Como fabrican las impresoras 3D - Tecnologías de Fabricación Aditiva

Tecnologías de fabricación aditiva

(ADDITIVE MANUFACTURING)

La historia de la civilización ha estado ligada la capacidad de fabricación de objetos y herramientas: cada avance en este campo ha permitido un avance en la sociedad.

• Artesanía
• Revolución industrial (máquina de vapor, S. XVIII)
• Generación de electricidad, Automatización de tareas.
• Robótica

En la actualidad:

• Organización de la producción (mejoras introducidas hacia 1955 en Japón)
  
• Aparición y avance de CAD 3D – CAE – CAM
  
• 1986: SLA = ESTEREOLITOGRAFÍA , primera tecnología de fabricación aditiva (antes -1979 - ya existía la patente sobre el proceso de sinterización láser de polvo – SLS )
• Big Data, interconexión de los procesos de fabricación para un mejor control y predicción.
  

TECNOLOGÍAS DE FABRICACIÓN

1.-Tecnologías que conforman un material:

Utilizan preformas para obtener la geometría requerida: inyección plástico y metales, forja, embutición, plegado, sinterizado, colada al vacío, extrusión, RIM, moldeo en arena, centrifugado, etc).

2.-Tecnologías sustractivas:

Obtienen la geometría requerida sustrayendo material de una geometría mayor (mecanizado, electroerosión, corte por agua, corte por láser…). 

 Corte por agua

3.-Tecnologías aditivas Fabricación Aditiva (AM):

Obtienen la geometría únicamente añadiendo material a partir de geometría CAD-3D.

Ventajas de la Fabricación Aditiva (AM)

• Fácil creación de geometrías complicadas (para otras tecnologías de fabricación):
  
  • Formas naturales
    
  • Geometrías con vaciados internos
    
  • Diseños fractales
    
• Facilidad para realizar diseños ergonómicos
  
• RAPIDEZ: ayuda a la innovación y adaptación a la demanda del mercado.
  

Aplicaciones de la Fabricación Aditiva (AM)

• La industria aeronáutica (Airbus, Boeing) están usando estas tecnologías para aligerar piezas de motores, hacer piezas personalizadas, fabricar series cortas, etc
  
• Cirugía: preparación para una operación, prótesis a medida, etc
  
• También se usan para fabricar medicinas (1 sola pastilla diaria con todos los componentes necesarios para un paciente concreto), circuitos electrónicos, arquitectura, interiorismo, industria dental, moda, calzado, juguete, comida, ocio, etc
  
• Una reconocida marca de artículos infantiles tiene una línea de juguetes para ser diseñados por los niños y elaborados mediante impresión 3D.
  
• Cada vez existen más tiendas de impresión 3D donde el usuario puede solicitar la impresión de sus propios diseños
  
• Crecimientos de uso del 20-30 % anual.
  

Fabricación Aditiva (AM): TIPOS DE TECNOLOGÍAS ACTUALES

• SLA: ESTEREOLITOGRAFÍA – 1986 – 3D SYSTEMS (USA)
  
• SLS: SINTERIZACIÓN SELECTICA POR LÁSER - 1992 – DTM (USA)/ EOS (ALEMANIA)
  
• FDM: DEPOSICIÓN DE HILO DE PLÁSTICO FUNDIDO - 1990 – STRATASYS (USA)
  
• 3DPrinting: LICENCIA DE M.I.T. – 1993 - Z CORP (USA), VOXELJET, o ProMetal (EXOne, 1996)
  
• LOM: LAMINATED OBJECT MODELING (ha desaparecido)
  
• POLYJET: 3D SYSTEMS (USA) Y OBJET – 2000 - (ISRAEL)
  
• REP RAP - 2005 (UK) – similar a FDM
  
• DLP: similar a SLA (Digital Light Processing)
  
• SLM / DMLS: Selective Laser Melting (como la sinterización pero con resultados "densos")
  
• MULTIJET FUSION – HP – 2016
  
• "MULTI ARBURG" - 2016
  

Fabricación Aditiva (AM): GENERALIDADES

1. DIBUJAR EN CAD-3D (pensando en la tecnología a usar)
   
2. TRANSFORMAR A FORMATO STL
   
3. ORIENTAR Y SITUAR teniendo en cuenta la tecnología a emplear
   

SLA: ESTEREOLITOGRAFÍA

Un láser UV polimeriza la superficie (entre 0,05 y 0,2 mm) de una cuba de resina epoxi: una plataforma en forma de rejilla soporta la parte de pieza fabricada
Existen máquinas de SLA pequeñas y muy exactas y otras muy grandes con tolerancias de ±0,5 mm. Al mismo tiempo que la pieza se deben fabricar unos soportes para fijar dicha pieza a la base en forma de reja que la mantendrá posicionada y que va bajando en cada capa: estos soportes garantizan que la parte fabricada no cae, ni se mueve, ni se deforma.
Una vez fabricada la pieza, ha de pasar por un proceso de limpieza, retirada de los soportes y un post-curado en un horno de luz ultravioleta para quedar totalmente solidificada.

SLA: ventajas

• Fabricación de prototipos rápidos y complejos.
  
• Excelente reproducción de los detalles y precisión de las piezas.
  
• Rapidez.
  
• Buen acabado superficial.
  
• Se pueden pegar partes de piezas construidas por separado.
  
• Se pueden crear paredes muy finas.
  
• Permite diferentes acabados superficiales y pintados.
  
• Existen diferentes materiales de fabricación: transparente, flexible, translucido.
  
• Solamente se gasta el material usado para la pieza y sus soportes.
  

SLA: desventajas

• Fragilidad (en función de la resina que se utilice).
  
• Necesidad de utilizar soportes para estabilizar superficies sobresalientes durante el proceso de fabricación de las piezas.
  
• Ensayos mecánicos y térmicos no muy exigentes.
  
• Espesor mínimo 0,6mm.
  
• No es posible anidar piezas unas sobre otras durante la fabricación
  
• Material sensible a la humedad y a la temperatura.
  
• Coste del mantenimiento elevado
  
• Coste inicial del volumen del baño
  
• Máquinas muy caras
  
• Necesidad de una sala aislada (sin UV y temperatura un poco controlada)
  
• Necesidad de horno UV y estación de limpieza con alcohol.
  

SLA: aplicaciones

• Oficinas técnicas, departamentos de I+D, centros de diseño de diferentes sectores industriales, arquitectura, medicina, que precisen de:
  
  • Pieza Master para fabricar moldes de silicona.
    
  • Prototipos funcionales.
    
  • Modelos para presentación.
    
  • Piezas que precisarán un acabado superficial.
    
  • Piezas de alta calidad dimensional.
    

SLS: SINTERIZACIÓN LÁSER

• Este proceso consta de tres etapas:
  
  1. En una cámara inerte y caliente se deposita una capa de material en polvo en la zona de trabajo
     
  2. Se funde de manera selectiva por medio de un láser o un haz de electrones
     
  3. La zona de trabajo realiza un desplazamiento hacia abajo equivalente a la altura de una capa para volver a repetir el proceso
     

SLS: ventajas sinterizado de polvo plástico

• Piezas con materiales funcionales: PA12m, PA11, PP, PEEK, PE, PA+FV, PA+FC, elastómero, arena, metal, etc
  
• Rapidez: capacidad para hacer muchas piezas a la vez (productividad).
  
• Se pueden pegar partes de piezas construidas por separado.
  
• Se pueden crear paredes muy finas.
  
• Permite diferentes acabados superficiales, pintados, impermeabilizado.
  
• Recomendable para series cortas de piezas pequeñas o medianas (sin acabado).
  
• Piezas más económicas (en general) que las fabricadas en SLA.
  
• Libertad completa de diseño: no hay soportes, el polvo soporta la pieza.
  
• Posibilidad de anidar piezas (unas dentro de otras).
  
• Facilidad de pegado y tintado.
  
• Altas temperaturas.
  
• Resistencia química.
  
• No hay postcurado.
  

SLS: desventajas sinterizado de polvo plástico

• Dimensiones de la cámara: std 300x300x400 (EOS P700 700x380x580mm)
  
• Deformación en piezas muy grandes: mejor fabricar la pieza dividida en partes y luego pegar.
  
• Aspecto algo rugoso (espesor de capa a partir de 0,08 mm)
  
• Máquinas muy caras
  
• Habitación necesaria para no llenar de polvo los alrededores. Necesidad de varias estaciones de trabajo para mezclar material nuevo y usado y para chorrear piezas.
  

SLS: aplicaciones sinterizado de polvo plástico

• Maquetas validación producto dimensional y funcional
  
• Máster para hacer moldes de silicona o utillajes
  
• Posibilidad de usar material para hacer microfusión (fundición a la cera perdida)
  
• Pequeños moldes para termoconformado
  

FDM: FUSED DEPOSITION MATERIAL

Sistema de fabricación aditiva donde un cabezal extruye un hilo de plástico (ABS inicialmente): en máquinas profesionales este proceso se produce en una cámara con ambiente controlado: en "impresoras 3D domésticas" no hay tanto control o no hay ninguno.
Una vez fabricada la pieza, ha de pasar por un proceso de limpieza, retirada de los soportes.

FDM: ventajas

• Gran variedad de materiales: ABS, ABS/PC, PC, PLA, con altas prestaciones
  
• Posibilidad de adquirir máquinas de bajo coste (y bajas prestaciones)
  
• Facilidad de eliminación de soportes.
  
• No hay postcurado.
  
• Posibilidad de hacer piezas muy grandes sin deformaciones.
  
• Limpieza de la zona alrededor
  

FDM: desventajas

• Lentitud (comparando con SLS)
  
• Rugosidad.
  

FDM: aplicaciones

• Maquetas validación producto dimensional y funcional
  
• Máster para hacer moldes de silicona o utillajes
  
• Posibilidad de usar materiales para fabricar piezas finales para la industria aeronáutica.
  
• Posibilidad de cromar piezas de ABS
  

POLYJET O MULTIJET: OBJET, 3D SYSTEMS

Esta tecnología se basa en un cabezal que se mueve en X e Y que deposita microgotas de una resina que se cura con luz: la base que soporta la geometría baja o el cabezal sube a medida que se fabrica la pieza. Existen máquinas que pueden depositar diversos materiales: incluso pueden mezclar estos materiales para conseguir nuevas características mecánicas. Esto elimina la necesidad de diseñar y/o fabricar este tipo de piezas por separado: también permite usar diferentes colores.
En 2012 OBJET se fusionó con Stratays. 3D Systems dispone de máquinas similares.

POLYJET O MULTIJET: ventajas

• Gran variedad de materiales: elastómeros, rígidos, transparentes
  
• Posibilidad de mezclar materiales creando nuevos materiales o piezas con diferentes materiales
  
• Facilidad de eliminación de soportes
  
• No hay postcurado
  
• Posibilidad de hacer piezas grandes sin deformaciones
  
• Limpieza de la zona alrededor: ideal para oficinas sin taller
  
• Superficies de piezas fabricadas bastante lisas
  
• Mucha exactitud
  

POLYJET O MULTIJET: desventajas

• Lentitud (comparando con SLS)
  
• Materiales con características mecánicas poco técnicas
  
• Piezas poco aptas para ser lijadas
  

POLYJET O MULTIJET: aplicaciones

• Todos aquellos sectores industriales que precisen prototipos con distintos materiales. Series cortas de piezas sin grandes requerimientos mecánicos.
  

 DLP(Procesamiento Digital de Luz)

DLP (Digital Light Processing): varios fabricantes usan esta tecnología para sus máquinas de fabricación aditiva (AM) Generalmente usan una resina acrílica o un compuesto con cera, curada con láser mediante un fotopolímero. Tiene gran exactitud: cada vez hay máquinas mayores en el mercado. Necesita poco material en stock (la cubeta es poco profunda).
Envisiontech (Alemania, 2002) tiene máquinas hasta 450x450x450 mm con 0,05mm de resolución a 20mm/h de velocidad en Z.

LOM(Fabricación por Corte y Laminado)

LOM: LAMINATED OBJECT MODELING
Esta tecnología usaba una lámina de papel(normalmanete papel Kraft, un polietileno termosellable) para, una vez cortadas con un plotter de corte o láser, se apilaban y formaban la geometría a fabricar.
Tenía la ventaja de que la materia prima era barata, pero absorbía mucha humedad y se deformaba con facilidad.
Más tarde salieron al mercado máquinas con hojas DIN A4 calibradas y sin calibrar que hacían prototipos muy baratos. No han tenido mucho éxito (Solido 3D, etc).
Mcor Technologies (Irlanda, 2008), impresora a color con DIN A4.

Voxeljet, ProMetal, Solid Scape

Voxeljet y ProMetal: Sistema de fabricación de moldes de arena para fundición de metales y fabricación de piezas en polvo de metacrilato (PMMA). Tienen máquinas de gran tamaño.
También han desarrollado máquinas de sinterizado metálico.
Usan la misma tecnología desarrollada en el MIT (3DP) que también usan las Z Corp.
Solid Scape (1994): en 2010 fue comprada por Stratasys (FDM): impresora pequeña con buena resolución, muy buen acabado superficial, basada en la impresión en cera con un cabezal.

3D Printing – RepRap

La mayoría de las máquinas "3D printers" usan la tecnología FDM, pero de forma sencilla.
El proyecto REP RAP nació en 2006 aproximadamente con la idea de hacer máquinas que pudieran fabricar las mismas piezas con que están fabricadas. Los diseños de estas piezas están disponibles y los programas informáticos también.

HP y ARBURG

• HP, el fabricante de impresoras y otros productos informáticos, hace años que ha estado desarrollando una "MULTIJET FUSION".
  
• ARBURG, uno de los mayores fabricantes de máquinas de inyección de plástico, presentó en 2013 un prototipo de una máquina de fabricación aditiva (AM) que usaba el mismo plástico que se podía emplear en sus inyectoras.
  

DMLS – SLM (Ambos sinterizado metálico)

• EOS (Alemania, 1989), RENISHAW (USA compró patentes alemanas a MTT el 2011), 3D SYSTEMS (USA), ARCAM (Suecia, 1997, 4 kw proyector de electrones), SLM (antes MTT y antes MCP, Alemania), Concept Laser (Hofmann group, Germany), Höganäs (Suecia), Sciaky (USA, 2009)
  

AM Metal(Fusión por capas metal)

Esta tecnología reciente, desarrollada por la empresa Renishaw, ha conseguido fabricar piezas metálicas mediante un proceso de adición, que conforman una estructura sólida gracias a un proceso de fusión láser.

El resultado son piezas densas y compactas, reduciendo el tiempo de fabricación, costes de material y versatilidad en los diseños.

Gracias a esta tecnología, se pueden crear piezas que con las tecnologías anteriores de fundición y mecanizado con técnicas sustractivas no se podían realizar por su complejidad.

El método de fusión de capas de polvo metálico utilizando láser de fibra de iterbio de alta potencia.

 

EBM(Fusión por haz de electrones)

Se utiliza para fabricar piezas por fusión de polvo metálico capa a capa mediante un haz de electrones de alta potencia al vacío.

Otras técnicas de sinterización de metal que funcionan por debajo del punto de fusión no logran tanta robustez y densidad como las piezas obtenidas por esta tecnología. 

COLADA AL VACÍO

• Otro sistema para la fabricación rápida de series cortas y de prototipos es la colada al vacío en moldes de silicona. Esta tecnología permite reproducir piezas en resina de poliuretano mediante un molde de silicona (habitualmente a partir de un máster fabricado en AM).
  
  • Las resinas de poliuretano tienen características muy variadas: flexibilidad, transparencia, resistencia a alta temperatura, cargas diversas, ignífugo (V0)
    
• Para llevar a cabo la colada al vacío es necesario una máquina de vacío que permita tener los dos componentes que formarán el poliuretano dentro de la cámara, separados y con la posibilidad de poder mezclarlos y colar el resultado dentro del molde.