La
impresión 3D está a la orden del día desde hace tiempo en la prensa, en los
telediarios, noticias sobre lo maravillosa que es y lo que es capaz de hacer;
pero ¿qué es y para qué sirve?
Vamos
a empezar definiendo qué significa eso de impresión 3D, es una técnica por la
cual mediante la adición de un material, capa a capa, somos capaces de
construir objetos tridimensionales. Es un proceso de adición de materiales
sobre una superficie, de manera que diseñando un modelo por ordenador y que
automáticamente se divide gracias al programa informático en capas que la
impresora es capaz de depositar dando la forma deseada al objeto. Este
procedimiento de trabajo nace a finales de la década de los 80, pero lo costoso
del equipamiento redujo su ámbito de trabajo a los profesionales. En 1990, en
la Universidad de Texas en Austin (EE.UU.), se llevó a cabo el primer simposio
relacionado con las disciplinas y subdisciplinas de fabricación de “Solid
Freeform Fabrication”, antigua denominación de lo que actualmente conocemos
como impresión 3D. Hoy en día
existe una expansión de las nuevas tecnologías 3D porque las patentes de
impresión de “Fused Deposition Modeling” (FDM), donde los objetos se construyen
capa por capa con plástico fundido extruido, han expirado. Además, las nuevas tecnologías
de impresión 3D están teniendo el beneficio del uso de código abierto y del
libre intercambio de archivos digitales a través de Internet.
Las
tecnologías de impresión 3D se pueden dividir según el procedimiento y los
materiales utilizados en la construcción del objeto. Algunas de estas
tecnologías están resumidas en la tabla inferior y explicadas con más detalle
posteriormente:
Técnica
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Detalles del proceso
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Ventajas
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Modelado
por deposición fundida
Fused deposition modeling (FDM)
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Hilo de polímeros termoplásticos o
composites polímeros/cerámicos son extruido a través de un cabezal caliente y
depositados capa a capa
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Fácil de usar y puede ser utilizado
con una gran variedad de materiales
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Impresora
de polvo con cabezal inkjet
Powder bed and inkjet head 3D printing
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Emplea la tecnología de impresión de
inyección de tinta para el procesamiento de materiales en polvo, capa a capa.
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Pueden ser fabricados objetos sólidos
y porosos
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Estereolitografía
Stereolithography (SLA)
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El polímero fotosensible solidifica en
el punto focal, y el polímero no-expuesto permanece líquido.
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Permite fabricar diseños simples y
complejos. Mayor resolución.
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Sinterizado
selectivo por láser
Selective laser sintering (SLS)
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Se utiliza un láser para la
sinterización de material en polvo (normalmente metal), con el objetivo del
láser centrado en los puntos del espacio definido por el modelo 3D, el
material de unión se une para crear la estructura sólida deseada.
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No requiere una estructura soporte
debido al hecho de que la parte construida está rodeada de polvo sin
sinterizar y permite la construcción de geometrías complicadas
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Manufactura
de objetos laminados
Laminated object manufacturing (LOM)
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Capas de papel, plástico o laminados
de metal recubiertas de adhesivo se pegan sucesivamente juntas y se cortan con
la forma deseada mediante cuchilla o láser.
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Bajo coste, debido a la facilidad de obtener
los materiales con los que se trabaja
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Modelado por difusión fundida
Es
la técnica de impresión 3D más común: crea objetos complejos a partir de
plástico fundido que es extruido a través de un cabezal a alta temperatura (más
de 200ºC). El filamento termoplástico se enrolla en una bobina y desenrollado
para agregar el material a la boquilla de extrusión, mientras que el cabezal o
el objeto (o ambos) se mueven a lo largo de tres ejes (el cabezal a XY y la
plataforma de fabricación en Z) por un ordenador que controla el proceso, el material
se solidifica inmediatamente después de la extrusión. El cabezal contiene
calentadores resistivos que mantienen el plástico a una temperatura justo por
encima de su punto de fusión para que fluya fácilmente a través de él y formar
la capa. El espesor de la capa y la precisión dimensional vertical se determina
por el diámetro boquilla del extrusor. En el plano XY, una resolución máxima de
~100 µm es posible. El esquema de una impresora FDM se muestra en la siguiente
imagen (donde 1 es el cabezal que funde el material, 2 es el material
depositado y 3 es la plataforma de construcción). Los termoplásticos más
comunes utilizados con esta técnica son PLA y ABS.
Impresora de polvo con cabezal inkjet
Utilizando
la tecnología inkjet, como la que tenemos en los cartuchos de la impresora de
casa, se deposita un pegamento gota a
gota sobre un lecho de polvo, una capa cada vez; este proceso se repite hasta
que cada capa conforma el objeto deseado. A medida que el pegamento se
solidifica, se crea una geometría sólida. El proceso se esquematiza en la imagen
de abajo y funciona de la siguiente manera: el cabezal inkjet deposita el
pegamento sobre la capa superior de un lecho de polvo (cámara de construcción),
se pueden mover en la dirección XY. Las partículas de polvo se unen en las
zonas donde se deposita el pegamento. Una vez que se completa la capa, el pistón
se mueve hacia abajo (dirección Z) en una distancia equivalente al espesor de
una capa (~ 100µm). El sistema de depósitos de polvo permite volver a llenar el
lecho de polvo gracias a la colocación del polvo, la difusión y la compresión
con un rodillo sobre la superficie de la cámara de construcción. El proceso se
repite hasta que todo el objeto se completa dentro de la cámara de
construcción. Después de completar el objeto, la plataforma de la cámara de
construcción es elevada y el polvo sobrante se elimina con un sistema de vacío,
reciclado y almacenado en el sistema de suministro de polvo para impresiones
futuras.
Estereolitografía
La estereolitografía es un proceso de fabricación con
aditivos, que utiliza una cuba llena de un fotopolímero o resina, que es un
líquido fotosensible (sensible a una determinada luz y reacciona al entrar en
contacto con ella); y un láser ultravioleta; que fabrica capa a capa el objeto
cada vez que el láser irradia. El rayo láser traza una sección transversal del
diseño deseado sobre la superficie de la resina líquida para la impresión de
cada capa. La exposición a luz ultravioleta cura la resina y solidifica el patrón trazado en ella y se une
a la capa inmediatamente inferior de abajo hacia arriba o viceversa. Después de
la impresión de cada capa, la plataforma del elevador del equipo eleva por una
distancia igual al espesor de una sola capa, esta técnica permite fabricar
capas de 200 µm a 25 µm. Esto significa que, la resolución del objeto es muy
elevada. A continuación, la plataforma de construcción sube (o baja) para
seguir curando capa a capa la resina fresca que rodea la pieza que se está
construyendo, pero solo por donde pasa el láser. Después de ser construido, las
piezas se sumergen en una solución de alcohol isopropílico con el fin de
limpiar el exceso de resina no curada y típicamente son posteriormente curados
en un horno ultravioleta. En la imagen de abajo se puede ver el esquema de una
impresora típica, donde el láser está arriba y se construye de arriba hacia
abajo el objeto deseado.
Sinterizado selectivo por láser
Este
método de adición es similar al de polvo cerámico que hemos visto más arriba,
porque se usa un material en polvo como es el metal (también puede ser un
polímero) y hay un “pegamento” que viene desde arriba y
une las capas del metal para obtener el objeto deseado. Esta vez se usa un
láser para fundir el metal y el pistón de fabricación se va moviendo en el eje
Z para permitir la construcción. Obviamente, permite obtener objetos mucho más
duros que con las técnicas previamente explicadas. En la imagen de abajo se
puede ver un esquema de la técnica de sinterizado selectivo por láser.
Manufactura de objetos laminados
Esta tecnología se caracteriza
por la facilidad de obtener objetos y lo barata que es comparada con el resto,
pero también por la poca precisión que presenta. Consiste en recortar (ya sea
con láser o cuchillas metálicas), las secciones transversales del objeto
deseado. El material a cortar (papel u otro) se desenrolla de una bobina que
previamente ha sido calentada para que se fije mediante un adhesivo a la capa
siguiente. Una vez las capas están superpuestas se cortan. En la imagen
inferior se puede ver un esquema de la manufactura de objetos laminados, donde:
(1) bobina de material a recortar; (2) rodillos para aumentar la temperatura; (3)
haz láser para cortar; (4) prisma direccional para dirigir el haz; (5) unidad
que genera el láser; (6) capas cortadas; (7) Plataforma de construcción que se
mueve en el eje Z; y (8) restos de recortes de material.
Conclusiones
El abanico de posibilidades que han abierto estas
tecnologías a la hora de fabricar objetos con un precio más reducido que con
procedimientos anteriores, ha permitido que la impresión 3D haya evolucionado
desde un laboratorio, con un equipamiento costoso, a la mesa de una casa, donde
uno puede fabricarse los objetos que desee (mientras tenga el modelo). Y
además, estos utensilios: herramientas, prótesis, juguetes, piezas de
engranajes, joyas, etc., han llegado a un número mayor de gente por lo que he
comentado al principio, la velocidad a la que ha crecido la impresión 3D ha
sido, en parte, por el uso del código abierto y la expiración de la patente.
Entramos en una era en la que cada uno podrá diseñar un objeto e imprimirlo a
su antojo.
