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lunes, 9 de noviembre de 2015

Impresión 3D

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
Detalles del proceso
Ventajas
Modelado por deposición fundida
Fused deposition modeling (FDM)

Hilo de polímeros termoplásticos o composites polímeros/cerámicos son extruido a través de un cabezal caliente y depositados capa a capa

Fácil de usar y puede ser utilizado con una gran variedad de materiales

Impresora de polvo con cabezal inkjet
Powder bed and inkjet head 3D printing

Emplea la tecnología de impresión de inyección de tinta para el procesamiento de materiales en polvo, capa a capa.
Pueden ser fabricados objetos sólidos y porosos

Estereolitografía
Stereolithography (SLA)

El polímero fotosensible solidifica en el punto focal, y el polímero no-expuesto permanece líquido.
Permite fabricar diseños simples y complejos. Mayor resolución.
Sinterizado selectivo por láser
Selective laser sintering (SLS)

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.
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


Manufactura de objetos laminados
Laminated object manufacturing (LOM)

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.
 Bajo coste, debido a la facilidad de obtener los materiales con los que se trabaja















































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.

Agradecer la revisión de este escrito al Profesor Juan Carlos Ruiz Morales de la Universidad de La Laguna


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