Impresión 3D

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Progresión de una impresión 3D en una impresora FDM. El tiempo total de impresión de la esfera fue de 30 minutos, pero en la grabación ha sido editado y acortado.

La impresión 3D es un grupo de tecnologías de fabricación por adición donde un objeto tridimensional es creado mediante la superposición de capas sucesivas de material.[1] Las impresoras 3D son por lo general más rápidas, más baratas y más fáciles de usar que otras tecnologías de fabricación por adición, aunque como cualquier proceso industrial, estarán sometidas a un compromiso entre su precio de adquisición y la tolerancia en las medidas de los objetos producidos. Las impresoras 3D ofrecen a los desarrolladores de producto, la capacidad para imprimir partes y montajes hechas de diferentes materiales con diferentes propiedades físicas y mecánicas, a menudo con un simple proceso de montaje. Las tecnologías avanzadas de impresión 3D, pueden incluso ofrecer modelos que pueden servir como prototipos de producto. 

Desde 2003 ha habido un gran crecimiento en la venta de impresoras 3D. De manera inversa, el coste de las mismas se ha reducido.[2] Esta tecnología también encuentra uso en los campos tales como joyería, calzado, diseño industrial, arquitectura, ingeniería y construcción, automoción y sector aeroespacial, industrias médicas, educación, sistemas de información geográfica, ingeniería civil y muchos otros.

Principios generales[editar]

El aditivo de fabricación se lleva a planos virtuales de diseño asistido por ordenador(CAD) o el software de modelado y animación, se encuentran en secciones digitales para la máquina para utilizar sucesivamente como una guía para la impresión. Dependiendo de la máquina que se utiliza, el material o un material de unión se deposita sobre el lecho de construcción o de la plataforma hasta que el material de estratificación / aglutinante es completa y el modelo 3D final ha sido "impreso". Una interfaz estándar de datos entre el software CAD y de las máquinas es el formato de archivo STL. Un archivo STL se aproxima a la forma de una pieza o un ensamblaje utilizando facetas triangulares. Facetas más pequeñas producen una superficie de mayor calidad. CAPA es un formato de archivo de entrada analizador generado, y VRML (WRL) o archivos a menudo se utilizan como entrada para las tecnologías de impresión 3D que son capaces de imprimir a todo color.

Métodos[editar]

Un gran número de tecnologías en competencia están disponibles para la impresión 3D[3] ; sus principales diferencias se encuentran en la forma en la que las diferentes capas son usadas para crear piezas. Algunos métodos usan fundido o ablandamiento del material para producir las capas, por ejemplo sinterizado de láser selectivo (SLS) y modelado por deposición fundida (FDM), mientras que otros depositan materiales líquidos que son curados con diferentes tecnologías. En el caso de manufactura de objetos laminados, delgadas capas son cortadas para ser moldeadas y unidas juntas.

Cada método tiene sus propias ventajas e inconvenientes; por ello, algunas compañías ofrecen elegir entre polvos y polímero como material de fabricación de la pieza según sean las prioridades del cliente.[4] Generalmente las consideraciones principales son velocidad, coste del prototipo impreso, coste de la impresora 3D, elección y coste de materiales, así como capacidad para elegir el color.[5]

Tipo Tecnologías Materiales
Extrusión Modelado por deposición fundida (FDM) Termoplásticos (por ejemplo PLA, ABS), HDPE, metales eutécticos, materiales comestibles
Hilado Fabricación por haz de electrones (EBF3) Casi cualquier aleación
Granulado Sinterizado directo de metal por láser (DMLS) Casi cualquier aleación
Fusión por haz de electrones (EBM) Aleaciones de titanio
Sinterizado selectivo por calor (SHS) Polvo termoplástico
Sinterizado selectivo por láser (SLS) Termoplásticos, polvos metálicos, polvos cerámicos
Proyección aglutinante (DSPC) Yeso
Laminado Laminado de capas (LOM) Papel, papel de aluminio, capa de plástico
Fotoquímicos Estereolitografía (SLA) fotopolímero
Fotopolimerización por luz ultravioleta (SGC) fotopolímero

Impresión por inyección[editar]

Un método de impresión 3D consiste en el sistema de impresión por inyección. La impresora crea el modelo de capa en capa esparciendo una capa de polvo (plástico o resinas) e inyecta un coaligante por inyección en la sección de la pieza. El proceso es repetido hasta que todas las capas han sido impresas. Esta tecnología es la única que permite la impresión de prototipos a todo color, permitiendo, además, extraplanos o salientes.

Modelado por deposición de fundente[editar]

El modelado por deposición de fundente, una tecnología desarrollada por Stratasys[6] que es usada en prototipado rápido tradicional, usa una tobera para depositar polímero fundido sobre una estructura soporte, capa a capa. Otro enfoque es fundir de manera selectiva el medio de impresión sobre una base granular. En esta variación el medio no fundido sirve de soporte para los resaltes y paredes delgadas de la pieza a producir, reduciendo así la necesidad de soportes auxiliares temporales. Típicamente un láser es usado para sinterizar el medio y formar el sólido. Ejemplos de esto son el sinterizado selectivo por láser y el sinterizado directo de metal por láser (DMLS) usando metales. Una última variación consiste en usar una resina sintética que se solidifica usando la luz de LEDs.[7]

Fotopolimerización[editar]

Estereolitografía

La tecnología SLA utiliza resinas líquidas fotopoliméricas que se solidifican cuando son expuestas a la luz emitida por un láser ultravioleta. De esta forma se van creando capas superpuestas de resina sólida que van creando el objeto.

Fotopolimerización por luz ultravioleta

En la fotopolimerización por luz ultravioleta, SGC, un recipiente de polímero líquido es expuesto a la luz de un proyector DLP bajo condiciones controladas. El polímero líquido expuesto endurece; la placa de montaje se mueve hacia abajo en incrementos pequeños y el polímero es expuesto de nuevo a la luz. El proceso se repite hasta que el modelo es construido. El polímero líquido restante es entonces extraído del recipiente, dejando únicamente el modelo sólido. El ZBuilder Ultra es un ejemplo de sistema DLP de prototipado rápido.

Fotopolimerización por absorción de fotones

Características ultra pequeñas pueden ser conseguidas a través de la técnica de la microfabricación 3D, mediante el mecanismo de fotopolimerización por absorción de fotones. En esta variación, el objeto 3D deseado es trazado en un bloque de gel con un láser. El gel es curado y se solidifica sólo en los lugares en donde el láser es enfocado debido a la nolinealidad óptica de la fotoexcitación; después de la etapa de láser, el gel restante es lavado. Esta técnica ofrece tamaños de menos de 100 nm siendo fácilmente fabricables tanto en estructuras complejas de partes móviles como en fijas.[8]

Impresión con hielo[editar]

Recientemente se han desarrollado técnicas que por medio de un enfriamiento controlado de agua tratada, son capaces de producir una auténtica impresión 3D con hielo como material.[9] Aunque es una tecnología en desarrollo y sus ventajas a largo plazo están aun por ver, el ahorro de material específico para llevar a cabo la impresión, independientemente del coste del proceso, parece una de ellas.[10] [11]

Kit de Impresora[editar]

Hay impresoras que se pueden montar desde un kit. A modo de ejemplo, la impresora Prusanstein tiene como base los siguientes elementos: [12]

Materiales[editar]

Los filamento vienen caracterizados por el diámetro (en milímetros), se venden generalmente en bobinas por peso (kg.) y son principalmente de los siguiente materiales:[13]

Acabados[editar]

A diferencia de la estereolitografía, la impresión 3D por inyección está optimizada para obtener velocidad, coste bajo y facilidad de uso, todo lo cual hace de ella una técnica muy útil para etapas tempranas de diseño en ingeniería. No son necesarios materiales químicos tóxicos como los usados en estereolitografía y mínimo trabajo de post-impresión es requerido para el acabado; la única necesidad es el soplado del polvo sobrante después del proceso de impresión, o la retirada de material de soporte en otras técnicas. Las impresiones de polvo coaligado pueden ser endurecidas en el futuro por cera, o por impregnación de polímeto termoplástico. Las piezas FDM pueden ser endurecidas mediante filtrado de otro metal en la pieza.

Resolución y tolerancia de impresión[editar]

Los conceptos de resolución y tolerancia de impresión aparecen a menudo mezclados, superpuestos e incluso intercambiados.[15] Algunos fabricantes prefieren usar un término que englobe a ambos conceptos, tal como precisión dimensional.[16]

Parece más razonable referir la resolución de una impresora 3D a la capacidad de posicionamiento o de discernimiento de distancias antes de la inyección o depósito de material, mientras que la tolerancia de impresión dependerá, además, del proceso de solidificación o de acabado. Una buena prueba de que pueden ser tomados como conceptos diferentes es que a menudo la tolerancia de impresión suele presentar valores más desfavorables que la resolución.[17] [18]

En cualquier caso, la resolución puede estar dada en espesor de capa, mientras que en el plano X-Y, puede estarlo por puntos por pulgada (ppp). El espesor típico de capa es del orden de 100 micras (0,1 mm), aunque algunas máquinas tales como el Objet Connex imprimen capas tan delgadas como 16 micras.[19] La resolución X-Y es comparable a la de las impresoras láser convencionales. En el caso de que el proceso las use, las partículas son del orden de 50 a 100 micras (0,05-0,1 mm) de diámetro.

La tolerancia final de pieza dependerá profundamente, además de la resolución antes descrita, de la tecnología y del material utilizados. Es uno de los parámetros más importantes en la elección de proceso de impresión y del dispositivo, ya que no sólo determinará la propia tolerancia dimensional de la pieza, sino si, en caso de espesores pequeños, dicha pieza es realizable o no.
El límite actual de tolerancia para dispositivos DIY o de bajo coste están en torno a 0,1 - 0,2 mm.[18]
Para trabajos de más demanda dimensional, algunos fabricantes son capaces de garantizar tolerancias del orden de las decenas de micras[20]

Aplicaciones[editar]

  • Generalidades

Aplicaciones típicas incluyen visualización de diseños, prototipado/CAD, arquitectura, educación, salud y entretenimiento. Otras aplicaciones pueden llegar a incluir reconstrucción de fósiles en paleontología, replicado de antigüedades o piezas de especial valor en arqueología y reconstrucción de huesos y partes del cuerpo en ciencia forense y patología.

  • Arte

Más recientemente el uso de las tecnologías de impresión 3D ha sido sugerido.[21] Artistas han usado impresoras 3D de diferentes maneras.[22] Durante el Festival de Diseño de Londres, un montaje, desarrollado por Murray Moss y dirigido a la impresión 3D tuvo lugar en el Museo de Victoria y Alberto. La instalación fue llamada Industrial Revolution 2.0: How the Material World will Newly Materialise.[23]

  • Biotecnología

La tecnología de impresión 3D está siendo actualmente estudiada en el ámbito de la biotecnología, tanto académico como comercial, para su posible uso en la ingeniería de tejidos, donde órganos y partes del cuerpo son construidas usando técnicas similares a la inyección de tinta en impresión convencional. Capas de células vivas son depositadas sobre un medio de gel y superpuestas una sobre otra para formar estructuras tridimensionales. Algunos términos han sido usados para denominar a este campo de investigación, tales como impresión de órganos, bio-impresión e ingeniería de tejidos asistida por computadora, entre otros.[24]

  • Arqueología

El uso de tecnologías de escaneo 3D, permite la réplica de objetos reales sin el uso de procesos de moldeo, que en muchos casos pueden ser más caros, más difíciles y demasiado invasivos para ser llevados a cabo; en particular, con reliquias de alto valor cultural[25] donde el contacto directo con sustancias de moldeo puede dañar la superficie del objeto original.

Uso doméstico[editar]

RepRap version 2.0 (Mendel).

Han existido diferentes esfuerzos, a veces relacionados entre sí, para desarrollar impresoras 3D adecuadas para su uso de "sobremesa" y conseguir que esta tecnología esté disponible a precios asumibles para el público. Gran cantidad de estos trabajos han sido dirigidos y enfocados hacia los entusiastas del DIY o las comunidades de 'early adopter', con conexiones ambos con el mundo académico y 'hacker'.[26]

  • RepRap

RepRap es un proyecto que intenta desarrollar una impresora 3D de código abierto gratuito FOSS, cuyas especificaciones completas son distribuidas bajo la Licencia General Pública GNU; esta impresora puede copiar algunas partes de sí misma. A noviembre de 2010 la RepRap puede únicamente imprimir sus partes plásticas. Desde entonces se está llevando a cabo un desarrollo para dotar al dispositivo de la capacidad de imprimir sus propias placas de circuitos también, así como sus piezas de metal.

  • Equipos

Los kits de impresoras también están disponibles. Existen kits Thing-O-Matic, Ultimaker, Shapercube, Mosaic, Prusa y Huxley.[27] Los precios de estos kits de impresoras varían desde los 500 USD por el Printrbot derivado de modelos previos de la RepRap,[28] hasta 1800 USD. El MakerBot es una impresora 3D de código abierto de MakerBot Industries.

Vendedores y servicios[editar]

  • Proveedores

Compañías tales como Objet Geometries, Voxeljet, Stratasys, 3D Systems, EOS GmbH, Membino GmbH son proveedores de impresoras industriales. Otras como ultimaker, makerbot, Asturbot o Velleman[29] proveen kits para crear tu propia impresora 3D. Además hay proveedores especializados en componentes para impresoras 3D, como ThingiBOX, reprapworld, BricoGeek o i3Dlc.

Una vez enviado el diseño 3D en el formato pedido, la compañía se hace cargo de la impresión y del envío de la pieza terminada al cliente.[30]

  • Otros servicios

Algunas compañías como Shapeways, Sculpteo, Ponoko o Cresilas desde 1993, ofrecen servicios de impresión 3D on-line, abiertos tanto a la industria como a clientes individuales.[31] Una vez enviado el diseño 3D en el formato pedido, la compañía se hace cargo de la impresión y del envío de la pieza terminada al cliente.[32]

Véase también[editar]

Referencias[editar]

  1. Ver animación de superposición de capas
  2. «Close-Up On Technology - 3D Printers Lead Growth of Rapid Prototyping - 08/04». Ptonline.com. Consultado el 2009-09-01.
  3. Noomag (ed.): «La impresión 3D, el braille del siglo XXI» (30 de octubre de 2014).
  4. «The World In 2008». Economist.com. 15-11-2007. Consultado el 01-09-2009. 
  5. «Factors to Consider When Choosing a 3D Printer». Consultado el 2009-09-01.
  6. Chee Kai Chua; Kah Fai Leong, Chu Sing Lim (2003). Rapid Prototyping. World Scientific. p. 124. ISBN 978-981-238-117-0. Consultado el 2008-10-31. 
  7. Printer using synthetic resin
  8. «Cheaper avenue to 65 nm?». EETimes.com. Consultado el 01-09-2009.
  9. http://www.shapeways.com/creator/icesculpturecreator
  10. http://www.3ders.org/articles/20120103-3d-ice-printer.html
  11. http://www.arch.mcgill.ca/prof/sijpkes/ice/
  12. Atrévete a crear tu propia impresora 3D
  13. [1]
  14. http://reprap.org/wiki/Laywoo-D3
  15. http://hackaday.com/2011/04/01/3d-printer-gets-a-big-resolution-improvement/
  16. http://www.shapeways.com/forum/index.php?t=msg&th=329
  17. http://www.printit-3d.com/0511-BFB3000-PLUS-WEB.pdf
  18. a b http://www.johnburn.co.uk/docs/datasheets/BFB3000_product_sheet%20JB_2011_web_version.pdf
  19. http://www.ops-uk.com/3d-printers/objet-connex
  20. http://www.scicontech.com/faq.html
  21. «Wall Street Journal» (PDF). Consultado el 01-09-2009.
  22. Séquin, C. H. 2005. Rapid prototyping: a 3d visualization tool takes on sculpture and mathematical forms. Commun. ACM 48, 6 (June 2005), 66-73. [2]
  23. Williams, Holly (28/08/2011). «Object lesson: How the world of decorative art is being revolutionised by 3D printing». The Independent. Consultado el 15 de noviembre de 2011. 
  24. «ABC News: 'Organ Printing' Could Drastically Change Medicine». Abcnews.go.com. Consultado el 01-09-2009.
  25. Paolo Cignoni, Roberto Scopigno (June 2008), «Sampled 3D models for CH applications: A viable and enabling new medium or just a technological exercise?» (PDF), Association for Computing Machinery (ACM) Journal on Computing and Cultural Heritage 1 (1): 1, doi:10.1145/1367080.1367082, http://vcg.isti.cnr.it/Publications/2008/CS08/. 
  26. Jon Kalish (28 de noviembre, 2010). «A Space For DIY People To Do Their Business». NPR.
  27. (en holandés)Kijk magazine. 6/2011. http://www.kijk.nl/magazine/kijk-6-2011/. 
  28. «Printrbot: Your First 3D Printer». Kickstarter.
  29. http://www.electronicapraga.com/velleman-k8200.html Velleman ha sacado al mercado su impresora 3D K8200.
  30. Vance, Ashlee (12 de enero de 2011). «The Wow Factor of 3-D Printing». New York Times. 
  31. https://archive.is/20130105073659/www.wired.com/beyond_the_beyond/2011/06/spime-watch-dassault-systemes%E2%80%99-3dvia-and-sculpteo/
  32. Vance, Ashlee (12 de enero de 2011). «The Wow Factor of 3-D Printing». New York Times. 

Bibliografía[editar]

  • Easton, Thomas A. (November 2008). «The 3D Trainwreck: How 3D Printing Will Shake Up Manufacturing». Analog 128 (11):  pp. 50–63. 
  • Wright, Paul K. (2001). 21st Century manufacturing. New Jersey: Prentice-Hall Inc.

Enlaces externos[editar]