Cómo funciona una impresora 3D y para qué se utiliza

La impresión 3D, también conocida como fabricación aditiva, se define como un proceso en el que se utiliza un archivo digital para crear un objeto sólido tridimensional. En el proceso de impresión 3D, la 'impresora' coloca capas secuenciales de material hasta que se completa la creación del objeto. Este artículo cubre el funcionamiento, el software y las aplicaciones de la impresión 3D.

La impresión 3D, también conocida como fabricación aditiva, es un proceso en el que se utiliza un archivo digital para crear un objeto sólido tridimensional. En el proceso de impresión 3D, la 'impresora 3D' coloca capas secuenciales de material hasta que se completa la creación del objeto.

Los objetos impresos en 3D se crean a través de un proceso aditivo, donde la impresora coloca capa tras capa de material hasta que se 'imprime' el objeto deseado. Cada capa se puede considerar una sección transversal finamente cortada del elemento impreso. Con la impresión 3D, los usuarios pueden producir formas complicadas sin consumir tanto material como requieren los métodos de fabricación tradicionales.

El estilo de operación de la impresión 3D es lo opuesto a la 'fabricación sustractiva', donde el material se corta o se ahueca utilizando equipos como una fresadora. Por el contrario, la fabricación aditiva no necesita un molde o bloque de material para crear objetos físicos. En cambio, apila capas de material y las fusiona.

La impresión 3D ofrece una rápida creación de productos, bajos gastos para la infraestructura fija inicial y la capacidad de crear geometrías complicadas utilizando varios tipos de materiales, algo que las soluciones de fabricación tradicionales podrían no ser capaces de hacer de manera tan eficiente.

Generalmente asociada con la cultura Hágalo usted mismo (DIY) de aficionados y aficionados, la impresión 3D ha crecido para incluir aplicaciones comerciales e industriales. Por ejemplo, los ingenieros de hoy en día suelen utilizar impresoras 3D para crear prototipos y crear objetos geométricos ligeros.

Los orígenes de la impresión 3D se encuentran en la "creación rápida de prototipos". Cuando la tecnología base se inventó por primera vez en la década de 1980, se usó el término para describirla porque, en ese momento, la impresión 3D solo era adecuada para crear prototipos en lugar de componentes de producción. De hecho, la intención original de su creación fue simplemente acelerar el desarrollo de nuevos productos a través de prototipos rápidos.

Curiosamente, la tecnología no despertó mucho interés cuando se introdujo por primera vez. En 1981, el japonés Hideo Kodama presentó la primera patente de una máquina que aprovechaba la luz ultravioleta para curar fotopolímeros. Tres años más tarde, los inventores franceses Olivier de Witte, Jean Claude André y Alain Le Mehaute presentaron conjuntamente una patente para una tecnología similar. Ambas patentes fueron abandonadas y General Electric dijo que "la última carecía de un potencial comercial notable".

Fue en 1984 cuando el inventor estadounidense Charles Hull presentó una patente para un 'Aparato para la producción de objetos tridimensionales por estereolitografía'. Inventó el archivo STL y fundó 3D Systems tres años después, en 1987.

En la misma década, se lograron avances significativos en el espacio de impresión 3D de EE. UU., con patentes presentadas para la sinterización selectiva por láser (SLS) y el modelado por deposición fundida (FDM). Desktop Manufacturing (DTM) Corp. y Stratasys fueron empresas pioneras en el espacio de impresión 3D, fundadas casi al mismo tiempo.

Después de eso, la industria se transformó a medida que la rápida comercialización se apoderó de ella. Las primeras 'impresoras 3D' eran grandes y costosas, y sus fabricantes competían por conseguir contratos para la creación de prototipos industriales con fabricantes a gran escala de automóviles, bienes de consumo, productos sanitarios y aeroespaciales.

En 1987, 3D Systems presentó la primera impresora SLA de calidad comercial; en 1992, Stratasys y DTM lanzaron las primeras impresoras comerciales FDM y SLS, respectivamente. La primera impresora 3D de metal fue presentada en 1994 por Electro Optical Systems (EOS), una empresa alemana.

En los albores del nuevo milenio, las empresas del sector de la impresión 3D competían ferozmente por los beneficios. El progreso en la ciencia de los materiales y la caducidad de numerosas patentes aumentaron la asequibilidad de la impresión 3D.

Pronto, gracias a los avances logrados en el espacio de la impresión 3D, los procesos de fabricación dejaron de ser propiedad exclusiva de empresas respaldadas por maquinaria pesada y capital. Hoy en día, la impresión 3D se ha transformado en una solución de vanguardia para crear muchos tipos diferentes de componentes de producción.

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La norma ISO/ASTM 52900, relacionada con los principios y terminologías generales de la fabricación aditiva, clasifica los procesos de impresión 3D en siete grupos distintos. Cada tipo de impresión 3D funciona un poco diferente.

El tiempo necesario para imprimir un objeto 3D depende del tipo de impresión, el tamaño de salida, el tipo de material, la calidad deseada y la configuración de instalación. La impresión 3D puede llevar desde unos pocos minutos hasta unos pocos días.

Los diferentes tipos de impresión 3D son:

En la fusión de lecho de polvo (PBF), la energía térmica, en forma de haz de electrones o láser, fusiona selectivamente áreas específicas de un lecho de polvo para crear capas. Estas capas se construyen unas sobre otras hasta que se fabrica una pieza.

PBF puede incluir procesos de sinterización o fusión; sin embargo, el método de operación principal sigue siendo el mismo. En primer lugar, un rodillo o cuchilla de recubrimiento coloca una fina capa de polvo sobre la plataforma de construcción. A continuación, la superficie del lecho de polvo se escanea con una fuente de calor. Esta fuente aumenta selectivamente la temperatura de las partículas para unir áreas específicas.

Una vez que la fuente de calor escanea una sección transversal o capa, la plataforma desciende para permitir que el proceso se repita para la siguiente capa. El resultado final es un volumen con partes fusionadas, sin que el polvo circundante se vea afectado. Luego, la plataforma asciende para permitir la recuperación de la construcción completa. La fusión de lecho de polvo incluye varios métodos de impresión estándar, como la sinterización selectiva por láser (SLS) y la sinterización directa por láser de metal (DMLS).

SLS se aprovecha regularmente para fabricar piezas de polímero para prototipos y componentes funcionales. La impresión SLS se realiza con el lecho de polvo como única estructura de soporte. La falta de estructuras de soporte adicionales permite la creación de geometrías complejas. Sin embargo, las piezas producidas a menudo presentan porosidad interna y una superficie granulada y, por lo general, requieren un procesamiento posterior.

SLS es similar a la fusión selectiva por láser (SLM), la fusión por lecho de polvo por haz de electrones (EBPBF) y la sinterización directa por láser de metal (DMLS). Sin embargo, estos procesos se utilizan para crear piezas de metal y dependen de un láser para fusionar partículas de polvo, una capa a la vez.

DMLS aumenta la temperatura de las partículas solo hasta el punto de fusión, en el que se combinan a nivel molecular. Por otro lado, SLM funde completamente las partículas de metal. Ambas técnicas son intensivas en calor y por lo tanto requieren estructuras de soporte. Una vez finalizado el proceso, las estructuras de soporte se eliminan mediante mecanizado CNC o manualmente. Luego, las piezas se tratan térmicamente para abordar las tensiones residuales durante el procesamiento posterior.

Estas técnicas de impresión 3D de metal crean componentes con propiedades físicas de alta calidad, a veces incluso más resistentes que el metal base utilizado. El acabado de la superficie suele ser excelente también. En términos de material, estas técnicas pueden procesar superaleaciones metálicas y cerámicas que pueden ser difíciles de usar en otros procesos. Sin embargo, tanto DMLS como SLM son costosos y el volumen del sistema limita el tamaño de salida.

La fotopolimerización VAT se puede dividir en dos metodologías: procesamiento de luz digital (DLP) y estereolitografía (SLA). Ambos procesos crean componentes una capa a la vez mediante el uso de una fuente de luz para curar selectivamente el material líquido (generalmente resina) almacenado en un tanque.

DLP funciona al "parpadear" una imagen de cada capa completa en la superficie del líquido en la tina. Por otro lado, SLA se basa en una fuente UV de un solo punto o láser para curar el líquido. El exceso de resina debe limpiarse de la salida una vez que se completa la impresión, después de lo cual el artículo debe exponerse a la luz para mejorar aún más su resistencia. Las estructuras de soporte, si las hay, deberán eliminarse después del procesamiento, y se puede procesar más la pieza para crear un acabado de mayor calidad.

Estos métodos son los más adecuados para la salida que requiere precisión dimensional de alto nivel, ya que pueden crear elementos intrincadamente detallados con un acabado excelente. DLP y SLA son, por lo tanto, muy adecuados para la producción de prototipos.

Sin embargo, el resultado de estos métodos suele ser frágil, lo que los hace menos adecuados para prototipos funcionales. También es probable que el color y las propiedades mecánicas de estas piezas se degraden con la luz ultravioleta del sol, lo que las hace inadecuadas para uso en exteriores. Finalmente, las estructuras de soporte a menudo son necesarias y pueden dejar imperfecciones, que se pueden eliminar mediante el procesamiento posterior.

La inyección de aglutinante funciona depositando una fina capa de material en polvo, como arena polimérica, cerámica o metal, sobre la plataforma de construcción. Después de esto, un cabezal de impresión deposita gotas adhesivas para unir estas partículas. Por lo tanto, la pieza se construye capa por capa.

Las piezas metálicas deben estar sinterizadas térmicamente o infiltradas con un metal que tenga un punto de fusión bajo, como el bronce. Las piezas de cerámica o de polímero a todo color se pueden saturar con un adhesivo de cianoacrilato. Por lo general, se requiere un procesamiento posterior para finalizar la salida.

La inyección de aglomerante tiene numerosas aplicaciones, incluidos moldes cerámicos a gran escala, prototipos a todo color e impresión 3D de metal.

La inyección de material es conceptualmente similar a la impresión por inyección de tinta. Sin embargo, en lugar de insertar tinta en el papel, utiliza uno o más cabezales de impresión para depositar capas de material líquido. Cada capa se cura antes de que se produzca la siguiente capa. Si bien la inyección de material se basa en estructuras de soporte, se pueden crear utilizando una sustancia soluble en agua que se puede lavar una vez que se completa el edificio.

Este proceso de alta precisión es muy adecuado para crear piezas a todo color utilizando diferentes tipos de materiales. Sin embargo, es costoso y la producción tiende a ser frágil y degradable.

En el modelado por deposición fundida (FDM), se usa una boquilla calentada para alimentar un carrete de filamento a un cabezal de extrusión. El cabezal de extrusión aumenta la temperatura del material, ablandándolo antes de colocarlo en áreas predeterminadas para que se enfríe. Una vez que se crea una capa de material, la plataforma de construcción desciende y se prepara para colocar la siguiente capa.

Este proceso, también conocido como extrusión de material, presenta plazos de entrega cortos y es rentable. Sin embargo, su precisión dimensional es baja y un acabado suave a menudo requiere un procesamiento posterior. La salida tampoco es adecuada para aplicaciones críticas, ya que tiende a ser anisotrópica, es decir, más débil en una dirección.

La laminación de láminas se puede clasificar en dos tecnologías: fabricación aditiva ultrasónica (UAM) y fabricación de objetos laminados (LOM). UAM tiene un bajo requerimiento de energía y temperatura y funciona uniendo láminas delgadas de metal mediante soldadura ultrasónica. Funciona con varios metales, incluidos acero inoxidable, titanio y aluminio. Por otro lado, LOM coloca capas de material y adhesivo alternativamente para crear el resultado final.

Esta técnica utiliza un láser, un arco eléctrico, un haz de electrones u otra forma de energía térmica enfocada para fusionar la materia prima en polvo o alambre a medida que se coloca. El proceso se lleva a cabo horizontalmente para crear capas, que luego se apilan verticalmente para la creación de piezas. Es adecuado para diferentes tipos de materiales, incluyendo cerámica, polímeros y metales.

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El espacio de impresión 3D depende en gran medida del software, con programas necesarios para todo, desde diseñar la salida y dividirla en código G hasta controlar la impresora 3D. Echemos un vistazo al mejor software de impresión 3D en todas las aplicaciones.

Esta solución de MatterHackers es un host de impresora, rebanadora y software CAD todo en uno para computadoras de escritorio. Los usuarios pueden crear nuevos modelos en la sección CAD y cortarlos. Una vez que el modelo está listo para imprimir, MatterControl 2.0 se puede usar para monitorear y controlar directamente la impresión a través de una conexión USB o un módulo Wi-Fi.

El software cuenta con una interfaz intuitiva y permite a los usuarios explorar una colección de primitivas geométricas que los usuarios pueden importar a la impresión. Estas primitivas se pueden arrastrar a su posición en el archivo de lenguaje triangular estándar (STL) para imprimirlas y designarlas como estructuras de soporte.

MatterControl también brinda a los usuarios acceso a configuraciones de impresión avanzadas, lo que lo hace ideal para el diseño de extremo a extremo, la preparación de soportes, el corte y el control. Los usuarios empresariales pueden actualizar a MatterControl Pro para obtener funciones aún más valiosas.

Esta solución gratuita basada en navegador permite a los usuarios diseñar modelos 3D imprimibles y proporciona un punto de partida para practicar el modelado sólido. Su función de construcción de bloques fácil de usar permite a los usuarios formar modelos utilizando formas básicas.

Tinkercad tiene numerosas guías y tutoriales para ayudar a los usuarios a crear los diseños deseados, que luego se pueden exportar o compartir fácilmente. Su biblioteca brinda a los usuarios acceso a millones de archivos, lo que les permite encontrar y modificar la forma requerida. Finalmente, cuenta con integración directa con servicios de impresión de terceros.

Esta herramienta gratuita de código abierto es adecuada tanto para principiantes como para usuarios avanzados. Tiene muchas funciones y se puede usar para modelar y esculpir en 3D, así como para animación, renderizado, simulación, edición de video y seguimiento de movimiento. Sin embargo, tiene una curva de aprendizaje empinada.

Esta solución de código abierto es un conjunto completo de impresión de resina, un excelente visor de archivos y está optimizado para la reparación y manipulación de capas para SLA enmascarado. Es compatible con PrusaSlicer, lo que brinda a los usuarios acceso a numerosos perfiles de impresora MSLA de terceros.

El control de motor de doble etapa (TSMC) es una característica crucial de UVTools, que permite velocidades de impresión escalonadas para diferentes partes de movimiento para cada capa. Esto reduce el tiempo de impresión y aumenta la probabilidad de éxito de la impresión.

Finalmente, UVTools permite a los usuarios crear una impresión de calibración de tiempo de curado de capa de resina personalizada para probar nuevas resinas y establecer la configuración adecuada para diferentes alturas de capa.

Esta solución basada en navegador se puede usar para obtener una vista previa del código G sin tener que abrir el archivo en una cortadora de capacidad completa. Los usuarios simplemente necesitan cargar el archivo de código G y WebPrinter mostrará la ruta de la herramienta que el archivo transmitirá a la impresora 3D. Es un método rápido y simple para ver una posible salida de impresión 3D.

Esta cortadora de código abierto es compatible con la mayoría de las impresoras 3D modernas. Cura es ideal para principiantes, ya que es fácil de usar, rápido e intuitivo. Por otro lado, los usuarios avanzados pueden aprovecharlo para acceder a 200 configuraciones para refinar las impresiones.

Simplify3D es una poderosa herramienta de corte para mejorar la calidad de impresión 3D. Divide el CAD en capas, corrige los problemas del modelo y muestra una vista previa del usuario del resultado final. Sus características premium son útiles para las impresoras 3D de uso intensivo de la empresa.

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Aunque la impresión 3D no es un invento reciente, ha ganado una inmensa popularidad en los últimos tiempos en todas las industrias debido a su nueva simplicidad, eficiencia y rentabilidad.

Las principales aplicaciones de la impresión 3D son:

La construcción es una de las aplicaciones importantes de la impresión 3D. La impresión 3D de hormigón se ha explorado desde la década de 1990 cuando los investigadores buscaban una forma más rápida y económica de construir estructuras. Las aplicaciones específicas de la impresión 3D en la construcción incluyen soldadura aditiva, unión en polvo (unión reactiva, unión polimérica, sinterización) y extrusión (espuma, cera, cemento/hormigón, polímeros).

Hoy en día, las impresoras 3D a gran escala diseñadas para imprimir hormigón se utilizan para verter los cimientos y erigir las paredes del sitio. También son capaces de imprimir secciones modulares de hormigón para su montaje en obra. Estas soluciones permiten una mayor precisión, más complejidad, una construcción más rápida y una mejor integración funcional al tiempo que reducen los costos de mano de obra y minimizan el desperdicio.

En 2016 se imprimió en 3D en España el primer puente peatonal (12 metros de largo, 1,75 metros de ancho) utilizando hormigón micro-reforzado. Un año después, se construyó en Rusia la primera residencia totalmente impresa en 3D. Se imprimieron y ensamblaron 600 elementos de pared en 3D, después de lo cual se crearon el techo y los interiores para un área total de casi 300 metros cuadrados.

La impresión 3D también es útil para producir modelos a escala arquitectónica. Incluso se está explorando como una solución para construir hábitats extraterrestres en la Luna o Marte, en caso de que surja la necesidad.

En el caso de la creación tradicional de prototipos moldeados por inyección, puede llevar semanas producir un solo molde que costaría hasta cientos de miles de dólares. Como se estableció anteriormente en el artículo, el propósito original de la impresión 3D era la creación de prototipos más rápida y eficiente.

La tecnología de impresión 3D minimiza los plazos de entrega en la fabricación, lo que permite completar la creación de prototipos en unas pocas horas y con un pequeño porcentaje de los costos tradicionales. Esto lo hace especialmente ideal para proyectos en los que los usuarios deben actualizar el diseño con cada iteración.

La impresión 3D también es adecuada para la fabricación de productos que no necesitan ser producidos en masa o que generalmente se personalizan. SLS y DMLS se utilizan en la fabricación rápida de productos finales, no solo de prototipos.

En el cuidado de la salud, la impresión 3D crea prototipos para el desarrollo de nuevos productos en los campos médico y dental. En odontología, la impresión 3D también es útil para crear patrones para fundir coronas dentales de metal y fabricar herramientas para crear alineadores dentales.

La solución también es útil para fabricar directamente implantes de rodilla y cadera y otros artículos en stock y crear artículos específicos para el paciente, como prótesis personalizadas, audífonos y plantillas ortopédicas. Se está explorando la posibilidad de guías quirúrgicas impresas en 3D para operaciones particulares y huesos, piel, tejidos, órganos y productos farmacéuticos impresos en 3D.

En la industria aeroespacial, la impresión 3D se utiliza para la creación de prototipos y el desarrollo de productos. La solución también es de gran ayuda en el desarrollo de aeronaves, ya que ayuda a los investigadores a mantenerse al día con los exigentes requisitos de I+D sin comprometer los altos estándares de la industria. ¡Ciertos componentes de aeronaves no críticos o más antiguos se imprimen en 3D para el vuelo!

Las empresas automotrices, especialmente las que se especializan en carreras de automóviles, como las que se usan en la F1, aprovechan la impresión 3D para crear prototipos y fabricar componentes específicos. Las organizaciones en este espacio también están explorando la posibilidad de utilizar la impresión 3D para satisfacer la demanda del mercado de repuestos mediante la producción de piezas de repuesto según las necesidades de los clientes en lugar de almacenarlas.

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El término 'impresión 3D' abarca numerosas tecnologías y procesos que, en conjunto, ofrecen una amplia gama de capacidades para producir componentes utilizando diversos materiales. La similitud clave entre los tipos de impresión 3D es el proceso de producción aditivo capa por capa en el que no se requiere una metodología sustractiva, moldeo o fundición. Las aplicaciones de la impresión 3D están surgiendo rápidamente en los sectores verticales de la industria a medida que la solución se vuelve más eficaz y asequible y penetra profunda y ampliamente en todos los sectores.

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Escritor técnico