria, Modelmaker 6 Pro. Esta impresora y los productos más nuevos utilizan estas tintas termoplásticas y de inyección de tinta estilo Howtek. Los modelos impresos con el 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 precisa, lo que brinda modelos de acabado de superficie de alta calidad populares entre los joyeros y los diseñadores CAD sensibles a los detalles. Las impresoras de inyección de tinta de Howtek, diseñadas para imprimir una página en 4 minutos, ahora se imprimían en algunos casos durante 4 días seguidos. La primera impresora se vendió en 1993 a Hitchner Corporations, grupo de I + D de tecnología de fundición de metales, donde imprimen cabezas de palos de golf y piezas para motores de automóviles.

Extrusión de material

Representación esquemática de la deposición de estrusión; un filamento a) de material plástico se alimenta a través de un cabezal móvil calentado b) que lo funde y extruye depositándolo, capa tras capa, en la forma deseada c) . Una plataforma móvil e) desciende después de depositar cada capa. Para este tipo de tecnología, se necesitan estructuras de soporte verticales adicionales d) para sostener las partes en voladizo
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Un video de lapso de tiempo de un modelo de robot (logotipo de la revista Make ) que se imprime usando FDM en una impresora RepRapPro Fisher.

La fabricación de filamentos fundidos ( FFF ), también conocida bajo el término de marca registrada modelado de deposición fundida ( FDM ), se deriva del sistema automático de soldadura por aire caliente de láminas poliméricas, el encolado por fusión en caliente y la deposición automática de juntas. Este principio ha sido desarrollado por S. Scott Crump a finales de la década de 1980 y fue comercializado en 1990 por Stratasys . [16] Después de que expiró la patente de esta tecnología, se desarrolló una gran comunidad de desarrollo de código abierto y las variantes comerciales y de bricolaje que utilizaban este tipo de impresora 3D aparecieron conocidas como el proyecto RepRap (para el prototipador rápido de autorreplicación). Como resultado, el precio de esta tecnología ha caído dos órdenes de magnitud desde su creación y se ha convertido en la forma más común de impresión 3D. [17]

En el modelado de deposición fundida, el modelo o la pieza se produce extruyendo pequeñas perlas 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 alimenta a un cabezal de boquilla de extrusión ( extrusora de impresora 3D ), donde el filamento se calienta a 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), donde las partículas o gránulos de plástico reemplazan la necesidad de utilizar filamentos. [18] [19] 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 tal impresión. Se pueden usar 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 está en forma de filamento fabricado a partir de resinas vírgenes. Hay varios proyectos en la comunidad de código abierto destinados a procesar residuos plásticos postconsumo en filamentos. [20] [21] [22] [23] Se trata de máquinas que se utilizan para triturar y extruir el material plástico en filamentos, como los robots de reciclaje . Además, en el proceso se utilizan fluoropolímeros como los tubos de PTFE debido a la capacidad del material para soportar altas temperaturas. Esta capacidad es especialmente útil para transferir filamentos. [24]

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Impresora de vidrio 3D, depositando vidrio fundido

El metal y el vidrio también se pueden usar para la impresión 3D, aunque son mucho más costosos y generalmente se usan para obras de arte. Sin embargo, el desarrollo de WAAM (fabricación aditiva por arco de alambre) ha reducido los costos de la impresión 3D de metal.

FDM está algo restringido en la variación de formas que pueden fabricarse. Por ejemplo, FDM generalmente no puede producir estructuras similares a estalactitas, ya que no serían compatibles durante la construcción. De lo contrario, se debe diseñar un soporte delgado en la estructura, que puede romperse durante el acabado. Por lo general, el software que convierte el modelo 3D en un conjunto de capas planas, llamado slicer , se encarga de agregar estos soportes y algunos otros recursos para permitir la fabricación de este tipo de formas.

Fusión en lecho de polvo

Representación esquemática de la unión granular: un cabezal móvil a) une selectivamente (dejando caer cola o sinterizando con láser) la superficie de un lecho de polvo e) ; una plataforma móvil f) baja progresivamente el lecho y el objeto solidificado d) descansa dentro del polvo no encuadernado. Se agrega continuamente polvo nuevo al lecho desde un depósito de polvo c) por medio de un mecanismo de nivelación b)

Otro enfoque de impresión 3D es la fusión selectiva de materiales en un lecho granular. 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 acumulado. Este proceso utiliza el medio no fundido 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 por calor selectiva, un cabezal de impresión térmico aplica calor a capas de termoplástico en polvo ; cuando se termina una capa, el lecho de polvo se mueve hacia abajo y un rodillo automatizado agrega 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 láser y se puede reducir a tamaños de escritorio. [25]

Las técnicas de sinterización por láser incluyen la sinterización selectiva por láser (SLS), tanto con metales como con polímeros (p. Ej., PA, PA-GF, Rigid GF, PEEK, PS, alúmina , carbonmida, elastómeros) y sinterización directa por láser de metales (DMLS). [26]

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, [27] bajo el patrocinio de DARPA . [28] Un proceso similar fue patentado sin ser comercializado por RF Housholder en 1979. [29]

La fusión selectiva por láser (SLM) no utiliza la 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 por capas que tiene propiedades mecánicas similares a las de los metales fabricados convencionales. .

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 de EBM no tienen huecos. [30] [31]

Chorro de aglutinante

La técnica de impresión 3D por inyección de aglutinante consiste en la deposición de un agente adhesivo aglutinante sobre capas de material, generalmente en polvo. Los materiales pueden ser de base cerámica o metálicos. Este método también se conoce como sistema de impresión 3D de inyección de tinta . Para producir la pieza, el impresor construye el modelo utilizando un cabezal que se mueve sobre la base de la plataforma y deposita, una capa a la vez, extendiendo una capa de polvo ( yeso o resinas ) e imprimiendo un aglutinante en la sección transversal de la pieza utilizando un proceso similar a la 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 . [32]

Estereolitografía

Representación esquemática de fotopolimerización; un dispositivo emisor de luz a) (láser o DLP) ilumina selectivamente el fondo transparente c) de un tanque b) lleno de una resina fotopolimerizante líquida; la resina solidificada d) es arrastrada progresivamente hacia arriba por una plataforma elevadora e)

El proceso de estereolitografía (SLA) se basa en el fotopolimerización ( fotopolimerización ) de materiales líquidos en una forma sólida; Fue patentado en 1986 por Chuck Hull . [33]

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 . Más comúnmente, el polímero líquido expuesto se endurece a través de la reticulación impulsada por la reacción de adición de dobles enlaces carbono-carbono en acrilatos. [34] La polimerización ocurre cuando los fotopolímeros se exponen a la luz cuando los fotopolímeros contienen cromóforos ; de lo contrario, la adición de moléculas que son fotosensibles se utilizan para reaccionar con la solución y comenzar la polimerización. La polimerización de los monómeros conduce a la reticulación, lo que crea un polímero. A través de estos enlaces covalentes , se cambia la propiedad de la solución. [35] La placa de construcción luego se mueve hacia abajo en pequeños incrementos y el polímero líquido se expone nuevamente a la luz. El proceso se repite hasta que se ha construido el modelo. A continuación, el polímero líquido se drena de la cuba, dejando el modelo sólido. El EnvisionTEC Perfactory [36] es un ejemplo de un sistema de prototipado rápido DLP.

Los sistemas de impresoras de inyección de tinta como el sistema Objet PolyJet rocían materiales de fotopolímero en 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 inyectarse, lo que produce modelos completamente curados que se pueden manipular y usar de inmediato, sin curado posterior. 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 requieren estructuras de soporte, ya que las lentes oftálmicas no necesitan voladizos. Luxexcel, una empresa holandesa , ha comercializado esta tecnología y plataforma de impresión. [37]

Se pueden realizar características ultrapequeñas con la técnica de microfabricación 3D utilizada en la fotopolimerización multifotónica . Este enfoque utiliza un láser enfocado para rastrear el objeto 3D deseado en un bloque de gel. Debido a la naturaleza no lineal de la fotoexcitación, el gel se cura a un sólido solo en los lugares donde se enfocó el láser, mientras que el gel restante se elimina por lavado. Se producen fácilmente tamaños de elementos de menos de 100 nm, así como estructuras complejas con partes móviles y entrelazadas. [38]

Otro enfoque más usa una resina sintética que se solidifica usando LED . [39]

En la estereolitografía basada en proyección de imágenes de máscaras, un modelo digital 3D se corta mediante un conjunto de planos horizontales. Cada sector se convierte en una imagen de máscara bidimensional. La imagen de la máscara se proyecta luego sobre una superficie de resina líquida fotoendurecible y se proyecta luz sobre la resina para curarla en la forma de la capa. [40] La técnica se ha utilizado para crear objetos compuestos de múltiples materiales que curan a diferentes velocidades. [40] En los sistemas de investigación, la luz se proyecta desde abajo, lo que permite que la resina se extienda rápidamente en capas delgadas uniformes, lo que reduce el tiempo de producción de horas a minutos. [40] Los dispositivos disponibles comercialmente, como Objet Connex, aplican la resina a través de pequeñas boquillas. [40]

La producción de interfaz líquida continua (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 una mezcla de resina de fotopolímero líquida . Parte del fondo de la piscina es transparente a la luz ultravioleta (la "ventana"). Al igual que los sistemas DLP anteriores, el haz de luz ultravioleta brilla a través de la ventana, iluminando 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 hacia abajo y mantenga el contacto con la parte inferior del objeto. [41] CLIP es diferente de los procesos de DLP tradicionales, debido a un oxígeno - membrana permeable que se encuentra por debajo de la resina, la creación de una "zona muerta" (interfase líquido persistente) la prevención de la resina se adhiera a la ventana (fotopolimerización se inhibe entre la ventana y el polimerizador). [42]

A diferencia de la estereolitografía , sus fundadores consideran que el proceso de impresión es continuo y considerablemente más rápido que los procesos tradicionales de DLP, lo que permite la producción de piezas en minutos en lugar de horas. [41] [42] [43]

Recientemente, se ha desarrollado aún más el uso de técnicas de impresión 3D estereoligráficas para permitir la fabricación aditiva de materiales cerámicos. La impresión 3D exitosa de cerámicas utilizando 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 . [34]

Litografía axial computarizada

La litografía axial computarizada es un método de impresión 3D basado en invertir el principio de la tomografía computarizada (TC) para crear impresiones en resina fotocurable. Fue desarrollado por una colaboración entre la Universidad de California, Berkeley y el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore . [44] [45] [46] A diferencia de otros métodos de impresión 3D, no construye modelos depositando capas de material como el modelado de deposición fundida y la estereolitografía , sino que crea objetos usando una serie de imágenes 2D proyectadas sobre un cilindro de resina. [44] [45] [46] Es notable por su capacidad para construir objetos mucho más rápidamente que otros métodos que utilizan resinas y la capacidad de incrustar objetos dentro de las impresiones. [44]

Fabricación de aditivos líquidos

La fabricación aditiva líquida (LAM) es una técnica de fabricación aditiva que deposita un material líquido o muy viscoso (por ejemplo, caucho de silicona líquida) sobre una superficie de construcción para crear un objeto, que luego se vulcaniza con calor para endurecerlo. [47] [48] [49] El proceso fue creado originalmente por Adrian Bowyer y luego fue construido por RepRap alemán. [47] [50] [51]

Laminación

En algunas impresoras, el papel se puede utilizar 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 con adhesivo especial utilizando un láser de dióxido de carbono y luego las laminaban juntas.

En 2005, Mcor Technologies Ltd desarrolló un proceso diferente utilizando hojas normales 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. [52]

También hay varias empresas que venden impresoras que imprimen objetos laminados utilizando láminas de plástico y metal delgadas.

La consolidación ultrasónica (UC) o la fabricación aditiva ultrasónica (UAM) es una técnica de fabricación aditiva o de impresión 3D a baja temperatura para metales.

Deposición de energía dirigida (DED)

Deposición de energía dirigida alimentada con polvo

En la deposición de energía dirigida alimentada con 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 es enfocado a un pequeño punto por una o más lentes. La construcción ocurre en una tabla 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. El polvo metálico se entrega y distribuye alrededor de la circunferencia del cabezal o puede dividirse mediante un colector interno y administrarse a través de boquillas dispuestas en varias configuraciones alrededor del cabezal de deposición. A menudo se usa una cámara sellada herméticamente llena de gas inerte o un gas de protección inerte local para proteger el baño de fusión del oxígeno atmosférico para un mejor control de las propiedades del material. El proceso de energía dirigida alimentado con polvo es similar al sinterizado selectivo por láser, pero el polvo metálico se aplica solo donde se está agregando material a la pieza en ese momento. El proceso admite una amplia gama de materiales, incluidos titanio, acero inoxidable, aluminio y otros materiales especiales, así como materiales compuestos y material clasificado funcionalmente. El proceso no solo puede construir completamente nuevas piezas metálicas, sino que también puede agregar material a las piezas existentes, por ejemplo, para revestimientos, reparación y aplicaciones de fabricación híbrida. LENS ( Moldeado de redes con ingeniería láser), que fue desarrollado por Sandia National Labs, es un ejemplo del proceso de deposición de energía dirigida por alimentación en polvo para la impresión 3D o la restauración de piezas metálicas. [53] [54]

Procesos de alambre de metal

Los sistemas de alimentación de alambre basados ​​en láser, como el alambre de deposición de metal láser (LMD-w), alimentan el alambre a través de una boquilla que se funde con un láser utilizando protección de gas inerte en un entorno abierto (gas que rodea el láser) o en una cámara sellada. La fabricación de forma libre de haz de electrones utiliza una fuente de calor de haz de electrones dentro de una cámara de vacío.

También es posible utilizar soldadura por arco metálico con gas convencional unida a una etapa 3D para imprimir metales en 3D como el acero y el aluminio. [55] Las impresoras 3-D estilo RepRap de código abierto de bajo costo han sido equipadas con sensores basados ​​en Arduino y han demostrado propiedades metalúrgicas razonables a partir del alambre de soldadura convencional como materia prima. [56]

Impresora 3D industrial para cerámica y metal

Uso industrial

En octubre de 2012, los sistemas de fabricación aditiva estaban en el mercado con un precio de entre $ 2,000 y $ 500,000 y se empleaban en industrias como la aeroespacial, arquitectura, automotriz, defensa y reemplazos médicos, entre muchas otras. A partir de 2018, las impresoras 3-D han bajado su costo a tan solo $ 100 y las impresoras de escritorio de mayor calidad y bajo costo cuestan aproximadamente $ 2500. Estos tipos 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. [57]

Además, las impresoras 3D de gama alta se han vuelto relativamente comunes para la producción y la fabricación aditiva . [57] Por ejemplo, General Electric utiliza el modelo de gama alta para fabricar piezas para turbinas . [58] Muchos de estos sistemas se utilizan para la creación rápida de prototipos, antes de que se empleen los 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. [59] Un informe estima que casi el 75% de las impresoras 3D de escritorio fabricadas se utilizan en la industria y no por los consumidores. [60]

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. [61] En los Estados Unidos, la base de Hill Air Force utiliza piezas impresas en 3D para reparar aviones de combate. [62]

La educación superior ha demostrado ser un importante comprador de impresoras 3D profesionales y de escritorio. [63] Importantes compras de impresoras 3D de escritorio por parte de K-12 y universidades ayudaron a sostener un mercado de impresoras 3D de escritorio que tuvo problemas en 2015-2016. [64] Dado que la educación superior es el hogar de la investigación, la impresión 3D se está utilizando para fabricar equipos con el fin de seguir investigando 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 adquirir. [65] 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. [66] Las bibliotecas de todo el mundo también se han convertido en lugares para albergar impresoras 3D más pequeñas para el acceso educativo y comunitario. [67]

Uso del consumidor

RepRap versión 2.0 (Mendel)
Todas las piezas de plástico de la máquina de la derecha fueron producidas por la máquina de la izquierda. Adrian Bowyer (izquierda) y Vik Olliver (derecha) son miembros del proyecto RepRap .

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 / primeros usuarios , con vínculos adicionales con las comunidades académicas y de piratas informáticos . [68]

RepRap Project es uno de los proyectos en ejecución más antiguos en la categoría de escritorio. El proyecto RepRap tiene como objetivo producir una impresora 3D de hardware de código abierto y libre (FOSH), cuyas especificaciones completas se publican bajo la Licencia Pública General GNU , que es capaz de replicarse imprimiendo muchas de sus propias piezas (plásticas) para crear más máquinas. . [69] [70] Ya se ha demostrado que las RepRaps pueden imprimir placas de circuitos [71] y piezas metálicas. [72] [73] La impresora 3D más popular del mundo es la Prusa i3 , una impresora RepRap. [74] [75]

Debido a los objetivos de 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 las variantes de impresoras 3D son fáciles de inventar. Sin embargo, la calidad y complejidad de los diseños de 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 fabrican fácil y económicamente a partir de los recursos disponibles para las comunidades locales. [76]

El costo de las impresoras 3D ha disminuido drásticamente desde aproximadamente 2010, y las máquinas que solían costar $ 20,000 ahora cuestan menos de $ 1,000. [77] Por ejemplo, a partir de 2013, varias empresas e individuos están vendiendo piezas para construir varios diseños de RepRap , con precios que comienzan en unos 400 euros / 500 dólares estadounidenses . [78] La fuente abierta Fab @ Home proyecto [79] ha desarrollado impresoras para uso general con cualquier cosa que puede ser roció a través de una boquilla, desde el chocolate hasta sellador de silicona y reactivos químicos. Las impresoras que siguen los diseños del proyecto han estado disponibles de los proveedores en kits o en forma preensamblada desde 2012 a precios en el rango de US $ 2000. [78] Varias impresoras 3D nuevas están destinadas al mercado pequeño y económico, incluidas las mUVe3D y Lumifold. Rapide 3D ha diseñado una impresora 3D de grado profesional con un costo de $ 1499 que no emite humos ni traqueteo constante durante el uso. [80] El 3Doodler , "bolígrafo de impresión 3D", recaudó $ 2,3 millones en Kickstarter y los bolígrafos se vendieron a $ 99, [81] aunque el 3D Doodler ha sido criticado por ser más un bolígrafo artesanal que una impresora 3D. [82]

A medida que los costos de las impresoras 3D han bajado, su uso financiero se vuelve más atractivo para la auto-fabricación de productos personales. [83] 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. [84]

Además, varios RecycleBots , como el Filastruder comercializado, han sido diseñados y fabricados para convertir residuos plásticos, como envases de champú y jarras de leche, en filamentos RepRap económicos. [85] Existe alguna evidencia de que utilizar este enfoque de reciclaje distribuido es mejor para el medio ambiente. [86]

El desarrollo y la hiperpersonalización de las impresoras 3D basadas en RepRap ha producido una nueva categoría de impresoras adecuadas para el uso de pequeñas empresas y consumidores. Fabricantes como Solidoodle , [58] Robo 3D , RepRapPro y Pirx 3D han introducido modelos y kits con un precio inferior a 1.000 dólares, miles menos que en septiembre de 2012. [58] Dependiendo de la aplicación, la resolución de impresión y la velocidad de fabricación. se encuentra en algún lugar entre una impresora personal y una impresora industrial. Se mantiene una lista de impresoras con precios y otra información. [78] Más recientemente, los robots delta , como el TripodMaker, se han utilizado para la impresión 3D para aumentar aún más la velocidad de fabricación. [87] 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 también ofrecen software para impresión 3D, como soporte para hardware fabricado por otras empresas. [88]

Grandes impresoras 3D

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 hacer un objeto con un diámetro de hasta 4 pies (1,2 m) y hasta 10 pies (3,0 m) de altura. También utiliza gránulos de plástico como materia prima en lugar de los típicos filamentos de plástico utilizados en otras impresoras 3D. [89]

El BigRep One.1 con su volumen de 1 m 3 .

Otro tipo de impresora de gran tamaño es la fabricación aditiva de gran superficie (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 200-500 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 su uso en industrias aeroespaciales. [90]

Véase también Impresión 3D de construcción

Impresión 3D a microescala y nanoescala

Se pueden emplear métodos de fabricación de dispositivos microelectrónicos para realizar la impresión 3D de objetos de tamaño nanométrico. Estos objetos impresos se cultivan típicamente 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 la construcción.

En una técnica, las nanoestructuras 3D se pueden imprimir moviendo físicamente una máscara de esténcil dinámico durante el proceso de deposición del material, algo análogo al método de extrusión de las impresoras 3D tradicionales. Se han producido nanoestructuras de altura programable con resoluciones tan pequeñas como 10 nm de esta manera, mediante deposición física de vapor metálico Máscara de plantilla controlada por piezo-actuador mecánico que tiene un nanoporo molido en una membrana de nitruro de silicio. [91]

Otro método mejora el proceso de fotopolimerización en una escala mucho más pequeña, utilizando láseres finamente enfocados controlados por espejos ajustables. Este método ha producido objetos con resoluciones de características de 100 nm. [92] Los hilos de cobre de un milímetro de ancho y una longitud de un micrón también se han impreso con láser. [93]

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