La impresión 3D de chorro de aglutinante , conocida como impresión de "lecho de polvo e inyección de tinta" y "gota sobre polvo", es una tecnología de fabricación aditiva y de creación rápida de prototipos para hacer 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]
Historia
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 otorgó 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" se refería originalmente de manera única al proceso de impresión por chorro de aglutinante antes de obtener una mayor aceptación como un término que se refiere a todos los procesos de fabricación aditiva.
Descripción
Como en muchos otros procesos de fabricación aditiva , la pieza 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 a lo largo de la sección completa y el proceso se repite con cada capa adherida a la última.
Cuando el modelo está completo, el polvo no unido se elimina automática y / o manualmente en un proceso llamado "eliminación de polvo" y puede reutilizarse hasta cierto punto. [7]
La parte sin polvo podría opcionalmente someterse a varios infiltrantes u otros tratamientos para producir las propiedades deseadas en la parte final.
Materiales
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 generalmente carecen de " resistencia en verde " y requieren la infiltración con cera derretida , pegamento de cianoacrilato , epoxi , etc. antes de su manipulación regular.
Aunque no se emplea necesariamente la tecnología de chorro de tinta convencional , se pueden desplegar varias otras combinaciones de polvo-aglutinante para formar objetos por medios químicos o mecánicos. Las partes resultantes pueden luego someterse a diferentes regímenes de posprocesamiento, como infiltración o secado al horno . Esto se puede hacer, por ejemplo, para eliminar el aglutinante mecánico (por ejemplo, por combustión) y consolidar el material del núcleo (por ejemplo, por fusión), 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, 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. Los primeros productos disponibles comercialmente que incorporaron el uso de grafeno fueron un compuesto en polvo utilizado en la impresión 3D con cabezal 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 de núcleo 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.
Caracteristicas
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 dispersión rápida. [9]
Al igual que con otras tecnologías de lecho de polvo, generalmente no se requieren estructuras de soporte porque el polvo suelto soporta elementos colgantes y objetos apilados o suspendidos. La eliminación de las 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, la eliminación del 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, como ocurre con la estereolitografía , se deben incluir en el diseño 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 el "escalonamiento" y las propiedades dimensionales asimétricas son características de la impresión 3D como la mayoría de los otros 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 a la rasterización de capas en las resoluciones de destino, un proceso rápido que puede adaptarse a la intersección de sólidos 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 [ 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.
Limitaciones
Las piezas impresas mediante el proceso de inyección de aglomerante 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 están unidos por un agente aglutinante. Si bien el uso de un agente aglutinante permite que los materiales de alta temperatura de fusión (por ejemplo, cerámica) y los materiales sensibles al calor (por ejemplo, polímero) se pulvericen y se utilicen para la fabricación aditiva, las piezas de inyección de aglutinantes requieren un procesamiento posterior adicional que puede requerir más tiempo del necesario. para imprimir la pieza, como curado, sinterizado 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 se deja caer 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 de aditivos (que utilizan altas temperaturas para fundir y fusionar los polvos), el "chorro" de aglutinante que se deja caer sobre el lecho puede causar grandes aglomerados de polvo semi-adherido. ser expulsado de la superficie, dejando atrás zonas de agotamiento del subsuelo (para el polvo SS316 de 30 μm, se observó una profundidad de la zona de agotamiento de 56 ± 12 μm). El crecimiento de las zonas de agotamiento a medida que se depositan las capas posteriores de polvo impreso puede tener ramificaciones importantes en la calidad de las piezas impresas con aglutinante. Los aglomerados expulsados aterrizan en otras regiones del lecho, lo que hace que la superficie del lecho se vuelva menos uniforme, que las dimensiones de la parte final estén deformadas e inexactas y que se formen grandes poros subsuperficiales. Los defectos residuales y la tensión también pueden estar presentes en todas partes, 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 en la industria aeroespacial, ya que las piezas de inyección de 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]
Ver también
- Impresión 3d
- Lista de modelos de prueba 3D comunes
- Mercado de impresión 3D
- Impresión volumétrica
Referencias
- ^ "ISO / ASTM52900 - 15 Terminología estándar para fabricación aditiva - Principios generales - Terminología" . ASTM International. 2015 . Consultado el 24 de enero de 2019 .
- ^ "Acuerdo de licencia de patente exclusiva enmendado y reformulado" . www.sec.gov . Consultado el 24 de junio de 2019 .
- ^ "3D Systems completa la adquisición de Z Corp y Vidar" . Sistemas 3D . Consultado el 24 de junio de 2019 .
- ^ "Acuerdo de licencia de patente exclusiva enmendado y reformulado" . www.sec.gov . Consultado el 24 de junio de 2019 .
- ^ "Las impresoras producen copias en 3D" . BBC News . 6 de agosto de 2003 . Consultado el 31 de octubre de 2008 .
- ^ Grimm, Todd (2004). Guía del usuario para la creación rápida de prototipos . PYME. pag. 163. ISBN 978-0-87263-697-2. Consultado el 31 de octubre de 2008 .
- ^ Sclater, Neil; Nicholas P. Chironis (2001). Libro de consulta sobre mecanismos y dispositivos mecánicos . Profesional de McGraw-Hill. pag. 472. ISBN 978-0-07-136169-9. Consultado el 31 de octubre de 2008 .
- ^ "Polvo de impresora 3D reforzado Graphenite ™ Graphene ™ - 30 libras" . Impresoras 3D nobles . Consultado el 28 de abril de 2018 .
- ^ "Mejor impresora 3D industrial de alta resolución - Fusion3 F410" .
- ^ Gokuldoss, Prashanth Konda; Kolla, Sri; Eckert, Jürgen (junio de 2017). "Procesos de fabricación aditiva: fusión selectiva por láser, fusión por haz de electrones y inyección de aglutinante: directrices de selección" . Materiales . 9 (6): 2–3. Bibcode : 2017Mate ... 10..672G . doi : 10.3390 / ma10060672 . PMC 5554053 . PMID 28773031 .
- ^ Parab, Niranjan D .; Barnes, John E .; Zhao, Cang; Cunningham, Ross W. Cunningham; Fezzaa, Kamel; Rollett, Anthony D .; Sun, Tao (febrero de 2019). "Observación en tiempo real del proceso de impresión por chorro de aglutinante" . Informes científicos . 9 (1): 5–6. doi : 10.1038 / s41598-019-38862-7 . PMC 6385361 . PMID 30792454 .
- ^ "Todo lo que necesita saber sobre la inyección de aglutinante metálico" . Fabricación autónoma . 2018 . Consultado el 10 de marzo de 2019 .