La impresora 3D tiene un gran potencial para la impresión volumétrica

Impresoras 3D

Ver vídeos en los que impresoras 3D crean objetos familiares es realmente cautivador y deja una impresión duradera. Cuesta creer que muy pronto se pueda crear cualquier cosa con la ayuda de estos sistemas.

Ahora es una realidad. Tras décadas de investigación y avances, el potencial de las impresoras 3D ha allanado el camino para su integración en diversos campos como la producción, la ciencia, la vida cotidiana y el entretenimiento. Sin embargo, para predecir con exactitud el futuro de la impresión 3D y entender cómo funciona, debemos ahondar en sus orígenes.

El mundo de las impresoras

La fascinante visión de impresoras 3D creando objetos familiares en vídeos crea un impacto duradero. Resulta intrigante pensar que, en un futuro próximo, se podrá crear casi cualquier cosa con estos sistemas.

No es sólo una fantasía. El potencial de las impresoras 3D, perfeccionado durante décadas, garantiza su creciente integración en diversos ámbitos de la producción, la ciencia, la vida cotidiana y el entretenimiento. Para entender dónde está el futuro de la impresión 3D y comprender su funcionamiento, es esencial echar la vista atrás a sus inicios.

Historia de la aparición de la impresora 3D

En 1980, Hideo Kodama, estudiante de doctorado en el Instituto de Investigación de Nagoya (Japón), investigó sobre la impresión volumétrica de modelos capa por capa (creación de prototipos). Ese mismo año, publicó un artículo titulado "Automatic Preparation of a Three-Dimensional Model for Three-Dimensional Data Display" (Preparación automática de un modelo tridimensional para la visualización de datos tridimensionales) detallando sus hallazgos experimentales.

En otra publicación, Kodama presentó un método para producir automáticamente piezas de plástico en 3D mediante fotoendurecimiento. Esta publicación esbozaba prácticamente el funcionamiento fundamental de una impresora 3D: el uso de fotopolímeros para crear modelos, la utilización de radiación láser para el curado y el proceso de estratificación secuencial. Aunque Kodama solicitó una patente para su invento, no se la concedieron, por lo que finalmente renunció a ser el pionero de la tecnología de impresión 3D.

En 1984, un grupo de investigadores franceses formado por Alain Le Meayut, Olivier De Witte y Jean Claude André presentó una solicitud de patente para un sistema que utilizaba la estereolitografía para crear modelos 3D mediante la aplicación capa a capa de polímeros curados por láser. Desgraciadamente, la solicitud fue rechazada por las principales empresas francesas debido a la falta de aplicaciones prácticas de la tecnología.

Sin embargo, sólo dos semanas después de que se rechazara la solicitud francesa, un inventor estadounidense llamado Chuck Hull presentó su propia patente para un sistema de modelado estereolitográfico. El sistema de Hull consistía en la adición de capas mediante el uso de fotopolímeros líquidos curados por láser UV. En 1986, se le concedió la patente y fundó una empresa llamada 3D Systems para fabricar estas impresoras 3D pioneras basadas en el método SLA (estereolitografía láser). Una de las aportaciones notables de Hull fue la implementación del código G, que permitía imprimir objetos complejos con formas específicas.

A finales de la década de 1980, se patentaron otros dos métodos de creación rápida de prototipos: el sistema de sinterización selectiva por láser (SLS), del estadounidense Carl Deckard, y el modelado por deposición de fusión (FDM), desarrollado por el estadounidense Scott Crump. La técnica SLS consiste en la sinterización capa por capa de polvo de metal o plástico mediante radiación láser para formar la pieza deseada. En el método FDM, el cabezal de impresión aplica plástico caliente (el material utilizado por la impresora 3D) sobre la capa anterior.

Estas técnicas mencionadas constituyen la base de la mayoría de las tecnologías de impresión volumétrica y se analizarán más adelante. Veamos ahora brevemente los vericuetos del progreso tecnológico.

A algunos les sorprenderá saber que la impresión volumétrica lleva desarrollándose más de 30 años. Muchos creen que es un logro técnico reciente de nuestro siglo, más que algo del pasado.

Es bien sabido que las personas que poseían las patentes de las tecnologías fundamentales de creación de prototipos eran Chuck Halley, Carl Deckard y Scott Crump. En 2001, Carl Deckard vendió su patente a Chuck Hulley. Por desgracia, las empresas centradas en el mercado de consumo no pudieron (o no quisieron) entablar negociaciones con los titulares de las patentes. Como resultado, la producción de impresoras 3D se limitó en gran medida a costosas unidades industriales durante un período significativo.

Sin embargo, todo cambió a partir de 2010, cuando expiraron las patentes y salieron al mercado las primeras impresoras 3D de producción masiva. Esto despertó la curiosidad de la gente, que empezó a interesarse por el concepto de impresión 3D.

Una vez que la gente vio de lo que era capaz una impresora 3D, se entusiasmó con la idea de comprar estos dispositivos de última generación. El mercado respondió rápidamente a esta demanda, lo que provocó una rápida saturación del mercado y las consiguientes reducciones de precios.

Cómo funciona

Veamos con más detalle los principios de funcionamiento de la impresora 3D, las distintas tecnologías empleadas y los pros y contras asociados a cada una de ellas.

Tecnología de impresión volumétrica SLA

La técnica consiste en utilizar fotopolímero líquido como material, que se solidifica mediante radiación láser ultravioleta. El proceso de impresión volumétrica se realiza paso a paso, con cada capa de polímero curada por el láser en un solo barrido. A continuación, la base móvil se sumerge en el polímero líquido, lo que permite la formación de una capa adicional, y se repite el procedimiento.

• El sistema garantiza una superficie de alta calidad para el producto final, independientemente de su forma, eliminando la necesidad de un procesamiento adicional.
• El producto final presenta una excelente resistencia mecánica y puede soportar temperaturas de hasta 100 °C.
• Es capaz de producir productos acabados complejos y de varios niveles.
• No se generan residuos durante el proceso.
• Sólo se utilizan fotopolímeros como material de trabajo.
• La impresión volumétrica en color no está disponible.
• La impresora funciona a una velocidad relativamente baja de 2-3 cm por hora.
• El aparato y los materiales de trabajo son caros, con un coste mínimo de 300.000 rublos para un consumo generalizado.

Tecnología de impresión volumétrica SLS

El proceso de impresión mediante tecnología SLS implica la utilización de diferentes materiales como metal, vidrio, plástico, etc. Estos materiales se presentan en forma de polvo, con un tamaño de partícula de aproximadamente 100 micras.

Antes de su utilización, el polvo se coloca en un recipiente designado y luego se calienta hasta casi el punto de fusión. Este proceso de calentamiento garantiza una reducción de la potencia del láser. Además, se utiliza un rodillo para aplanar el polvo. A continuación, las zonas del objeto que deben sinterizarse se tratan con pulsos de láser. Tras este paso, se baja la mesa hasta el grosor de capa deseado y se repite el proceso con una nueva capa de polvo.

Aunque la tecnología de impresión 3D SLS no produce resultados de alta calidad, se requiere un procesamiento adicional. Es habitual utilizar materiales de trabajo que contienen aditivos poliméricos específicos, que deben eliminarse mediante un proceso de calcinación en un horno especializado para obtener el producto final deseado.

Se ha desarrollado e implementado la tecnología de utilizar un haz de electrones de alta energía en lugar de radiación láser. Esta técnica requiere el uso de una cámara de vacío, pero permite crear piezas de metales resistentes, incluido el titanio.

• Capacidad para producir un producto acabado con formas intrincadas a partir de diversos materiales de trabajo;
• Mayor velocidad de trabajo (en comparación con SLA);
• Adecuado para la producción a pequeña escala;
• Presencia de una elevada potencia láser, que puede plantear riesgos de seguridad durante el funcionamiento;
• La superficie del producto acabado requiere un tratamiento adicional;
• Largas etapas de pre y postprocesado (se requiere el calentamiento del polvo y el recocido del producto en un horno);
• Coste elevado (a partir de aproximadamente 1 millón de rublos).

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Tecnología de impresión volumétrica MJM (método de modelado multichorro)

En este método de impresión volumétrica, el dispositivo de impresión incorpora un cabezal con varias decenas a varios centenares de boquillas de pequeño diámetro.

El material de trabajo utilizado en este método incluye diversos plásticos, fotopolímeros, ceras especiales o una combinación de estas sustancias. Las estructuras de soporte son necesarias para conseguir objetos con formas intrincadas debido a la blandura del material de trabajo.

Se integra una lámpara UV en la impresora 3D de fotopolímero para curar los objetos impresos.

Este método también permite imprimir en color, que viene determinado por los materiales utilizados o su combinación.

• Este sistema permite un grosor de capa mínimo, lo que da como resultado una superficie lisa para el producto final que no necesita procesamiento adicional.
• Impresión volumétrica con diversos colores y sustancias;
• Excelente portabilidad;
• Los prototipos de formas complejas requieren el uso de estructuras de soporte;
• Existe una gama limitada de materiales disponibles para su uso.

Tecnología de impresión volumétrica LOM (método de unión de películas capa a capa)

Este método de impresión volumétrica utiliza hojas de papel o plástico (algunos sistemas utilizan láminas) como sustrato. Las láminas se arrastran por una plataforma cubierta de adhesivo, con ayuda de rodillos. A continuación, un rodillo calentado enrolla y adhiere la hoja a la capa anterior.

A continuación, un láser recorta el material sobrante según un patrón programado, tras lo cual la plataforma desciende hasta el grosor de la lámina utilizada y se repite todo el proceso.

Esta tecnología permite un funcionamiento rápido y unos consumibles rentables. Sin embargo, no está muy extendido.

• El producto final puede imprimirse en color.
• Disponibilidad de material de impresión.
• Capacidad para crear objetos complejos y de gran tamaño.
• No es necesario utilizar bastidores de soporte.
• El producto acabado tiene poca durabilidad;
• Existe la posibilidad de que se produzcan defectos en la superficie del objeto tras su procesamiento adicional;
• Hay una cantidad significativa de residuos.

Tecnología de impresión volumétrica CJP

• El dispositivo que funciona con esta tecnología de impresión volumétrica utiliza material compuesto de yeso.
• Las capas del dispositivo se unen pegándolas con una sustancia especial.
• En primer lugar, el polvo compuesto se extiende uniformemente sobre la superficie de la plataforma.
• Se utiliza un dispositivo especial para nivelar el polvo compuesto.
• Los cabezales de impresión de la impresora aplican aglutinante líquido a lo largo de un contorno predeterminado.
• A continuación se baja la plataforma y se repite el proceso.
• El producto acabado requiere un tratamiento adicional, que incluye el calentamiento para secar el adhesivo y la eliminación mecánica del exceso de polvo.
• La tecnología CJP permite la impresión volumétrica en color mediante la introducción de colorantes o combinaciones de colorantes en la composición adhesiva.
• Esto permite obtener una amplia gama de colores en el producto final.
• La opción de producir artículos intrincados y multicolores de diversas formas sin ningún elemento de soporte.
• Una selección limitada de materiales de trabajo;
• El producto final requiere un proceso de postproducción adicional
• El producto final posee un menor nivel de resistencia.

Tecnología de impresión volumétrica FDM

Las impresoras térmicas, también llamadas impresoras FDM, han ganado popularidad debido a su precio asequible. Estos dispositivos pueden adquirirse por tan sólo 500 dólares. Pero, ¿cuál es el mecanismo de una impresora térmica??

En una impresora térmica, el material utilizado para la impresión son plásticos fácilmente fundibles. Sin embargo, también existen opciones de impresión volumétrica que utilizan metales de bajo punto de fusión.

El proceso de impresión se produce paso a paso. Cada nueva capa se forma calentando el material de trabajo en el cabezal de impresión del dispositivo y aplicándolo a la capa modelo a través de una boquilla con uno o más orificios. Siguiendo una trayectoria predeterminada, el cabezal cubre todo el contorno de la pieza. A continuación, se baja la mesa (o se sube el cabezal en algunos sistemas) y se repite este proceso hasta obtener el resultado final.

• Alta durabilidad del producto final
• Capacidad para producir tamaños grandes y formas intrincadas;
• Diversidad de materiales disponibles con los que trabajar;
• Rentabilidad.
• Lentitud de funcionamiento;
• Irregularidades visibles en la superficie del producto acabado;
• Los objetos de formas complejas requieren estructuras de soporte;
• Contracción inducida por el calor (reducción de las dimensiones tras el enfriamiento) del producto final.
• Es necesario seguir procesando el objeto terminado.

Controlar el proceso de impresión 3D

La manifestación física de un modelo informático creado mediante software especializado es el resultado final del proceso de impresión 3D. La gestión de este proceso se divide en varias etapas.

Creación de un modelo digital e introducción de datos en el dispositivo de impresión

Para procesar digitalmente el objeto, se necesita software especializado como "3D Studio Max" o "AutoCAD" o "AutoCAD" es necesario. Si careces de los conocimientos necesarios para utilizar estos programas, es aconsejable buscar la ayuda de un profesional. El proceso de modelado requiere mucho tiempo y puede durar varios días.

También se puede utilizar un escáner 3D específico, pero el modelo virtual resultante puede tener una calidad reducida.

Si el objeto que desea crear es un artículo estándar, puede buscar información en Internet o en sitios web especializados. El modelo digital suele guardarse en formato STL. Después, un programa especializado genera el código G, que es una serie de comandos que controlan el movimiento de los componentes impresos del dispositivo. La interfaz de usuario de estos programas es sencilla y fácil de usar, lo que facilita su manejo.

Preparación para el trabajo

La fase del proceso de impresión viene determinada por el tipo específico de dispositivo de impresión utilizado. Por ejemplo, cuando se prepara para utilizar un sistema FDM, la mesa de trabajo del dispositivo se cubre con una película especial y se inserta una bobina de filamento de plástico. La selección del tipo y color del filamento plástico depende de las características deseadas del producto final. También es importante asegurarse de que el filamento esté libre de suciedad o daños, ya que esto puede afectar en gran medida a la calidad del objeto impreso.

Fase de impresión

Se producen de forma autónoma. Es imprescindible garantizar una aplicación uniforme de las capas sobre el objeto, evitando que el hilo de polímero se solidifique o se vuelva demasiado maleable. Se ajustan los parámetros del dispositivo según sea necesario.

Tratamiento adicional del objeto

Si es necesario, se lleva a cabo un procesamiento adicional: el producto final se somete a desollado y pulido. En el caso de que se hayan empleado estructuras de soporte durante la impresión de un objeto de forma compleja (para evitar daños en el modelo), es necesario eliminarlas y alisar las costuras.

Dónde se puede utilizar una impresora 3D

La aplicación de las tecnologías aditivas en diversos aspectos de la vida humana ya es posible gracias a su inmenso potencial.

Industria

Los sistemas de impresión 3D se utilizan ahora ampliamente en los procesos de fabricación. Se utilizan para producir modelos y prototipos de productos acabados, lo que permite evaluar sus características reales. Además, estos sistemas se utilizan para fabricar moldes complejos para piezas no estándar y para producir piezas de repuesto para reparaciones rápidas de unidades y mecanismos. También permiten la producción a pequeña escala de productos únicos, como piezas para motores de cohetes.

Medicina

El proceso de adquisición de moldes intrincados se centra en la generación de réplicas de secciones ausentes del esqueleto humano, como huesos rotos o fragmentos de cráneo que faltan. Estos moldes resultan esenciales en la producción de implantes que posteriormente se insertan en el cuerpo humano. Además, se están llevando a cabo numerosas investigaciones sobre la impresión de órganos humanos, como riñones o glándulas tiroideas, que posteriormente se trasplantan y asimilan con éxito en el cuerpo humano. Por último, la creación de prótesis es otra faceta crucial de este campo.

Arquitectura y construcción

Fabricación de presentaciones de proyectos arquitectónicos mediante la creación de modelos 3D de edificios. La llegada de la tecnología de creación de prototipos para estructuras residenciales ha revolucionado el sector. Gracias a este innovador proceso, ahora es posible imprimir una casa en cuestión de horas, una tarea que normalmente requeriría varios días con los métodos de construcción tradicionales.

Educación

Adquirir herramientas educativas que faciliten alcanzar un nuevo hito en el aprendizaje. Elaboración de objetos intrincados con contornos diversos, como representaciones gráficas de ecuaciones algebraicas. Mejora la cognición espacial de los estudiantes.

Espacio

Se ha presentado una iniciativa que sugiere aplicar la tecnología de impresión 3D en el espacio: la idea es utilizar esta tecnología para construir una base en la Luna, utilizando el regolito lunar como material principal.

Pequeñas empresas

Trabajar con impresoras 3D brinda la oportunidad de diseñar objetos únicos, crear figuritas en miniatura con muñecos impresos que se parecen mucho a los clientes y fabricar accesorios de ropa personalizados… El potencial es ilimitado. Las tecnologías aditivas permiten a los emprendedores creativos hacerse un hueco en el mundo empresarial con total confianza.

Tomar o no tomar – esa es la cuestión

Después de explicar detalladamente el funcionamiento de una impresora 3D, ahora podemos abordar la cuestión de si es necesario adquirir este tipo de sistemas.

Para las personas que se dedican a la fabricación mecánica, invertir en dispositivos de impresión 3D resultaría una decisión fructífera. Aunque el precio de los modelos industriales puede alcanzar las decenas de miles de dólares, su incorporación al proceso de producción se traduciría en un rápido retorno de la inversión inicial. Por supuesto, es importante tener en cuenta que no pueden sustituir por completo a los métodos de fabricación tradicionales.

No obstante, la integración de estos dispositivos permitiría responder con rapidez a las demandas del mercado, por lo que su adquisición merece la pena.

Si un empresario se dedica a la producción de elementos de interior únicos, al modelado de aviones y barcos, o a la creación de réplicas reducidas de diseños arquitectónicos, puede que le resulte ventajoso invertir en una impresora 3D. Esto satisfaría el deseo de la gente de tener artículos únicos y podría ser una compra inteligente. Sin embargo, si su negocio no está relacionado con estas áreas, la compra de una impresora 3D no sería rentable.

En conclusión, es importante considerar la necesidad de adquirir una impresora 3D para uso personal. El coste de un sistema FDN ronda los 500 dólares. Sin embargo, puede que no sea una inversión que merezca la pena, ya que este dispositivo es más un escaparate de capacidades que una herramienta para producir artículos prácticos para el hogar. Además, la calidad de los productos acabados suele ser deficiente.

Los juguetes producidos mediante el uso de una máquina de impresión 3D generalmente vienen con una etiqueta de precio más alta que los comprados en una tienda tradicional. En consecuencia, en este momento, adquirir una impresora 3D para uso doméstico no debería considerarse una prioridad absoluta. Sin embargo, para un individuo imaginativo en busca de nuevas vías de autoexpresión en todos los aspectos de la vida, la obtención de una impresora podría servir como catalizador para desbloquear su potencial único.