La impresión 3D, también conocida como fabricación aditiva
en el mundo profesional, no es una tecnología que funcione de una sola manera.
De hecho, existen multitud de procesos que permiten imprimir un objeto en 3D.
Aunque las técnicas utilizadas difieren en la forma, el principio sigue siendo
el mismo. A diferencia de las técnicas de fabricación tradicionales, que suelen
implicar la eliminación o el moldeado del material para conseguir la forma
final deseada, este proceso consiste en la superposición de capas de material.
El material se deposita con una impresora 3D según las coordenadas XYZ
(anchura, profundidad, altura) transmitidas por un archivo 3D. La siguiente
guía revela cómo funciona esta tecnología paso a paso, así como los materiales
utilizados en el proceso de impresión 3D.
Cómo funciona una impresora 3D
La impresión 3D funciona a través de varios procesos, que
difieren según la tecnología y el tipo de impresora 3D utilizada. Estos
procesos pueden clasificarse en tres grandes grupos:
- Depósito de material
- Solidificación por la luz
- Aglomeración por adhesión
Estos tres procesos funcionan con el mismo principio básico,
es decir, la superposición de capas de material según las coordenadas XYZ de un
archivo 3D. La diferencia radica en la forma de depositar y procesar estas
capas, así como en el tipo de material utilizado.
Para la mayoría de los procesos utilizados el usuario
necesita:
- una impresora 3D
- consumibles (filamento, polvo, etc.)
- un archivo 3D (normalmente en formato STL u OBJ)
- un software de corte para cortar el archivo y transmitir
las indicaciones a la impresora
- un ordenador
La forma de exportar los archivos a la impresora difiere
según la marca y el modelo: cable USB, Wi-Fi o tarjeta SD.
1. Impresión 3D por deposición de material
La mayoría de las impresoras 3D personales, así como las de
empresas de servicios de impresión 3d Aranjuez al consumidor común,
funcionan según este principio. FDM es el acrónimo de Fused Deposition
Modeling. Este proceso fue inventado en 1988 por la empresa Stratasys y es una
marca registrada. También se denomina FFF (Fused Filament Fabrication) o
incluso MPD (Molten Polymer Deposition), que son términos libres de derechos.
Esta técnica consiste en depositar capa a capa un filamento de material
termoplástico fundido a 200°C (de media) que, al superponerse, da forma al
objeto.
El cabezal de impresión se desplaza en función de las
coordenadas X, Y y Z (longitud, anchura y altura) transmitidas por un archivo
3D correspondiente al modelo 3D del objeto a imprimir. Durante mucho tiempo
limitada a materiales plásticos como los clásicos PLA y ABS, la impresión 3D ha
visto la llegada de nuevos filamentos compuestos a base de metal (cobre, bronce,
etc.), fibra de carbono e incluso madera. Más raramente, algunas máquinas
utilizan ceras o policarbonatos. En la actualidad, la industria alimentaria y
la medicina están adoptando gradualmente esta técnica para imprimir alimentos y
células adaptando el cabezal de extrusión.
2 . Solidificación por la luz
La estereolitografía es la primera técnica de impresión en
3D que se ha demostrado. Aunque la paternidad de este proceso suele atribuirse
al estadounidense Charles Hull, fundador de 3D Systems, en realidad debemos
esta invención a tres franceses (Alain le Méhauté, Olivier de Witte y Jean
Claude André) cuyas patentes, aunque se registraron 3 semanas antes (el 16 de
julio de 1984), lamentablemente no se renovaron.
También llamada SLA (Stereolithography Apparatus), esta
técnica consiste en solidificar un líquido fotosensible mediante un rayo láser
ultravioleta. Las impresoras SLA constan de cuatro partes principales: un
depósito que puede llenarse con un líquido fotopolímero, una plataforma
perforada que se baja al depósito, luz ultravioleta (UV) y un ordenador que
controla la plataforma y el láser.
Al igual que la FDM, la impresora analizará primero el
archivo CAD y luego, en función de la forma del objeto, añadirá fijaciones
temporales para sujetar las piezas que puedan colapsar. A continuación, el
láser comenzará a golpear y endurecer instantáneamente la primera capa del
objeto que se va a imprimir. Una vez endurecida la capa inicial del objeto, se
baja la plataforma y se expone una nueva capa superficial de polímero líquido.
El láser vuelve a trazar una sección transversal del objeto que se adhiere
instantáneamente a la pieza endurecida que hay debajo.
Este proceso se repite una y otra vez hasta que todo el
objeto se haya formado y esté completamente sumergido en el tanque. A
continuación, la plataforma se elevará para mostrar el objeto terminado en tres
dimensiones. Una vez aclarado con un disolvente líquido para eliminar el exceso
de resina, el objeto se cuece en un horno ultravioleta para endurecer el plástico
adicional.
Los objetos fabricados mediante estereolitografía suelen
tener una buena calidad de acabado y detalle (0,0005 mm), lo que da lugar a
superficies lisas y uniformes. En términos de calidad, es una de las mejores
técnicas de impresión 3D disponibles en la actualidad. El tiempo necesario para
crear un objeto con esta técnica también depende del tamaño de la máquina
utilizada. El ALS también tiene la ventaja de poder producir piezas de gran
tamaño (varios metros de longitud). Para estos objetos se tardará varios días,
unas horas para los más pequeños.
Las desventajas incluyen un coste más elevado que el FDM y
una gama más limitada de materiales y colores debido a los polímeros utilizados
como materia prima. Los disolventes y los líquidos poliméricos también
desprenden gases tóxicos durante la impresión, por lo que sus instalaciones
deben estar equipadas con una campana extractora para la ventilación.
Proceso Polyjet
Esta tecnología, patentada por la empresa
israelí-estadounidense Objet Geometries Ltd (adquirida en 2012 por la
estadounidense Stratasys), también funciona según el principio de la
fotopolimerización. Del mismo modo, el objeto se modelará en 3D con un software
especializado (AutoCAD, por ejemplo) y luego se enviará su archivo a la
impresora 3D. A continuación, los cabezales de impresión depositan el material
fotosensible gota a gota sobre un soporte de gel, según las coordenadas
transmitidas por el archivo.
Una vez depositado el material, se expondrá a un rayo
ultravioleta que lo endurecerá al instante. La operación se repite hasta
obtener el objeto final, momento en el que sólo queda limpiarlo. Con una
precisión de 0,005 mm, es posible producir objetos con un alto nivel de detalle
y piezas de ensamblaje que pueden encajarse como engranajes.
Objet Geometries ha perfeccionado esta técnica con el
desarrollo de Polyjet Matrix. Con 96 puntas para cada uno de sus cabezales de
impresión, el usuario puede combinar varios materiales diferentes, tanto
blandos como duros. Al permitir al usuario crear su propio compuesto, este
proceso ofrece la posibilidad de imprimir objetos más variados y complejos.
Sinterización láser
Esta técnica fue creada por un estudiante estadounidense en
una universidad de Texas en 1980 y posteriormente fue desarrollada (2003) por
la empresa alemana EOS. También llamado SLS (Selective Laser Sintering), es un
proceso de impresión láser. Esta vez, un rayo láser muy potente fundirá un
polvo en puntos muy precisos definidos por un archivo STL que el ordenador
comunica a la impresora 3D.
Las partículas de polvo se fundirán bajo el efecto del calor
y acabarán fusionándose. A continuación, se extiende una nueva capa de polvo
fino que se endurece de nuevo con el láser y se une a la primera capa. Este
proceso se repite varias veces hasta que la pieza esté terminada. A
continuación, se levanta la pieza del polvo suelto y se cepilla el objeto y
luego se lija o se lija a mano para dar los toques finales.
El polvo más utilizado para este tipo de impresión es la
poliamida. Este material es de color blanco y es en realidad un nylon. Dará a
su objeto una superficie porosa sobre la que se puede pintar si desea darle
color. También pueden utilizarse otros componentes, como polvo de vidrio o
cerámica. A menudo los fabricantes utilizan una mezcla de dos tipos de polvos
para obtener objetos más acabados.
DMLS son las siglas de Direct Metal Laser Sintering y se
basan en el mismo principio. Este proceso permite producir objetos metálicos
mediante la fusión de un polvo de finas partículas de metal. Se pueden utilizar
casi todos los metales. Esto abarca desde el cobalto hasta el titanio, el acero
y aleaciones como el Inconel.
Aunque su precisión de impresión es inferior a la del SLA,
el sinterizado láser puede producir piezas con un nivel de detalle bastante
alto (0,1 mm) y una geometría compleja. Además, el polvo restante que no ha
sido sinterizado por láser puede reutilizarse la próxima vez. Por lo general,
las piezas obtenidas con este proceso requieren un mayor acabado (mecanizado,
pintura, barnizado, etc.) que la SLA debido a su aspecto algo granulado.
Aglomeración de polvo por encolado
3DP (impresión tridimensional)
Desarrollado originalmente en 1993 en el Instituto
Tecnológico de Massachusetts (MIT), el 3DP (Three-Dimensional Printing) es la
base del proceso de impresión 3D de Z Corporation. El proceso consiste en
extender una fina capa de polvo compuesto sobre una plataforma. A continuación,
el cabezal de impresión deposita en la plataforma finas gotas de cola de color,
que se combinan para producir una amplia gama de colores. La plataforma se va
bajando a medida que se van pegando las capas de polvo hasta obtener el objeto
final.
Para terminar, hay que aspirar el exceso de polvo, cepillar
y/o lijar la pieza y calentarla para finalizar la solidificación. El 3DP tiene
la ventaja de ser rápido y ofrecer una amplia gama de colores. Hasta 6 veces
más barata que una impresora 3D SLA, tiene un precio más atractivo a pesar de
que a veces la precisión y la calidad de impresión son menores. Entre las desventajas,
sin el tratamiento posterior a la impresión las piezas son más frágiles y su
superficie es más rugosa.
