Impresión 3D

Introducción

La impresión 3D es un proceso que permite hacer objetos tridimensionales sólidos a partir de un modelo digital. La impresión 3D se consigue utilizando procesos aditivos (con aporte de material), donde se crea un objeto mediante las capas sucesivas de material. La impresión 3D difiere de los tradicionales mecanizados (técnicas de procesos sustractivos), que se basan principalmente en la eliminación de material por métodos tales como fresado, torneado, corte y perforación.

Los procesos aditivos se realizan, generalmente, por una impresora de materiales utilizando la tecnología digital. Desde el inicio del siglo XXI ha habido un gran crecimiento en las ventas de estas máquinas, y su precio ha bajado considerablemente.

La tecnología se utiliza en joyería, calzado, diseño industrial, arquitectura, construcción, industria automotriz, ingeniería aeroespacial, industrias médicas y dentales, educación, sistemas de información geográfica, ingeniería civil, y muchos otros campos.

Tecnología 3D (Impresora RepRap versión II-Mendel)

Los primeros ejemplos de la impresión 3D se produjo en la década de 1980, aunque las impresoras eran grandes, caras y muy limitadas en lo que podían producir.

La sinterización selectiva por láser (SLS) fue desarrollado y patentado por el Dr. Carl Deckard y el Dr. Joseph Beaman en la Universidad de Texas en Austin a mediados de 1980, bajo el patrocinio de DARPA. Un proceso similar fue patentado sin ser comercializado por RF Housholder en 1979.

La Estereolitografía fue patentada en 1987 por Chuck Hull.
El modelado por deposición fundida fue desarrollado por S. Crump Scott, a finales de 1980 y se comercializó en 1990.
El término "impresión 3D" fue acuñado en el MIT en 1995, cuando los entonces estudiantes de posgrado Jim Bredt y Tim Anderson modificaron una impresora de inyección de tinta para la extrusión de una solución vinculante sobre un lecho de polvo, en lugar de tinta sobre el papel. La patente resultante condujo a la creación de la moderna tecnología de impresión 3D de las empresas Z Corporation (fundada por Bredt y Anderson, y ahora propiedad de 3D Systems) y ExOne.
Hoy por hoy, se denomina impresión 3D a una amplia gama de tecnologías de fabricación aditiva.

Etapas del proceso

Modelado

La impresión 3D tiene planos virtuales de diseño asistido por ordenador (CAD) o animación de software de modelado como guías para la impresión. Dependiendo de la máquina que se utiliza, el material o vinculante se deposita sobre el lecho de compilación o de la plataforma hasta que la capa de material/aglutinante se completa y el modelo 3D final ha sido "impreso".

Los datos estándar de interfaz entre el software CAD y las máquinas de impresión es el formato de archivo STL. Un archivo STL se aproxima a la forma de una pieza o un ensamblaje con facetas triangulares. Pequeñas facetas producen una superficie de mayor calidad. El PLY es un formato de archivo de entrada generado por escáner, y archivos VRML (o WRL) se utilizan a menudo como entrada para las tecnologías de impresión 3D que son capaces de imprimir a color.

Impresión
Para realizar una impresión, la máquina lee el diseño y establece las capas sucesivas de líquido, polvo o material de lámina para construir el modelo a partir de una serie de secciones transversales. Estas capas, que corresponden a las secciones transversales virtuales a partir del modelo CAD, se unen o fusionan automáticamente para crear la forma final. La principal ventaja de esta técnica es su capacidad de crear casi cualquier forma o característica geométrica.
La resolución de la impresora describe espesor de la capa y la resolución X-Y en dpi (puntos por pulgada), o micrómetros. El espesor típico de la capa es de alrededor de 100 micras (0,1 mm), aunque algunas máquinas, tales como la Objet Connex y la 3D ​​Systems ProJet pueden imprimir capas tan delgadas como 16 micrómetros. La resolución XY es comparable a la de las impresoras láser. Las partículas (puntos 3D) son de alrededor de 50 a 100 micrómetros (0,05-0,1 mm) de diámetro.

Objet260 Connex

La construcción de un modelo con métodos contemporáneos puede tardar de varias horas a varios días, dependiendo del método utilizado, el tamaño y la complejidad del modelo, tipo de máquina utilizada y del tamaño y número de los modelos de fabricación simultánea.
Las técnicas tradicionales tales como el moldeo por inyección puede ser menos costoso para la fabricación de productos plásticos en altas cantidades, pero la fabricación por impresión 3D puede ser más rápido, más flexible y menos caro cuando se producen cantidades relativamente pequeñas de piezas. Las impresoras 3D ofrecen a los diseñadores la capacidad de producir piezas y modelos conceptuales utilizando una impresora de tamaño de escritorio.

Acabado
Aunque la resolución del impreso producido es suficiente para muchas aplicaciones, una mayor resolución se puede lograr mediante la impresión de una versión ligeramente sobredimensionada del objeto deseado en resolución estándar y luego retirar material con un proceso de mayor resolución sustractivo.
Algunas técnicas de fabricación son capaces de utilizar múltiples materiales en el curso de la construcción de las piezas. Algunos también utilizan soportes durante la construcción. Los soportes son extraíble o soluble tras la finalización de la impresión, y se utilizan para apoyar voladizos durante la construcción.

Principales tecnologías
Actualmente, varias tecnologías de fabricación aditiva están disponibles. Se diferencian en la forma en se depositan las capas para crear las piezas y en los materiales que se pueden utilizar. Algunos métodos funden o ablandan el material para producir las capas, como por ejemplo, la sinterización selectiva por láser (Selective laser sintering: SLS) y el modelado por deposición fundida (Fused deposition modeling: FDM), mientras que otros curan materiales líquidos utilizando diferentes tecnologías sofisticadas, como por ejemplo, la estereolitografía (Stereo lithography apparatus: SLA). Con el método de manufactura de objeto por laminado (Laminated object manufacturing: LOM), capas finas se cortan a la forma y se unen entre sí (por ejemplo: papel, polímero, metal). Cada método tiene sus propias ventajas y desventajas, y algunas empresas ofrecen la opción entre polvo y polímero para el material del que está construido el objeto. Las principales consideraciones en la elección de una máquina son generalmente velocidad, costo de la impresora 3D, costo del prototipo impreso, el costo y la elección de materiales y la capacidad de utilizar diferentes colores.
Las impresoras que trabajan directamente con los metales son muy costosas. En algunos casos, sin embargo, impresoras menos costosas se puede utilizar para hacer un molde, que luego se utiliza para fabricar piezas metálicas.

Ejemplos de tecnologías de fabricación aditiva

Tipo	Tecnologías	Materiales
Extrusión	Modelado por deposición fundida (FDM)	termoplásticos (por ejemplo, PLA, ABS), aleaciones eutécticas de metales, productos comestibles
Granular	Sinterizado láser directo de metal (LMD)	Casi cualquier aleación de metal
	Fusión por haz de electrones (EBM)	Aleaciones de titanio
	Sinterización selectiva por calor (SHS)	Termoplástico en polvo
	Sinterización selectiva por láser (SLS)	termoplásticos , metales en polvo , polvos cerámicos
	impresión 3D con cabezal de inyección de tinta sobre lecho en polvo	Yeso
Laminado	Fabricación objeto laminado (LOM)	Papel, hoja metálica, película de plástico
Foto-polimerizado	Estereolitografía (SLA)	fotopolímero
	Procesamiento digital de luz (DLP)	resina líquida

Deposición por extrusión
El modelado por deposición fundida (Fused deposition modeling: FDM) es una tecnología que fue desarrollada por Stratasys a finales de 1980, que se utiliza en la creación rápida de prototipos tradicionales.
El FDM utiliza un filamento de plástico o alambre de metal que se enrolla en una bobina y se va desenrollado para suministrar material a una boquilla de extrusión que puede iniciar o detener el flujo de fundido. La boquilla se calienta para fundir el material y se puede mover en ambas direcciones, horizontal y vertical, mediante un mecanismo de control numérico que es controlado directamente mediante un software de fabricación asistido por ordenador (CAM). El modelo o pieza se produce por extrusión de pequeños aportes de material termoplástico para formar capas como el material se endurece inmediatamente después de la extrusión desde la boquilla. Típicamente, se utilizan motores paso a paso o servo motores para mover el cabezal de extrusión.

Tecnología FDM

Varios polímeros se pueden utilizar para este método, incluyendo el terpolímero acrilonitrilo-butadieno-estireno (ABS), policarbonato (PC), ácido poliláctico (PLA), PC/ABS, y polifenilsulfona (PPSU).

Impresora 3D (FDM)

Vinculación de materiales granulados

Otro enfoque de la impresión 3D es la fusión selectiva de los materiales en un lecho granular. Esta versión utiliza el medio no fusionado como apoyo de voladizos y paredes finas en la pieza que está siendo producida, lo que reduce la necesidad de soportes auxiliares temporales para la pieza. Un láser se utiliza típicamente para sinterizar los medios en un sólido. Los ejemplos incluyen la sinterización selectiva por láser (SLS), utilizado con polímeros, como por ejemplo, poliamida (PA), poliamida con refuerzo de fibra de vidrio (PA-GF), polietereter cetona (PEEK), poliestireno (PS), Alumide (PA cargado con polvo de aluminio), Carbonmide (poliamida cargada con fibra de carbono), elastómeros). También es utilizada con metales (sinterización láser directa de metal o LMD), cerámica y vidrio (fibra de vidrio rígida).

Tecnología SLS

La fusión por haz de electrones (Electron beam melting: EBM) es un tipo similar de tecnología de fabricación aditiva de piezas de metal (por ejemplo, aleaciones de titanio). El EBM fabrica piezas por fusión de polvo metálico capa por capa con un haz de electrones en un alto vacío. A diferencia de las técnicas de sinterización de metal que funcionan por debajo del punto de fusión, las piezas obtenidas mediante EBM son completamente densas, sin vacíos y muy fuertes.
El sistema de impresión CandyFab utiliza el aire caliente y azúcar granulado como medio para producir objetos de arte de grado alimenticio.

Impresora 3D Candyfab

Otro método consiste en un sistema de impresión 3D por inyección de tinta. La impresora crea el modelo de una capa a la vez mediante la difusión de una capa de polvo (yeso o resinas) y la impresión de un aglutinante en la sección transversal de la pieza, utilizando un proceso de inyección de tipo tinta. Esto se repite hasta que cada capa ha sido impresa. Esta tecnología permite la impresión de prototipos de varios colores, con salientes o voladizos y las piezas hachas de elastómeros. La fuerza de adhesión del polvo impreso se puede mejorar con impregnación de ceras o polímeros termoestables.

Impresora 3D por inyección de tinta

Vinculación de capas laminadas
La fabricación objeto laminado (laminated object manufacturing: LOM) es una sistema de creación rápida de prototipos desarrollado por Helisys Inc. En ella, las capas de papel, plástico o metal laminados recubierto con adhesivo son sucesivamente pegadas entre sí y cortadas en una forma determinada mediante una cuchilla o un cortador láser. Esta tecnología de fabricación aditiva presenta un bajo coste debido a la materia prima, fácilmente disponible
La precisión dimensional es ligeramente menor que la de la estereolitografía y sinterización selectiva por láser, pero no es necesario etapa de molienda. Se pueden hacer piezas relativamente grandes.

Tecnología LOM

Fotopolimerización
La fotopolimerización se utiliza principalmente en la estereolitografía (SLA) para producir una pieza sólida a partir de un líquido.

Tecnología SLA

En el procesamiento digital de luz (DLP), una cuba de polímero líquido es expuesto a la luz de un proyector DLP. El polímero líquido expuesto endurece. La placa de construcción (base) luego se mueve hacia abajo en pequeños incrementos y el polímero líquido se expone de nuevo a la luz. El proceso se repite hasta que el modelo se ha construido. El polímero líquido se drena desde la cuba, dejando el modelo sólido. El Ultra Envisiontec es un ejemplo de un sistema de prototipado rápido DLP.
En los sistemas de inyección de tinta, como el sistema Polyjet Objet, el fotopolímero se rocía sobre una bandeja de construcción en una capa muy delgada (entre 16 y 30 micras) hasta que la pieza está terminada. Cada capa de fotopolímero se cura con luz UV después de que se inyecta, produciendo modelos completamente curados que pueden ser manipulados y utilizados inmediatamente, sin post-curado. El material de soporte de tipo gel, que está diseñado para soportar geometrías complicadas, se retira a mano y chorro de agua. También es adecuado para elastómeros.
Características ultra-pequeñas se pueden lograr mediante técnicas de micro-fabricación 3D utilizado en foto-polimerización multifotónica (absorción de dos fotones). Este enfoque traza el objeto 3D deseado en un bloque de gel utilizando un láser enfocado. Debido a la naturaleza no lineal de la fotoexcitación, el gel se cura a un sólido sólo en los lugares donde se centra el láser y el gel restante se eliminan por lavado. Las características de tamaños de menos de 100 nm se producen fácilmente, así como estructuras complejas con partes móviles y con enclavamiento. Sin embargo, otro método utiliza una resina sintética que se solidifica utilizando LEDs.

Impresoras 3D
Impresoras de uso doméstico
Hay varios proyectos y empresas que hacen esfuerzos para desarrollar impresoras 3D de escritorios asequibles para uso doméstico. Gran parte de este trabajo ha sido impulsado por entusiastas con o sin vínculos académicos, comunidades de aficionados bajo la consigna hágalo usted mismo. El proyecto RepRap es uno de los más largos en ejecución en la categoría de impresoras 3D de escritorio. El proyecto RepRap tiene como objetivo producir un software libre y de código abierto, cuyas especificaciones completas se publican bajo la Licencia Pública General GNU, y que puede imprimir muchas de sus propias piezas para crear más máquinas.

Impresoras para uso comercial y doméstico
El desarrollo y la hiper-personalización de las impresoras 3D, con base a los avances del proyecto RepRap, ha producido una nueva categoría de impresoras adecuadas tanto para el uso doméstico como comercial.
Entre las máquinas más baratas se encuentran el Solidoodle 2 y la Huxley. Existen otras máquinas basadas en tecnología RepRap de gama alta en las cuales se han mejorado para imprimir a alta velocidad y alta definición. Dependiendo de la aplicación, la resolución de impresión y la velocidad de fabricación se encuentran entre una impresora personal y una impresora industrial.

Impresora 3D Solidoodle

Impresora 3D Huxley

Formlabs, una empresa de reciente creación, presento una nueva impresora 3D (Form 1) basada en el proceso de estereolitografia a un precio que puede competir con las impresoras 3D basadas en la tecnología FDM. Debido a su mayor precisión de impresión estará más destinada al uso profesional.

Impresora 3D Form1

Aplicaciones
Las aplicaciones típicas de la impresión 3D 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.

Productos obtenidos por impresión 3D

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 construidos 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.

Usos industriales
Prototipado rápido
Las impresoras 3D industriales han existido desde la década de 1980 y se han utilizado ampliamente para la creación rápida de prototipos y de investigación. Estas son generalmente más grandes que las máquinas hogareñas utilizadas para la creación rápida de prototipos por universidades y empresas comerciales. Las impresoras 3D industriales son fabricados por empresas como 3D Systems, Objet Geometries y Stratasys.

Impresoras 3D (Stratasys)

Productos personalizados
Empresas como MakieLab, Kodama Studios y Shapeways han creado servicios web, en los cuales, los consumidores pueden crear y personalizar sus propios diseños online, y ordenar los elementos resultantes como objetos únicos impresos en 3D.

Producción en masa
La velocidad actual de impresión lenta de las impresoras 3D limita su uso para la producción en masa. Para reducir esta sobrecarga, varias máquinas de fusión de filamentos ahora ofrecen cabezales múltiples de extrusión. Éstos se pueden utilizar para imprimir en múltiples colores, con diferentes polímeros, o para realizar impresiones múltiples simultáneas. Esto aumenta su productividad, mientras que requieren menos inversión de capital que las máquinas duplicadas, ya que pueden compartir un solo controlador. A diferencia del uso de varias máquinas, las máquinas de materiales múltiples se limitan a hacer copias idénticas de la misma pieza, pero puede ofrecer múltiples colores y distintos materiales cuando sea necesario. Su velocidad de impresión se incrementa proporcionalmente a la cantidad de cabezales y su costo de energía se reduce debido al hecho de que comparten el mismo volumen de impresión térmico. Estas dos características reducen los gastos generales. Sin embargo, el costo principal sigue siendo el del filamento en bruto, que no se modifica.
Muchas impresoras ofrecen ahora dos cabezas de impresión. Sin embargo, estos se utilizan para la fabricación de piezas individuales en varios colores/materiales o la posibilidad de generar soportes para voladizos.
En 2012, CartesioLDMP fue la primera impresora 3D de código abierto para imprimir 4 piezas idénticas al mismo tiempo con cuatro extrusoras.
Pocos estudios han sido realizados en este campo para ver si los métodos convencionales sustractivos son comparables a los métodos aditivos.

Impresora 3D Cartesio de 4 cabezales

Usos domésticos y hobbies
A partir de 2012, la impresión 3D doméstico ha cautivado principalmente a aficionados y entusiastas. La impresión 3D se utiliza principalmente para objetos ornamentales, creación de juguetes, personalización de productos, etc. Una impresora (de Fab@Home) incluye chocolate en los materiales que se pueden imprimir.

Impresora 3D de chocolate (Fab@home)

Investigación de nuevas aplicaciones
Las futuras aplicaciones de impresión en 3D podría incluir la creación equipamiento científico de código abierto u otras aplicaciones basadas en la ciencia, como la reconstrucción de fósiles en paleontología, replicando artefactos antiguos y de valor incalculable en la arqueología, la reconstrucción de huesos y partes del cuerpo en patología forense y la reconstrucción de evidencia adquirida muy dañada de investigaciones de la escena del crimen.
El uso de tecnologías de escaneo 3D permite la replicación de los objetos reales sin el uso de moldeo por técnicas que en muchos casos puede ser más caro, más difícil, o demasiado invasiva para llevar a cabo, en particular para artefactos delicados, donde el contacto directo con las sustancias podría dañar la superficie del objeto original. La tecnología de impresión en 3D ha sido estudiada por empresas biotecnológicas e instituciones académicas para su posible uso en aplicaciones de ingeniería de tejidos en el que los órganos y partes del cuerpo son construidos con técnicas de inyección de tinta. En este proceso, las capas de células vivas se depositan sobre un medio de gel o matriz de glucosa y se construye lentamente para formar estructuras tridimensionales, incluyendo los sistemas vasculares. Varios términos se han utilizado para hacer referencia a este campo de investigación: impresión de órganos, bio-impresión, impresión de partes del cuerpo e ingeniería de tejidos asistidos por ordenador, entre otros.

Fuentes:
http://www.3ders.org
http://www.fabathome.org
http://www.theengineer.co.uk
http://www.createitreal.com
http://www.ptonline.com
http://rpworld.net
http://wohlersassociates.com
http://www.eetimes.com
http://amt.tuwien.ac.at
http://www.ccsenet.org
http://www.envisiontec.de
http://en.wikipedia.org
http://www.bbc.co.uk
http://www.mmsonline.com
http://www.todaysmachiningworld.com
http://iysn.org
http://www.additive3d.com
http://metrology.survice.com
http://www.uni.edu