¿Qué es la impresión 3D?
La impresión 3D también puede ser llamada fabricación aditiva, es el proceso de crear objetos sólidos y tridimensionales, utilizando como base un archivo/diseño digital. Este proceso aditivo consiste en la creación del objeto mediante capas sucesivas del material hasta que se logre concretar la estructura final. Cada una de esas capas se puede ver como una sección transversal horizontal seccionada del objeto final. La relevancia de este método de fabricación radica en la creación de formas complejas utilizando menos material que las formas tradicionales.
Se puede considerar como el opuesto directo a la fabricación sustractiva, en la que se toma un sólido que es cortado o ahuecado, por ejemplo, una máquina de fresado.
Indice del Artículo
Historia de Impresión 3D
El primer registro de impresión 3D a través del proceso aditivo fue por el inventor japonés Hideo Kodama en 1981. Creó un producto que utilizaba luces ultravioletas para endurecer polímeros y crear objetos sólidos. Este es un invento previo para la estereolitografía (SLA).
Charles Hull inventó la estereolitografía, un proceso similar a la impresión 3D que utiliza tecnología para crear versiones más pequeñas de objetos para que puedan probarse antes de gastar tiempo y dinero en crear el producto real. El objeto se imprime capa por capa, es sumergido con un solvente y se endurece con una luz ultravioleta. El proceso utiliza diseños asistidos por computadora (CAD) para crear los modelos 3D.
La sinterización selectiva por láser (SLS) es otra forma más avanzada de impresión 3D. Utiliza la fabricación aditiva y un polímero en polvo, típicamente nylon, para crear objetos. SLS utiliza un láser para fusionar el polvo, capa por capa, en formas más complejas de las que SLA es capaz de crear.
Fused Deposition Modeling (FDM), desarrollado por Scott Crump, es la forma más común de impresión 3D en la actualidad. Se conoce como las «impresoras 3D de escritorio» porque es la forma más utilizada de la tecnología. Para formar un objeto, la impresora calienta un cable de termoplástico en forma líquida y lo extruye capa por capa.
La impresión 3D en general ha cambiado y mejorado en los últimos treinta años. SLA, SLS y FDM muestran la historia de la impresión 3D y, por lo tanto, cómo se convirtió en una herramienta vital para la fabricación. Le permite hacer prácticamente cualquier cosa simplemente diseñando un archivo de computadora.
Tipos de impresión 3D
Tina de fotopolimerización
Una impresora 3D basada en el método de tina de fotopolimerización tiene un recipiente lleno de resina de fotopolímero que luego se endurece con una fuente de luz UV.
Estereolitografía
Esta tecnología emplea una tina de resina de fotopolímero curable por luz ultravioleta líquida y un láser ultravioleta para construir las capas del objeto de una en una. Para cada capa, el rayo láser traza una sección transversal del patrón de pieza en la superficie de la resina líquida. La exposición a la luz láser ultravioleta cura y solidifica el patrón trazado en la resina y lo une a la capa de abajo.
Una vez que se ha trazado el patrón, la plataforma del elevador del SLA desciende en una distancia igual al grosor de una sola capa, típicamente de 0.05 mm a 0.15 mm (0.002 ″ a 0.006 ″). Luego, una cuchilla llena de resina barre la sección transversal de la pieza y la reviste con material nuevo. En esta nueva superficie líquida, se traza el patrón de capa posterior, uniéndose a la capa anterior. El objeto tridimensional completo está formado por este proyecto. La estereolitografía requiere el uso de estructuras de soporte que sirvan para unir la pieza a la plataforma del elevador y sujetar el objeto porque flota en el recipiente lleno de resina líquida. Estos se eliminan manualmente una vez que el objeto está terminado.
Clip
Se refiere a la producción continua de interfaz líquida, el corazón del proceso CLIP es la tecnología Digital Light Synthesis. En esta tecnología, la luz de un motor de luz LED de alto rendimiento personalizado proyecta una secuencia de imágenes UV que expone una sección transversal de la parte impresa en 3D, lo que hace que la resina curable por UV se cure parcialmente de una manera controlada con precisión. El oxígeno pasa a través de la ventana permeable al oxígeno creando una delgada interfaz líquida de resina no curada entre la ventana y la parte impresa conocida como la zona muerta. La zona muerta es tan delgada como diez de micras. Dentro de la zona muerta, el oxígeno prohíbe que la luz cure la resina situada más cerca de la ventana, permitiendo así el flujo continuo de líquido debajo de la parte impresa. Justo encima de la zona muerta, la luz UV proyectada hacia arriba provoca una cascada como el curado de la pieza.
Simplemente imprimir solo con el hardware de carbón no permite las propiedades de uso final con aplicaciones del mundo real. Una vez que la luz ha moldeado la pieza, un segundo proceso de curado programable logra las propiedades mecánicas deseadas al hornear la pieza impresa en 3D en un baño o horno térmico. El curado térmico programado establece las propiedades mecánicas al desencadenar una reacción química secundaria que hace que el material se fortalezca logrando las propiedades finales deseadas.
Los componentes impresos con la tecnología carbón están a la par con las piezas moldeadas por inyección. La síntesis de luz digital produce propiedades mecánicas consistentes y predecibles, creando partes que son verdaderamente isotrópicas.
DLP
Digital Light Processing se refiere a un método de impresión que utiliza polímeros fotosensibles y ligeros. Si bien es muy similar a la estereolitografía, la diferencia clave es la fuente de luz. DLP utiliza fuentes de luz tradicionales como lámparas de arco.
En la mayoría de las formas de DLP, cada capa de la estructura deseada se proyecta sobre un tanque de resina líquida que luego se solidifica capa por capa a medida que la placa de construcción se mueve hacia arriba o hacia abajo. A medida que el proceso hace cada capa sucesivamente, es más rápido que la mayoría de las formas de impresión 3D.
FDM
Fuse Depositing Modeling, la tecnología funciona utilizando un filamento de plástico o un alambre de metal que se desenrolla de una bobina y suministra material a una boquilla de extrusión que puede activar y desactivar el flujo. La boquilla se calienta para fundir el material y se puede mover tanto en dirección horizontal como vertical mediante un mecanismo controlado numéricamente, controlado directamente por un paquete de software de fabricación asistida por computadora (CAM). El objeto se produce al extruir material fundido para formar capas a medida que el material se endurece inmediatamente después de la extrusión desde la boquilla. Esta tecnología se usa más ampliamente con dos tipos de filamentos de impresora 3D de plástico: ABS (acrilonitrilo butadieno estireno) y PLA (ácido poliláctico). Aunque hay muchos otros materiales disponibles que varían en propiedades, desde relleno de madera hasta materiales flexibles e incluso conductores.
Material Jetting
En este proceso, el material se aplica en gotas a través de una boquilla de diámetro pequeño, similar a la forma en que funciona una impresora de papel de inyección de tinta común, pero se aplica capa por capa a una plataforma de construcción que hace un objeto 3D y luego se endurece con luz UV.
Binder Jetting
Inyección de aglutinante, se utilizan dos materiales: material base en polvo y un aglutinante líquido. En la cámara de construcción, el polvo se extiende en capas iguales y el aglutinante se aplica a través de boquillas de chorro que «pegan» las partículas de polvo en la forma de un objeto 3D programado. El objeto terminado está «pegado» por los restos de aglutinante en el recipiente con el material base en polvo. Una vez finalizada la impresión, el polvo restante se limpia y se utiliza para imprimir en 3D el siguiente objeto. Esta tecnología se desarrolló por primera vez en el Instituto de Tecnología de Massachusetts en 1993 y en 1995 Z Corporation obtuvo una licencia exclusiva.
MJM
Multi Jet Fusion, esta tecnología es desarrollada por Hewlett Packard. La tecnología funciona así: un brazo de barrido deposita una capa de material en polvo y luego otro brazo equipado con inyectores de tinta aplica selectivamente un agente aglutinante sobre el material. Los inyectores de tinta también depositan un agente de detalle alrededor del aglutinante para garantizar una dimensionalidad precisa y superficies lisas. Finalmente, la capa se expone a una explosión de energía térmica que hace que los agentes reaccionen; El proceso se repite hasta completar cada capa. Las impresoras pueden depositar 30 millones de gotas por segundo para lograr una producción ultra rápida y precisa, y se pueden usar múltiples agentes en una sola parte, lo que significa que las partes pueden tener diferentes colores y propiedades mecánicas hasta el vóxel (un píxel 3D).
SLS
Selective Laser Sintering, utiliza un láser de alta potencia para fusionar pequeñas partículas de plástico, cerámica o polvos de vidrio en una masa que tiene la forma tridimensional deseada. El láser fusiona selectivamente el material en polvo al escanear las secciones transversales (o capas) generadas por el programa de modelado 3D en la superficie de un lecho de polvo. Después de escanear cada sección transversal, el lecho de polvo se baja en un espesor de capa. Luego, se aplica una nueva capa de material en la parte superior y el proceso se repite hasta que se completa el objeto.
Laminación por capas
La laminación de capas involucra material en láminas que se une con fuerza externa. Las láminas pueden ser de metal, papel o una forma de polímero. Las láminas de metal se sueldan juntas por soldadura ultrasónica en capas y luego se muelen con CNC para obtener una forma adecuada. También se pueden usar hojas de papel, pero están pegadas con pegamento adhesivo y cortadas en forma con cuchillas precisas.
¿Qué materiales se pueden utilizar para la impresión 3D?
Resina
La resina es uno de los materiales más utilizados en la impresión 3D. Se utiliza principalmente en tecnologías como SLA, DLP, Multijet o CLIP. Existen varios tipos de resinas que se pueden usar en la impresión 3D, como resinas moldeables, resinas resistentes, resinas flexibles, etc.
Ventaja: Alta resistencia química, es un material muy rígido cuando polimeriza.
Desventaja: Alto costo, y el material tiene un tiempo de vida muy corto.
Nylon
El nylon es preferido para usar al crear geometrías complejas y delicadas. Se utiliza principalmente como filamentos en impresoras 3D FDM (Fused Deposition Modeling) o FFF (Fused Filament Fabrication). Este material es económico y reconocido como uno de los materiales plásticos más resistentes.
Ventajas: Gran durabilidad y resistencia.
Desventajas: Al ser un material hidroscópico, no es el mejor en ambientes húmedos y siempre debe permanecer seco.
PLA
El PLA o el ácido poliláctico están hechos de recursos renovables como la caña de azúcar o la maicena. También se llama «plástico verde». Se utiliza principalmente en escuelas primarias y secundarias, ya que es seguro de usar y fácil de imprimir. También se utiliza en la impresión de escritorio FDM.
Ventajas: Gran facilidad de impresión, y también puede imprimirse en frío.
Desventajas: Puede deformarse cuando se expone a calor extremo.
ABS
Acrilonitrilo butadieno estireno, es un termoplástico que se usa comúnmente como filamento de impresora 3D. También es un material generalmente utilizado en la impresión 3D personal o doméstica y es un material de referencia para la mayoría de las impresoras 3D.
Ventajas: Alta resistencia mecánica y es de los materiales más accesibles para la impresión 3D
Desventajas: Requiere calentamiento para imprimir, además de que es un compuesto no biodegradable.
Oro y plata
Hoy en día, es posible imprimir en 3D con oro y plata. Estos filamentos son materiales resistentes y se procesan en forma de polvo. Estos materiales se utilizan generalmente en el sector de la joyería. Estos metales utilizan el proceso DMLS (Direct Metal Laser Sintering) o SLM para imprimir.
Ventaja: A prueba de calor y alta conductividad.
Desventaja: Se requieren muy altas temperaturas para su impresión, además de su dificultad para impresión en laser por su alta reflectividad.
Titanio
El titanio es el material más fuerte y ligero para la impresión 3D. Se utiliza en el proceso llamado Direct Metal Laser Sintering. Este metal se utiliza principalmente en campos de alta tecnología, como la exploración espacial, la aeronáutica y el campo médico.
Ventajas: Alta precisión y resolución en los diseños.
Desventajas: Es demasiado costoso.
Acero inoxidable
El acero inoxidable está impreso por fusión o sinterización láser. Hay dos tecnologías posibles que se pueden utilizar para este material. Pueden ser tecnologías DMLS o SLM. Dado que el acero inoxidable tiene que ver con la resistencia y el detalle, es perfecto para miniaturas, pernos y llaveros.
Ventaja: Alta ductilidad y resistente a la corrosión.
Desventaja: Toma bastante tiempo imprimir en estos materiales.
Cerámica
La cerámica es uno de los materiales más nuevos que se utiliza en la impresión 3D. Es más duradero que el metal y el plástico, ya que puede soportar calor y presión extremos sin siquiera romperlo ni deformarlo. Además, este tipo de material no es propenso a la corrosión como otros metales o al desgaste como los plásticos.
Este material se usa generalmente en la tecnología Binder Jetting, SLA (estereolitografía) y DLP (procesamiento digital de luz).
Ventaja: Alta precisión con un acabado impecable.
Desventaja: No es ideal para mecanismos por su fragilidad.
PET
Al igual que el nylon, el PET o el tereftalato de polietileno también es uno de los plásticos más utilizados. Este material se utiliza en procesos de termoformado. También se puede combinar con otros materiales como la fibra de vidrio para crear resinas de ingeniería.
En la impresión 3D, se usa PETG. Es una versión modificada de PET donde G significa «modificado con glicol». Como resultado, se forma un filamento que es menos frágil, más claro y fácil de usar que el PET. Este filamento es aplicable en tecnologías FDM o FFF.
Ventaja: Durable y alta resistencia a impactos.
Desventaja: Requiere varias pruebas por cada impresora para encontnrar los parámetros adecuados.
HIPS
HIPS o poliestireno de alto impacto son filamentos de plástico que se utilizan para estructuras de soporte en impresoras FDM. Es comparable al ABS cuando se trata de facilidad de uso. La única diferencia es su capacidad para disolverse. El HIPS es completamente soluble en un hidrocarburo líquido llamado limoneno.
Ventajas: Se puede utilizar en estructuras complejas, es resistente al agua y a los impactos.
Desventajas: Requiere protección y un área ventilada para su uso.
Principales aplicaciones de la impresión 3D
Educación
Cada día, más escuelas están incorporando métodos de impresión 3D en sus planes de estudio. Los beneficios de la impresión 3D para la educación ayudan a preparar mejor a los estudiantes para su futuro al permitirles crear prototipos sin la necesidad de herramientas costosas. Los estudiantes diseñan y producen modelos que realmente pueden sostener.
La impresión 3D cierra la brecha de ideas e imágenes en una página o pantalla, lo que permite la creación de esas ideas / imágenes en el mundo físico tridimensional.
Las impresoras 3D ahora se encuentran comúnmente en aulas y bibliotecas públicas. Las universidades tienen impresoras 3D disponibles para que los estudiantes las usen en clases y proyectos. Empresas como MakerBot ofrecen cursos de certificación en impresión 3D para educadores y estudiantes
Las herramientas de impresión 3D están revolucionando la educación STEM al ofrecer la capacidad de crear prototipos rápidos de bajo costo por parte de los estudiantes en el aula, así como fabricar equipos científicos de bajo costo y alta calidad a partir de diseños de hardware abierto.
Los estudiantes exploran principios de diseño, ingeniería y arquitectura. Son capaces de duplicar elementos del museo como fósiles y artefactos históricos para estudiar en el aula sin la posibilidad de dañar colecciones delicadas. Son capaces de obtener una nueva perspectiva tridimensional en los mapas topográficos
Los estudiantes de diseño gráfico pueden construir fácilmente modelos con piezas de trabajo complejas. Los estudiantes de ciencias pueden crear y estudiar secciones transversales de órganos en el cuerpo humano, así como otras muestras biológicas. Los estudiantes de química pueden hacer modelos 3D de moléculas y compuestos químicos.
Prototipos y Manufacturación
La impresión 3D se desarrolló por primera vez como un medio para crear prototipos más rápido. Con un prototipo tradicional moldeado por inyección, puede costar cientos de miles de pesos y tomar semanas producir un solo molde. Esto es poco práctico si está intentando mejorar el diseño con cada nueva iteración. La tecnología de impresión 3D reduce en gran medida los plazos de entrega requeridos en la fabricación tradicional, permitiendo que un prototipo se fabrique en horas, no semanas, y a una fracción del costo. Las industrias automotriz y aeroespacial son solo 2 industrias involucradas en la fabricación que aprovechan los avances en las tecnologías de impresión 3D.
Con las tecnologías de computación en la nube tan comunes hoy en día, ahora hay compañías que ofrecen servicios de fabricación aditiva basados en la nube donde los consumidores pueden construir piezas y objetos de forma remota sin el gasto de comprar una impresora 3D.
Las empresas ahora ofrecen servicios de personalización masiva donde los consumidores pueden personalizar objetos a través de un simple software de personalización basado en la web, ordenando los artículos resultantes, por ejemplo, fundas de teléfonos móviles, como objetos únicos impresos en 3D.
Las tecnologías de impresión 3D han creado lo que se llama «herramientas ágiles». Aquí es donde las herramientas utilizadas en los procesos de fabricación, como el moldeo por inyección, el estampado y el moldeo por inyección, se diseñan por medios modulares, lo que permite la creación rápida de prototipos y respuestas a las necesidades de herramientas y accesorios.
Medicina
En los últimos años ha habido muchas aplicaciones de impresión 3D en el mundo de la medicina. Van desde la bioimpresión, donde los biomateriales como las células y los factores de crecimiento se combinan para crear estructuras similares a los tejidos que imitan a sus contrapartes naturales, hasta dispositivos médicos como las prótesis.
Las prótesis impresas en 3D ejemplifican la versatilidad de la impresión en 3D. Es difícil y costoso producir prótesis que se ajusten a un paciente. Con la impresión 3D, las prótesis medidas se pueden modelar e imprimir a un costo significativamente menor. Los niños que necesitaban una prótesis antes tenían que esperar para obtener una para asegurarse de que no la superarían. Ahora, una nueva prótesis se puede imprimir en 3D cada pocos mes. En algunos países en desarrollo, las prótesis ni siquiera son una opción, ahora pueden aprovechar las impresas en 3D.
La impresión 3D se utiliza para producir implantes ortopédicos metálicos. Debido a las capacidades de impresión 3D para crear superficies porosas, estos tipos de implantes se integran más fácilmente con los huesos naturales del paciente, lo que les permite crecer en el implante.
La bioimpresión permite la impresión en 3D de órganos artificiales, lo que ayuda a resolver los problemas de insuficiencia orgánica en los pacientes más rápido, importante tanto para el paciente como para su familia y para los sistemas de salud.
Los tejidos impresos en 3D se han desarrollado para pruebas farmacéuticas como un medio rentable y ético para ayudar a identificar los efectos secundarios de los medicamentos y validar las dosis seguras.
Se pueden producir pastillas usando el proceso de impresión 3D de Binder Jetting. El proceso permite que las píldoras producidas sean muy porosas, por lo tanto, permite altas dosis en una sola píldora que se puede disolver de forma rápida y fácil de digerir, útil para tratar afecciones como la epilepsia.
Construcción
Las tecnologías de impresión 3D que se utilizan a escala de construcción incluyen extrusión (hormigón / cemento, cera, espuma y polímeros), unión de polvo (unión de polímero, unión reactiva, sinterización) y soldadura por aditivos. La impresión 3D en la construcción tiene una amplia gama de aplicaciones en los sectores privado, comercial, industrial y público. Las ventajas de estas tecnologías incluyen permitir una mayor complejidad y precisión, una construcción más rápida, menores costos de mano de obra, una mayor integración funcional y menos desperdicio.
La impresión 3D de hormigón ha estado en desarrollo desde la década de 1990, como una forma más rápida y menos costosa de construir edificios y otras estructuras. Las impresoras 3D a gran escala diseñadas específicamente para imprimir concreto pueden verter cimientos y construir muros en el sitio. También se pueden usar para imprimir secciones de concreto modulares que luego se ensamblan en el sitio de trabajo.
En 2016, el primer puente peatonal se imprimió en 3D en Alcobendas, Madrid, España. Fue impreso en hormigón micro-reforzado a una longitud de 12 metros (39 pies) y un ancho de 1.75 metros (5.7 pies). El puente ilustra las complejidades en las formas de la naturaleza y fue desarrollado tanto paramétrico (usando un conjunto de reglas, valores y relaciones que guían el diseño) como para el diseño computacional, permitiendo la distribución óptima de materiales y maximizando el rendimiento estructural.
Fue un hito en la industria de la construcción internacional, siendo la primera aplicación a gran escala de la tecnología de impresión 3D en el campo de la ingeniería civil en un espacio público.
Como concepto futurista, la impresión 3D se está estudiando como una tecnología para construir hábitats extraterrestres, como los hábitats en la Luna o Marte. Se ha propuesto, utilizando tecnología de impresora 3D de construcción de edificios, la fabricación de estructuras de edificios lunares con hábitats inflables cerrados para alojar a los ocupantes humanos dentro de las estructuras lunares rígidas. Estos hábitats necesitarían solo el diez por ciento de la estructura para ser transportados desde la Tierra, utilizando materiales lunares crudos locales para el otro 90 por ciento de la estructura.
¿Cómo puedo hacer mi propia impresora 3d con Arduino?
LINKS
A continuación, te voy a mostrar unos ejemplos de sitios donde te explican paso a paso y muy sencillamente, como construir tu propia impresora 3D utilizando como base el Arduino.
Inglés
- https://create.arduino.cc/projecthub/DesiEngineer/how-to-make-a-big-3d-printer-at-home-using-arduino-4a7b79
- https://technoreview85.com/how-to-make-3d-printer-using-arduino/
Español
- https://www.zonamaker.com/impresion-3d/crea-impresora
¿Dónde puedo encontrar diseños de impresión 3D?
Todos son totalmente gratuitos y tienen una gran gama de diseños que también puedes modificar a tu gusto.
- https://www.thingiverse.com/
- https://www.myminifactory.com/
- https://pinshape.com/
Información extra de Impresión 3D
Me gustaría invitarte a que te des una vuelta por nuestros artículos que hablan sobre la impresión 3D, en el campo de la medicina en hospitales y para próstesis.