¿Alguna vez se ha preguntado cómo ha evolucionado la impresión 3D hasta revolucionar la fabricación? Este artículo se sumerge en los procesos y características clave de la impresión 3D, desde sus orígenes con técnicas de polvo y aglutinante hasta sus aplicaciones modernas en la creación de piezas complejas y funcionales. Aprenderá cómo funcionan innovaciones como el chorro de aglutinante y descubrirá las ventajas y limitaciones de esta tecnología transformadora. Explore cómo la impresión 3D sigue dando forma a las industrias con su capacidad para producir productos detallados, personalizables y rentables.
Al utilizar materiales en polvo para la impresión 3D, el proceso SLS antes mencionado es relativamente costoso debido al uso de láseres. Sin embargo, el empleo de un agente aglutinante para adherir las partículas de polvo y formar capas para conformar formas es teóricamente sólido. El 20 de abril de 1993, el profesor Emanuel Sachs y su equipo del MIT obtuvieron una patente estadounidense sobre "Técnicas de impresión tridimensional", conocidas como 3DP.
El invento se inspiró en las extendidas impresoras de chorro de tinta de la época, que sustituían la tinta de los cartuchos por un aglutinante líquido. Mediante la extrusión de este aglutinante sobre un lecho de polvo suelto con el cabezal de impresión, se podían imprimir objetos tridimensionales. Del mismo modo, utilizando aglutinantes de colores primarios y un preciso ajuste digital del color, se podía imprimir en color sobre polvo, de forma similar a la impresión de inyección de tinta en color sobre papel.
Este proceso de impresión 3D se parece mucho a las impresoras convencionales, y el título de su patente, "impresión 3D", es sencillo y fácil de entender. Anteriormente, la tecnología de impresión 3D se conocía como prototipado rápido. Desde entonces, el término "impresión 3D" ha ganado popularidad, y todas las tecnologías de prototipado rápido se denominan comúnmente impresión 3D, y los propios dispositivos se llaman impresoras 3D.
En 2012, la American Society for Testing and Materials (ASTM) definió este proceso de impresión 3D como "Binder Jetting" en su norma de terminología de fabricación aditiva (ASTM F2792-12a).
En teoría, el proceso de inyección de aglutinante puede utilizarse para imprimir en 3D diversos materiales en polvo, como cerámica, metales, yeso, plásticos y arena. En 1995, se creó Z Corporation con una licencia del MIT, centrándose en la comercialización del chorro de aglutinante con polvo de yeso.
Desde 1997, han introducido una serie de impresoras de chorro aglomerante, incluida la ZPrinter 310 Plus monocroma de nivel básico y, en 2005, la primera impresora 3D en color del mundo, la Spectrum Z510, como se muestra en la Figura 5-31 con la impresora en color y sus modelos impresos. Esto marcó un paso significativo en la evolución de la impresión 3D, haciéndola vibrante y colorida. En 2012, Z Corporation fue adquirida por 3D Systems, que siguió desarrollando la serie de impresoras Color-Jet.
Las especificaciones de la serie Color-Jet que se venden actualmente en el sitio Web de 3D Systems se muestran en la Tabla 5-1.
Tabla 5-1: Especificaciones oficiales de 3D Systems para las impresoras de la serie Color-Jet.
| Modelo | ProJet260C | ProJet360 | ProJet 460Plus | ProJet660Pro | ProJet860Pro |
| Color | Color básico (CMY) | Monocromo (blanco) | Color básico (CMY) | A todo color (CMYK) | Color básico (CMY) |
| Espesor de capa/mm | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 |
| Resolución/dpi | 300×450 | 300×450 | 300×450 | 600×540 | 600×540 |
| Dimensiones de impresión/mm | 236×185×127 | 203×254×203 | 203×254×203 | 254×381×203 | 508×381×229 |
| Velocidad de impresión/(mm/h) | 20 | 20 | 23 | 28 | 5~15 |
| Número de cabezales de impresión | 2 (HP57+HP11) | 1 (HP11) | 2(HPS7+HP11) | 5(HP11) | 5(HP11) |
| Número de boquillas | 604 | 304 | 604 | 1520 | 1520 |
En 1996, Extrude Hone Corporation recibió una licencia del MIT para investigar y comercializar material de polvo metálico formado por chorro de aglutinante, introduciendo el primer dispositivo de chorro de aglutinante de polvo metálico del mundo, ProMetal RTS-300, en 1997.
En 2003, ExOne Company surgió de Extrude Hone, centrándose exclusivamente en la industria de la impresión 3D, lanzando más tarde la primera impresora 3D de arenisca del mundo, la S15. Desde entonces, ExOne se ha especializado en el chorro de aglutinante de materiales metálicos y arenisca, convirtiéndose gradualmente en líder de la tecnología 3DP. La Figura 5-32 muestra la impresora ExOne Innovent+ y algunos de los modelos de metal impresos por la empresa.
Fundada en 1999, la empresa alemana Voxeljet también obtuvo una licencia del MIT y se ha dedicado a desarrollar impresoras 3D de arena para moldes de fundición. La empresa emplea tecnología de inyección de aglutinante para imprimir moldes de arena que se utilizan en procesos tradicionales de fundición de metales.
En los últimos años, la tecnología de inyección de ligantes ha suscitado cada vez más interés en China, con empresas como Wuhan Yizhi Technology Co., Ltd., Aisikai Technology Co., Ltd., Guangdong Fenghua Zhuoli Technology Co., Ltd. y Ningxia Sharing Group a la cabeza.
Además, un equipo de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Huazhong lleva investigando la tecnología de inyección de aglutinantes desde 2012, centrándose inicialmente en la impresión con yeso, polímeros y arena de fundición, y actualmente en la tecnología de inyección de aglutinantes metálicos. En 2017, en colaboración con Wuhan Yizhi Technology Co., Ltd., presentaron una impresora de inyección de aglutinantes metálicos capaz de imprimir con materiales como Acero inoxidable 316LAcero inoxidable 420, cobre y aleaciones de titanio.
A continuación se presenta una tabla comparativa de los detalles técnicos de algunas empresas nacionales e internacionales que desarrollan tecnología de inyección de ligantes metálicos.
Tabla 5-2: Cuadro comparativo de los detalles técnicos de las tecnologías de conformado por pulverización de adhesivos metálicos de determinadas empresas de I+D nacionales e internacionales
| Empresa | Velocidad de impresión (cm3/h) | Construir volumen | Materiales disponibles | Densidad /% | Resolución /ppp | Espesor de capa /μm |
| Metal digital | 100 | 203mm×180mm×69mm | SS:316L,17-4 | 96 | - | 30~200 |
| Exone | Hasta 10.000 | 800mm×500mm×400mm | SS:316L,304 | 96~99 | 600~1200 | 30~200 |
| Sobremesa Metal | 12000 | 750mm×330mm×250mm | - | 一 | 一 | 50 |
| HP | – | 430mm×320mm×200mm | SS:316L | >93 | 1200 | 50~100 |
| GE | – | – | SS:316L | – | 一 | – |
| 3DEO | – | – | SS: 17-4 | 99 | - | – |
| Wuhan Yizhi | – | 500mm×450mm×400mm | SS:316,420 | 95~99 | 600 | 50~200 |
Al revisar el esquema abstracto de la patente 3DP del profesor Emanuel Sachs, como se muestra en la Figura 5-33, se presenta información clave: "...producir una capa de material en polvo unido..." indica la creación de una capa de material en polvo unido mediante un proceso de acumulación capa por capa utilizando material en polvo.
Se plantea la cuestión de cómo se da forma al polvo: "...depositando un material aglutinante..." sugiere que, en lugar de utilizar un láser, se distribuye un material aglutinante en zonas seleccionadas de cada capa, aglutinando el polvo para darle forma. El resumen también señala que el material puede "...procesarse más, por ejemplo, calentándolo..." para aumentar su resistencia.
La Figura 5-34 ilustra el proceso 3DP, que se detalla a continuación:
① Preparación de datos. Obtener un modelo tridimensional de la pieza y procesarlo en cortes bidimensionales.
② Colocación del polvo. El polvo se almacena en una tolva o en un cilindro de alimentación, con dos métodos de aplicación: la tolva libera una determinada cantidad de polvo sobre el lecho de polvo desde arriba, conocido como método de alimentación, mientras que el cilindro de alimentación dispensa una cantidad preestablecida de polvo elevando el pistón de alimentación hasta una determinada altura, conocido como método de colocación de polvo, como se muestra en la Figura 5-34(a) y (b).
A continuación, un rodillo esparce y compacta el polvo por la zona de formación del lecho de polvo.
③ Movimiento bidimensional. El cabezal de impresión, cargado con aglutinante, es controlado por el archivo de comandos para moverse en las direcciones X e Y, pulverizando aglutinante para unir el polvo en forma. Las áreas no pulverizadas permanecen sueltas y proporcionan soporte para las capas posteriores (para la impresión de modelos de color, se utilizan tres aglutinantes de color primario).
④ Movimiento en dirección Z. El lecho de polvo desciende una capa en la dirección Z, el área de formación se repone con una nueva capa de polvo y la capa de polvo se mantiene nivelada.
⑤ Adhesión entre capas. El cabezal de impresión se mueve bajo nuevos comandos X e Y, rociando aglutinante para unir la capa actual de polvo en forma mientras que también se adhiere a la capa anterior, logrando la unión entre capas.
⑥ Repetir el proceso anterior hasta obtener la pieza tridimensional final.
El material en polvo no utilizado de la impresión 3DP, que no se precalienta ni se expone a la irradiación láser, puede reciclarse completamente para su reutilización, alcanzando teóricamente una tasa de utilización del material de 100%. Tras la impresión 3D, las piezas requieren un tratamiento posterior que suele constar de tres pasos:
Dado que las piezas están enterradas totalmente en polvo, es necesario eliminar el polvo residual de la superficie de la pieza dentro de una caja de guantes utilizando cepillos, pistolas de aire, etc., para reciclarlo y reutilizarlo en impresiones posteriores.
Las piezas impresas en 3DP suelen contener numerosos poros y son comparativamente débiles, por lo que necesitan un tratamiento posterior para su refuerzo. Para las piezas impresas con materiales inorgánicos en polvo, como el yeso, se seleccionan diferentes infiltrantes de curado instantáneo en función del uso previsto para penetrar en las piezas.
Por ejemplo, los infiltrantes adecuados para modelos de color pueden mejorar la resistencia, el color y la estabilidad del color; los infiltrantes binarios para modelos funcionales pueden mejorar significativamente la resistencia del modelo; y los infiltrantes respetuosos con el medio ambiente pueden utilizarse para impregnación o pulverización para mejorar la dureza y el módulo de la superficie.
Las piezas impresas con polvo metálico suelen requerir pasos adicionales de postprocesado, como desengrasado, sinterizado a alta temperatura, prensado isostático en caliente, infiltración o impregnación de cobre para aumentar la resistencia y densidad de la pieza.
Normalmente, se utiliza una combinación de chorro de arena, pulido, pintura y mecanizado para mejorar aún más la calidad y precisión de la superficie de la pieza, así como su suavidad y color.
El proceso 3DP presenta cinco ventajas notables:
3DP puede realizar la impresión a todo color, expresando perfectamente la creatividad del diseño del producto en color, y se utiliza ampliamente en la creatividad cultural, el cine, la animación y otros campos.
El proceso 3DP puede imprimir con casi cualquier material en polvo, incluidos los polvos metálicos, lo que amplía considerablemente sus aplicaciones funcionales.
El polvo sin ligar sirve de soporte natural, eliminando la necesidad de soportes auxiliares adicionales, lo que se traduce en una gran eficacia de impresión y bajos costes de material durante el proceso de impresión.
El proceso 3DP no impone prácticamente ninguna restricción en cuanto a la complejidad de las piezas, lo que permite la producción de diversas formas complejas como piezas porosas, piezas huecas y piezas anidadas. Es adecuada para el desarrollo de nuevos productos o para la producción de piezas individuales y de lotes pequeños.
Por un lado, el proceso 3DP no utiliza láser, lo que reduce los costes de funcionamiento y mantenimiento de los equipos; por otro, sus cabezales de inyección de aglutinante pueden realizar un escaneado de matrices en lugar de un escaneado de puntos láser, lo que se traduce en una gran eficacia de impresión y un bajo coste.
Sin embargo, el proceso 3DP también tiene ciertas limitaciones e inconvenientes, como se indica a continuación:
La resistencia y la tenacidad son relativamente bajas, por lo que normalmente sólo son adecuadas para expositores de muestras o moldes de fundición (como los moldes de arena). Las pruebas funcionales no son viables, y las piezas impresas en metal requieren más sinterización e infiltración de cobre en un horno de sinterización para alcanzar la resistencia y densidad finales.
Dado que las piezas se forman por aglomeración de polvo, la superficie tiene cierta textura granulada, lo que dificulta conseguir la suavidad de las piezas impresas con técnicas de fotopolimerización.
Como se utiliza el almacenamiento en lecho de polvo y teniendo en cuenta la actividad superficial de los materiales en polvo, el almacenamiento de material a granel es grande y supone un reto. El mecanismo de alimentación de la tolva, aunque supera en cierta medida los problemas de almacenamiento, no cambia el principio fundamental del almacenamiento en lecho de polvo.
Como fundador de MachineMFG, he dedicado más de una década de mi carrera a la industria metalúrgica. Mi amplia experiencia me ha permitido convertirme en un experto en los campos de la fabricación de chapa metálica, mecanizado, ingeniería mecánica y máquinas herramienta para metales. Estoy constantemente pensando, leyendo y escribiendo sobre estos temas, esforzándome constantemente por mantenerme a la vanguardia de mi campo. Deje que mis conocimientos y experiencia sean un activo para su empresa.
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