Tecnologías de Impresión 3D

Introducción

En la evolución de la fabricación de objetos, la Impresión 3D ha emergido como una de las tecnologías más disruptivas en la historia. En concreto, existen 6 tecnologías de Impresión 3D (I3D):

• Material Extrusion - Extrusión de Material

• VAT Polymerisation - Polimerización VAT

• Powder Bed Fusion - Fusión en Lecho de Polvo

• Binder Jetting - Inyección de Aglutinante

• Material Jetting - Inyección de Material

• Direct Energy Deposition - Deposición Directa de Energía

Cada una de estas tecnologías se divide en subtipos: encontramos el FDM — Fused Deposition Modeling / Modelado por Deposición Fundida — en la Extrusión de Material; SLA — Stereolithography Apparatous / Aparato de Estereolitografía — dentro de la Polimerización VAT; SLS — Selective Laser Sintering / Sinterizado Selectivo por Láser — y SLM — Selective Fusion Melting / Fundido Selectivo por Láser — dentro de las tecnologías de Fusión por Lecho de Polvo. Comúnmente las tecnologías se identifican por sus siglas, así que nos apegaremos a estas lo que resta del post.

El artículo busca introducir las 4 tecnologías de Impresión 3D más demandadas y utilizadas por profesionales e industria a nivel mundial. Por tanto, vamos a ello.

FDM

Esquema de Extrusión de Material - Imagen por: ALL3DP

Conocida también como Fused Filament Fabrication (FFF), es la forma más extendida y asequible de Impresión 3D. Consiste en fundir y extruir a través de una boquilla (nozzle) un filamento termoplástico que se deposita capa por capa sobre la plataforma de impresión, siguiendo el perfil del modelo digital. El sistema de deposición tiene un sistema de enfriamiento que enfría el material depositado en cada capa, solidificando y consolidando así la pieza final.

Las impresoras 3D FDM pueden trabajar con varios tipos de termoplásticos, como el PLA y el ABS (dentro de la categoría de materiales “Commodity”); estos materiales son resistentes, duraderos, económicos y fáciles de obtener. Pero por otro lado, existen filamentos técnicos o para ingeniería como ASA, Nylon y TPU, filamentos conocidos como de alto rendimiento como el PEEK, PEKK o PEI, que en su versión 9085 está aprobado para aplicaciones Aeronáuticas / Aeroespaciales y en su versión 1010 para contacto con alimentos. También tenemos filamentos compuestos por fibras de carbono, madera o algún conductor, partículas metálicas, entre otros que confieren al material mejoras en las propiedades metálicas.

La impresión por FDM es adecuada para crear modelos para prueba de concepto, prototipos funcionales de bajo coste y piezas con precisiones cerca de los ±0.2 mm. También se puede utilizar para fabricar piezas de uso final, como utillajes, bio-modelos o juguetes; sin embargo, las piezas impresas por FDM suelen tener líneas de capa visibles, considerándose la calidad superficial de estas como aceptable.

SLA

Esquema de Polimerización VAT - Imagen por: ALL3DP

El SLA es la primera tecnología de Impresión 3D que se creó (desarrollada en los 80's). Se basa en el uso de un láser ultravioleta que cura selectivamente una resina fotosensible que se encuentra en un tanque, formando las capas del objeto; el proceso se repite hasta completar la impresión, que se realiza en una posición invertida. Al finalizar, la pieza se retira de la plataforma de impresión, se lava con alcohol isopropílico y se somete a un post-curado bajo luz UV para mejorar las propiedades mecánicas.

Las impresoras 3D SLA pueden producir piezas con alta resolución, precisión y detalle, considerándose la segunda tecnología con mejor acabado superficial. Además, existen diferentes tipos de resinas que ofrecen propiedades variadas, como rigidez, flexibilidad, transparencia o resistencia al calor. Por tanto, es ideal para crear prototipos de alta calidad superficial, como modelos anatómicos, joyería, miniaturas o piezas dentales. También, existiendo aplicaciones dentro de ingeniería como conductos para fluidos o moldes de inyección.

No obstante, la fabricación por SLA también tiene algunas limitaciones: tiene un coste un poco más elevado que el FDM, tanto equipos como materiales; la necesidad de utilizar soportes para evitar el colapso de la pieza fabricada, incrementándose el uso de material; una baja resistencia al impacto; las piezas presentan mayor abrasión y las resinas deben manipularse con cuidado, ya que pueden ser irritantes y/o tóxicas.

Es importante no confundir el SLA con el DLP — Digital Light Processing —; ambas tecnologías utilizan resina pero la fuente de luz en el DLP cambia por una pantalla de luz blanca. El SLA pierde ante el DLP en velocidad pero gana en precisión.

SLS

Esquema de Fusión por Lecho de Polvo - Imagen por: ALL3DP

El SLS es una tecnología de Impresión 3D que utiliza un láser de alta potencia para fundir y fusionar partículas de polvo de material polimérico. El láser traza el perfil de la capa sobre una fina capa de polvo que ha sido depositada sobre la plataforma de impresión por un dispensador; luego, se baja la plataforma de impresión y se esparce otra capa de polvo, repitiendo el proceso hasta terminar la pieza. Al final, se retira el exceso de polvo, que se puede reutilizar, y se extrae la pieza.

Todas las tecnologías de Impresión 3D pueden crear piezas con geometrías complejas, pero las impresoras 3D SLS tienen la mayor libertad geométrica dentro de todas las tecnologías, ya que no es necesario utilizar soportes, dado que el propio polvo actúa como material de soporte. Además, las piezas impresas por SLS tienen excelentes propiedades mecánicas y durabilidad. La fabricación por SLS es adecuada para fabricar prototipos funcionales y piezas de uso final, como componentes mecánicos, piezas médicas o piezas para el sector automotriz.

Sin embargo, la Impresión 3D por SLS también presenta algunos inconvenientes, como el alto coste de las impresoras y de los materiales, la necesidad de controlar la temperatura y la atmósfera de la cámara, el acabado superficial de las piezas es granulado debido a las partículas de polvo y el post-procesado de extracción de la pieza y la remoción de polvo debe hacerse por lo general de manera manual, una tarea que implica tiempo y personal técnico dedicado a ello.

SLM

Esquema de Fusión por Lecho de Polvo - Imagen por: ALL3DP

La SLM, también conocida como Direct Metal Laser Sintering (DMLS), es una tecnología de Impresión 3D que utiliza un láser de alta potencia para fundir y fusionar partículas de polvo metálico, que se encuentran en una cámara de vacío o de gas inerte. Al igual que la tecnología SLS, el láser traza el perfil de la capa sobre una fina capa de polvo, que ha sido depositada sobre la cama de impresión. Luego, se baja la plataforma de impresión y se esparce otra capa de polvo, repitiendo el proceso hasta completar la pieza. Al final, se retira el exceso de polvo y se extrae la pieza.

Las impresoras 3D SLM pueden crear piezas metálicas con propiedades mecánicas similares o superiores a las obtenidas por métodos convencionales, como la forja o el mecanizado. Además, pueden fabricar piezas con geometrías complejas, que serían difíciles o imposibles de obtener mediante otras tecnologías. El SLM es adecuada para producir piezas de uso final, como implantes médicos, piezas aeroespaciales o piezas industriales.

No obstante, la impresión por SLM también tiene algunos contras, como el elevado coste de equipos y materiales, siendo muchísimo más altos que para la tecnología SLS; la necesidad de utilizar soportes para evitar la deformación de la estructura debido a tensiones térmicas; la baja velocidad de impresión; el acabado granular de las piezas y la manipulación cuidadosa que requieren los polvos metálicos, que pueden ser inflamables o explosivos.

Conclusión

Como hemos visto, existen diferentes tecnologías de Impresión 3D, cada una con sus ventajas, inconvenientes y aplicaciones. La elección de la tecnología más adecuada dependerá de factores como el tipo de material, el nivel de detalle, propiedades mecánicas, costos y el objetivo y/o utilidad de la pieza. En cualquier caso, la Impresión 3D ofrece una gran versatilidad y flexibilidad para fabricar piezas fiables de forma rápida y eficiente.