Introducción a los principios de la impresión 3D

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Tabla de contenido

Impresión 3dLa impresión 3D, también conocida como fabricación aditiva, es un proceso de fabricación de objetos sólidos tridimensionales a partir de un archivo digital. La creación de un objeto impreso en 3D se consigue mediante procesos aditivos. En un proceso aditivo, un objeto se crea colocando capas sucesivas de material hasta crear el objeto. Cada una de estas capas puede verse como una fina sección transversal horizontal del objeto final.

La impresión 3D es lo contrario de la fabricación sustractiva, que consiste en cortar o ahuecar una pieza de metal o plástico con, por ejemplo, una fresadora.

La impresión 3D permite producir formas complejas (funcionales) utilizando menos material que los métodos de fabricación tradicionales.

Cómo funciona la impresión 3D

Los 3 pasos básicos del proceso de impresión 3D son:

  1. Diseñar y modelar digitalmente el objeto que desea crear
  2. Preparación y configuración de la impresora 3D
  3. Imprimir el objeto capa por capa

Diseño del modelo 3D

El primer paso en la impresión 3D es hacer un diseño virtual del objeto que desea construir. El software de modelado 3D te permite hacer este diseño.

Entre los programas de modelado 3D más conocidos se incluyen:

  • Licuadora
  • AutoCAD
  • SketchUp
  • Fusión 360
  • Tinkercad
  • 3ds Max
  • Maya

Los escáneres 3D también pueden utilizarse para crear un modelo digital escaneando un objeto existente. Los datos de escaneado obtenidos se convierten en un modelo 3D.

El software CAD (diseño asistido por ordenador) se utiliza a menudo para modelar piezas de máquinas y herramientas. El diseño se compone de bocetos en 2D que se extruyen o giran hasta convertirse en objetos en 3D.

Una vez completado el modelo digital, el software de la impresora 3D corta el modelo en cientos o miles de capas horizontales.

El archivo troceado muestra la trayectoria que debe seguir el cabezal de impresión para recrear el objeto capa por capa. El archivo también contiene información sobre patrones de relleno y densidades de material.

El software de corte tiene en cuenta parámetros como la altura de la capa, el porcentaje de relleno y la velocidad de impresión cuando crea las capas de impresión.

Entre los programas de corte más populares se incluyen:

  • Cura
  • Slic3r
  • Simplificar3D
  • KISSlicer

Preparación de la impresora 3D

Para preparar una impresora 3D, hay que nivelar el escenario de fabricación y cargar el material de impresión adecuado.

  • En las impresoras de filamento, el tubo guía del filamento se enrosca hasta el extrusor.
  • En las impresoras de lecho de polvo, el depósito de polvo está lleno.
  • Los depósitos de resina se llenan con resina líquida en el caso de las impresoras estereolitográficas.

Debe instalarse y prepararse la superficie correcta del lecho de impresión en función del material que se vaya a imprimir. Por ejemplo, cinta de pintor, láminas de PEI, pegamento, etc.

Una vez configurada la impresora 3D con el material adecuado, se transfiere el archivo troceado a la impresora. Esto puede hacerse mediante una memoria USB, Wi-Fi o conexión por cable.

El último paso de la preparación es ajustar la configuración en el software de la impresora, como:

  • Resolución de impresión
  • Velocidad de impresión
  • Admite
  • Velocidad del ventilador
  • Temperatura de la cama
  • Temperatura del extrusor
  • Y otros ajustes personalizados

Cuando se inicia la impresión, la primera capa se imprime en la plataforma de construcción. El resto del objeto se construye capa a capa hasta su finalización.

Cómo se forman las capas

Existen varias formas de formar capas en la impresión 3D para construir un objeto. A continuación se explican brevemente las principales tecnologías de impresión 3D.

Extrusión de materiales

La extrusión de material, también conocida como modelado por deposición fundida (FDM), es la tecnología de impresión 3D de consumo más común. La utilizan impresoras 3D domésticas asequibles.

En la FDM, el filamento termoplástico, como PLA, PETG o ABS, se desenrolla de una bobina y se introduce en un cabezal de boquilla de extrusión. La boquilla puede moverse tanto en horizontal como en vertical mediante motores controlados con precisión.

La boquilla calienta el filamento por encima de su punto de fusión y lo extruye sobre la plataforma de construcción (o la última capa impresa), donde se endurece. El objeto se construye capa a capa, donde cada capa se solidifica y se adhiere a la capa inferior.

Las estructuras de soporte se construyen durante los voladizos y puentes. Una vez finalizada la impresión, se puede retirar la estructura de soporte.

La aplicación más popular del FDM es la creación de prototipos.

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IVA Polimerización

La tecnología más común en la polimerización VAT es la estereolitografía (SLA).

La SLA utiliza un recipiente lleno de resina fotopolímera líquida que se endurece con un láser UV.

La plataforma de construcción está situada justo debajo de la superficie del depósito de resina. El rayo láser traza el patrón de la primera capa sobre la resina líquida que se solidifica.

A continuación, la plataforma se eleva ligeramente y el láser traza la siguiente capa justo encima de la anterior. Así sucesivamente hasta que se ha construido el objeto completo.

El exceso de resina fluida se drena continuamente. Tras la impresión, es necesario enjuagar el objeto en un disolvente para eliminar el exceso de resina.

Los soportes son necesarios durante la impresión, pero son relativamente fáciles de desprender tras la impresión debido a las propiedades de la resina.

Las suaves líneas de las capas de impresión combinadas con las propiedades autonivelantes de la resina permiten a este proceso crear piezas de gran precisión con una excelente calidad superficial.

La SLA se utiliza a menudo para ensamblajes, prototipos y piezas de uso final.

Cama de polvo Fusion

La fusión de lechos de polvo funciona mediante la fusión selectiva de regiones de un lecho de polvo. Las tecnologías más comunes son:

Sinterización selectiva por láser (SLS): Utiliza un láser de alta potencia para fundir pequeñas partículas de polvo de polímero. El polvo se esparce uniformemente por una plataforma de construcción con un rodillo o una cuchilla. El láser sinteriza selectivamente las partículas de polvo en la sección transversal del objeto. Una vez terminada una capa, la plataforma desciende, se esparce más polvo por el lecho y el proceso se repite hasta que la pieza está terminada. El exceso de polvo sostiene el objeto durante la impresión y no requiere ninguna otra estructura de soporte.

Fusión selectiva por láser (SLM): La SLM es similar a la SLS, pero utiliza polvo metálico en lugar de plástico. El láser de alta potencia funde el polvo metálico en lugar de sinterizarlo. En la SLM suelen utilizarse aleaciones de titanio, aceros para herramientas, acero inoxidable y aluminio.

Fusión por haz de electrones (EBM): Utiliza un haz de electrones en lugar de un láser para fundir selectivamente capas de polvo metálico. La velocidad de fabricación es rápida, pero el proceso requiere vacío, lo que encarece la EBM. Se utiliza para implantes médicos y componentes aeroespaciales.

Chorro de material

El chorro de material suele denominarse impresión PolyJet y funciona de forma similar a las impresoras de papel de inyección de tinta 2D. Pero en lugar de inyectar gotas de tinta sobre papel, se inyecta resina de fotopolímero de curado UV sobre una plataforma.

Las capas se curan con luz UV después de cada pasada del cabezal de impresión. La resina no curada se retira al final del proceso de construcción, dejando solo el objeto 3D sólido.

También se imprimen estructuras de soporte, en un material gelatinoso extraíble, siempre que sea necesario.

El material jetting permite impresiones multimaterial mediante el uso de múltiples cabezales de impresión. Algunos materiales son similares al caucho, transparentes o resistentes a altas temperaturas.

La precisión es excelente y las líneas de las capas son difíciles de ver. El proceso permite crear objetos muy detallados. El chorro de material se utiliza principalmente para la creación rápida de prototipos.

Chorro aglomerante

En el chorro de aglutinante se utilizan dos materiales:

  • Un material a base de polvo como la arenisca, la cerámica, el acero inoxidable o el cromo-cobalto.
  • Un aglutinante que es un agente adhesivo líquido.

El aglutinante se deja caer selectivamente sobre el lecho de polvo para unir las partículas de polvo. La plataforma de construcción desciende, el polvo se esparce por el lecho mediante un rodillo y el proceso se repite.

Una vez finalizada la impresión, se retira el exceso de polvo no ligado, dejando sólo el objeto ligado. La sinterización puede realizarse como paso final para aumentar la densidad, resistencia y suavidad de la pieza.

Este proceso permite imprimir a gran velocidad y objetos de gran tamaño. El chorro de aglutinante es aplicable a la fundición en arena, la fundición de metales y la cerámica. También se utiliza en la impresión a todo color.

Laminación de hojas

En la fabricación de objetos laminados (LOM), se unen láminas de material para formar un objeto. El material más común es el papel.

Un láser corta cada hoja de papel en la forma requerida para esa capa concreta.

A continuación, el papel cortado se lamina sobre la capa anterior mediante calor y presión. Los láseres cortan patrones de rayas cruzadas en las capas laminadas para mejorar la adherencia.

Una vez terminado el objeto, se recorta el material sobrante. LOM fabrica prototipos baratos y productos de papel personalizados.

Deposición de energía dirigida

Los métodos de deposición directa de metal funden el metal a medida que se deposita. Una boquilla extruye polvo o alambre metálico que se encuentra con un láser de alta energía o un haz de electrones en el punto de extrusión.

La fuente de calor funde el material para depositar perlas de metal fundido sobre una placa base o una pieza existente.

La boquilla y la fuente de calor pueden moverse a través de los ejes x, y y z para depositar el material exactamente donde se necesita. El material sobrante actúa como soporte durante la impresión.

Los métodos DED permiten reparar y modificar piezas metálicas existentes. Esto también permite la fabricación híbrida combinando técnicas aditivas y sustractivas.

Materiales utilizados en la impresión 3D

Se pueden utilizar muchos materiales diferentes para la impresión 3D. Los materiales disponibles dependen del proceso de impresión.

Plásticos

Los plásticos más utilizados en la impresión 3D son:

  • ABS: Plástico duradero y resistente a los impactos. Se utiliza para prototipos funcionales y productos de uso final.
  • PLA: Fabricado a partir de almidón de maíz, el PLA es biodegradable. Se utiliza para prototipos e impresión de aficionados.
  • PETG: Más resistente que el PLA, el PETG se utiliza a menudo para fabricar herramientas y productos que requieren una mayor resistencia.
  • Nylon: Los filamentos de nailon de calidad técnica tienen una gran resistencia, tenacidad y resistencia al desgaste. Suelen utilizarse para piezas de uso final.
  • Policarbonato: Extremadamente fuerte con resistencia al calor de hasta 110oC. Se utiliza para productos acabados duraderos.
  • Resinas fotopolímeras: Utilizadas en SLA, PolyJet y procesos de cuba similares. Las resinas proporcionan una precisión y un acabado superficial excelentes.

Otros plásticos especializados son el PLA y el ABS conductores, los soportes de PVA, los termoplásticos de alta temperatura (PEEK, PEI, PEKK), las resinas flexibles (TPU) y los materiales compuestos, entre otros.

Metales

Algunos de los metales más utilizados en la impresión 3D son

  • Aluminio: Ligero pero resistente. Se utiliza en aplicaciones aeroespaciales.
  • Acero inoxidable: Metal resistente a la corrosión adecuado para productos que requieren una gran resistencia y esterilizabilidad.
  • Titanio: Extremadamente resistente con baja densidad. Se utiliza para implantes médicos y componentes aeroespaciales.
  • Cromo-cobalto: Metal biocompatible utilizado a menudo para implantes dentales y ortopédicos.
  • Superaleaciones de níquel: Aleaciones resistentes al calor utilizadas en piezas para turbinas y motores de aviones.
  • Metales preciosos: Las joyas de oro, plata y platino pueden imprimirse en 3D.

Otros materiales

Entre otros materiales impresos en 3D se incluyen:

  • Arenisca: Impreso con chorro aglutinante para fundición y arquitectura.
  • Cerámica: Se utiliza en componentes técnicos de ingeniería cerámica.
  • Cera: Adecuado para patrones de joyería y fundición.
  • Hormigón: Edificios impresos y construcciones arquitectónicas.
  • Alimentación: El chocolate, las galletas, la pasta y otros alimentos pueden imprimirse.
  • Células: La impresión de órganos utiliza esferoides de tinta biológica que contienen células vivas.
  • Compuestos: Se pueden imprimir mezclas de metales, plásticos y cerámicas.

A medida que se desarrolla la tecnología de impresión 3D, cada vez son más los materiales imprimibles. Se está investigando en ámbitos como el vidrio, los tejidos textiles y la impresión electrónica.

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Principales ventajas de la impresión 3D

La impresión 3D ofrece varias ventajas con respecto a la fabricación tradicional:

  • Libertad de diseño - Se pueden imprimir geometrías únicas y complejas que no son posibles con el moldeo por inyección o el mecanizado. El aligeramiento y la consolidación de piezas también permiten mejorar la funcionalidad.
  • Personalización - La personalización en masa es posible modificando los archivos digitales CAD para cada impresión. Se pueden producir pequeños lotes personalizados y productos a medida.
  • Velocidad - La creación de prototipos se realiza rápidamente, en cuestión de días, frente a las semanas que se tarda con las técnicas convencionales. Las piezas también pueden fabricarse bajo demanda cuando sea necesario.
  • Rentabilidad - La eliminación del utillaje en la fabricación reduce los costes de producción de lotes pequeños. El desperdicio de material se reduce al utilizar solo las cantidades necesarias.
  • Fabricación descentralizada - Los archivos digitales de las piezas pueden enviarse de forma rápida y económica a impresoras 3D distribuidas por todo el mundo. Permite la fabricación y reparación in situ.
  • Innovación - La complejidad se libera y la creación de prototipos de prueba y error fomenta mayores oportunidades de innovación. Los productos pueden mejorarse de forma iterativa.

La impresión 3D ofrece nuevas posibilidades de fabricación que no se pueden conseguir con los métodos tradicionales. Ha encontrado aplicaciones en sanidad, odontología, automoción, aeroespacial, arquitectura, joyería y muchos otros sectores.

Aplicaciones de la impresión 3D

La tecnología de impresión 3D tiene muchas aplicaciones en diferentes sectores. Estas son algunas de las principales áreas de aplicación:

  • Creación de prototipos - Repita y optimice rápidamente los diseños de los productos. Validar la funcionalidad, el ajuste y la fabricabilidad.
  • Herramientas - Imprima en 3D herramientas de producción como plantillas, accesorios, calibres de inspección y ayudas de montaje para la planta de fabricación.
  • Producción parcial - Las piezas de uso final pueden fabricarse de forma aditiva para pedidos personalizados o de lotes pequeños. Reduce los costes operativos.
  • Aeroespacial - Los fabricantes de aviones y cohetes imprimen piezas ligeras para reducir el consumo de combustible. También se utiliza para piezas de repuesto bajo demanda.
  • Automotor - Los fabricantes de automóviles utilizan la impresión 3D para crear prototipos y producir piezas especializadas de bajo volumen. También se imprimen interiores y conductos de aire personalizados.
  • Sanidad - Prótesis, implantes y modelos anatómicos personalizados ayudan a los médicos y mejoran la planificación quirúrgica. Los productos farmacéuticos impresos proporcionan una dosificación más precisa.
  • Educación - Las escuelas utilizan impresoras 3D para enseñar principios de diseño. Los alumnos pueden ponerse manos a la obra con la tecnología.
  • Construcción - Las casas y estructuras de hormigón impresas en 3D están tomando forma. La construcción automatizada in situ permite arquitecturas únicas.
  • Alimentación - Las impresoras 3D producen chocolates personalizados, aperitivos y complicadas decoraciones para tartas. Se pueden imprimir comidas nutritivas para viajes espaciales.
  • Moda - Varios diseñadores integran ahora la impresión 3D en sus líneas de calzado y ropa. También se fabrican accesorios y joyas.
  • Arte y diseño - Los artistas utilizan la impresión 3D para esculturas, luminarias, muebles y otras piezas expresivas. La tecnología ofrece un potencial creativo ilimitado.

Estas son solo algunas de las muchas aplicaciones que ofrece la impresión 3D. A medida que mejoren las capacidades de la fabricación aditiva, más industrias adoptarán esta tecnología.

El futuro de la impresión 3D

La tecnología de impresión 3D se ha desarrollado enormemente en la última década. Sin embargo, aún tiene mucho espacio y potencial para crecer. Estos son algunos de los avances que podemos esperar:

  • Ampliación de los materiales - Se podrán imprimir más materiales de ingeniería, como polímeros de alto rendimiento y aleaciones metálicas. Los materiales biocompatibles harán progresar las aplicaciones médicas de impresión 3D. La impresión electrónica hará posibles los componentes inteligentes y los dispositivos IoT.
  • Tamaño del sistema - Los sistemas de mayor escala permitirán imprimir objetos de tamaño humano en una sola pieza. Los sistemas más pequeños proporcionarán soluciones de fabricación de sobremesa.
  • Velocidad y resolución - La mayor velocidad de producción permitirá la fabricación en serie. La mejora de la resolución aumentará la complejidad geométrica y el acabado superficial. Los cabezales de impresión adicionales permitirán la sofisticación multimaterial.
  • Integración de la Industria 4.0 - Los sistemas de impresión 3D se integrarán con el hilo digital en todo el ciclo de vida del producto. El diseño, la simulación, la producción, el control de calidad y el seguimiento de las piezas estarán más automatizados.
  • Fabricación distribuida - Mayor adopción de la producción localizada. Los ingenieros pueden imprimir diseños personalizados in situ para sustituciones y reparaciones. Reduce los costes de envío y el impacto medioambiental.
  • Construcción y arquitectura - Las impresoras 3D a gran escala ayudarán a construir futuras infraestructuras con hormigón y materiales compuestos personalizados. Se podrán imprimir formas estructurales únicas.

La tecnología de impresión 3D transformará la fabricación hacia un modelo más sostenible, distribuido y centrado en el cliente. Permite a las empresas liberar mayores capacidades de innovación al tiempo que ahorran tiempo y dinero.

Preguntas más frecuentes

¿Cómo funciona la impresión 3D?

La impresión 3D funciona construyendo objetos capa a capa mediante un proceso aditivo. Un modelo 3D digital se corta en capas y la impresora deposita material en cada sección transversal hasta completar la pieza. Se utilizan tecnologías como el modelado por deposición fundida, la estereolitografía y el sinterizado selectivo por láser, entre otras.

¿Con qué materiales se puede imprimir en 3D?

La impresión 3D puede utilizar plásticos como ABS, PLA, PETG, nailon y fotopolímeros. También se pueden imprimir metales como acero inoxidable, aluminio, titanio, cromo-cobalto y metales preciosos. Otros materiales son la arenisca, la cerámica, la cera, el hormigón, los alimentos y las biotintas. Continuamente se introducen nuevos materiales.

¿Cuáles son las ventajas de la impresión 3D?

Entre las ventajas de la impresión 3D se incluyen:

  • Libertad de diseño para realizar formas complejas
  • Personalización de productos
  • Creación rápida de prototipos y validación de diseños
  • Menores costes para la fabricación de lotes pequeños
  • Capacidad para descentralizar la fabricación
  • Menos desperdicio de material y diseños optimizados
  • Innovación mediante el desarrollo iterativo

¿Cuáles son las aplicaciones de la impresión 3D?

La impresión 3D tiene muchas aplicaciones en todos los sectores:

  • Creación de prototipos de productos
  • Fabricación de piezas de uso final personalizadas
  • Fabricación de herramientas especializadas
  • Componentes aeroespaciales y de automoción
  • Dispositivos médicos e implantes personalizados
  • Investigación farmacéutica y dosificación de medicamentos
  • Material didáctico y pedagógico
  • Construcción de casas y edificios
  • Impresión de alimentos comidas personalizadas
  • Accesorios de moda y disfraces
  • Esculturas de arte y piezas de diseño

¿Cuál es el futuro de la impresión 3D?

El futuro de la impresión 3D incluye:

  • Mayor capacidad de materiales e impresión electrónica
  • Sistemas de mayor y menor escala
  • Mayor velocidad y resolución
  • Integración de la impresión 3D en la fabricación digital
  • Crecimiento de la producción localizada distribuida
  • Construcción de infraestructuras y estructuras arquitectónicas

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