Full Mecánica

IMPRESION 3D VISION DE CONJUNTO

MATERIALES Y METODOS DE IMPRESIÓN.

Según la terminología de la ASTM se tienen 7 categorías o métodos de impresión 3D que se resumen a continuación, y más adelante se detallan cada uno de ellos.

1.- Extrusión del material (Material Extrusión): una tobera extruye un material semilíquido (usualmente un termoplástico) que va siendo depositado en capas sucesivas hasta completar el objeto.

2.- Vat photopolymerization Stereolithography, o photopolymerization: utiliza polímeros líquidos Photopolymers (SLA or SL) que se solidifican instantáneamente al contacto con el láser. En esta tecnología se incluyen las siguientes categorías.

2.1 Stereolithografy

2.2 DLP Projection “Digital Light Processing”

2.3 Scan, Spin & Selectively Photocure

2.4 Lithography-based Ceramic Manufacturing (LCM)

2.5 Two-Photon Polimerization

3.- Rociado de los materiales (Material Jetting): el cabezal de impresión rocía un líquido que es fijado sea con luz ultravioleta, o que se solidifica al contacto (con el aire).

4.- Chorro de aglomerante (Binder Jetting): el cabezal de impresión rocía selectivamente un aglomerante sobre capas sucesivas de polvo.

5.- Fusión de polvo contenido en un recipiente (Powder Bed Fusion): un láser u otra fuente de calor fusiona selectivamente capas sucesivas de polvo.

6.- Deposición por energía directa (Direct Energy Deposition): un láser u otra fuente de energía funde el material de construcción en polvo mientras este está siendo depositado.

7.- Laminación de hojas (Sheet Lamination): láminas de papel cortado, plástico o metal son pegados juntos.

1.- Extrusión del material (Material Extrusión)

Este proceso fue patentado por la gigante Stratasys en 1984 con el nombre de FDM (Fused Deposition Modelling).

Su rival, la gigante 3D Systems se refiere a esta tecnología como PJP (Plastic Jet Printing), otros nombres para este mismo proceso son FFM (Fused Filament  Modelásering), MEM (Melted And Extruded modelásering), FFF (Fused Filament Fabrication), o método de deposición por fusión. (fused Deposition Method) el hecho de que las iniciales de este método den también el acrónimo FDM es pura coincidencia.

Este es un método de fabricación relativamente simple y barato que produce artículos medianos y grandes, en materiales probados, sin embargo, en el lado de las desventajas están el hecho de que las capas dejan gradas de +-0.1mm en las impresoras caras de miles de dólares y de 0.2-0.5mm en las impresoras baratas de unos cuantos cientos de dólares (pese a lo que digan los fabricantes), y una precisión de 0.2mm en los otros dos ejes. Esta precisión no se ve a simple vista, pero se puede sentir al tacto. Para hacerlo más liso se somete al objeto a un tratamiento con vapor de acetona.

Figura 1

La figura provee una ilustración de como el realmente trabaja la extrucción del material. Un carrete de material en forma de filamento alimenta lentamente la cabeza de impresión que es calentada a 180-230°C. esta temperatura funde el filamento, el cual es extruido en la tobera ligeramente plana de la cabeza de impresión. Inicialmente, el filamento fundido es depositado directamente sobre una superficie horizontal plana conocida como “plataforma de impresión “o “cama de impresión”. El material depositado se enfría rápidamente solidificándose, con la cabeza de impresión moviéndose en dos dimensiones del espacio (X, Y) para trazar la primera capa del objeto. Algunas impresoras realizan este movimiento moviendo la cabeza de impresión de norte a sur y de este a oeste. Mientras que otras, deslizan la cabeza de impresión de atrás hacia adelante en un eje, mientras que mueven la plataforma de impresión en la otra dirección. Una vez que la primera capa ha sido depositada, la plataforma de construcción baja un poco y una siguiente capa es depositada.

Note que un objeto producido en capas de 0.3mm toma la mitad de tiempo hacerlo que uno de 0.15mm. También durante la impresión los objetos pueden pandearse, torcerse, o encogerse durante la impresión y en algunos casos significativamente para prevenir esto las impresoras 3D están provistas de plataformas de construcción de cama caliente, esto previene el enfriamiento de las capas inferiores. Las impresoras 3D industriales realizan la impresión en cámaras cerradas.

Algunas impresoras 3D de bajo costo tiene ventiladores diminutos adosados a la cabeza de impresión que apuntan hacia la impresión para incrementar la velocidad de las capas que están siendo impresas. Otra estrategia es imprimir los objetos con soportes para las partes en voladizo. Estas partes que no forman parte de la pieza tienen que ser removidas una vez finalizada la impresión. Haciendo el interior del objeto menos solido ayuda a evitar la distorsión.

Actualmente es posible para las impresoras de bajo costo disponer de materiales reservados para uso industrial e impresoras 3D caras. Son los elastómeros termoplásticos (TPE). No es para menos, los materiales termoplásticos de poliuretano “WolfBend” de <AirWolf 3D> y “Ninjaflex” de Fenner drives permiten ahora a los entusiastas de la impresión 3D fabricar componentes flexibles.

Adicionalmente también están entrando al mercado algunos filamentos de composites que combinan un termoplástico con otro material esto desde luego abre nuevas posibilidades a la impresión 3D. Materiales que se asemejan al MDF con menos posibilidades de distorsión son ahora posibles.

La tecnología de impresión por extrusión también ha sido desarrollada para materiales como metales, concreto, arcilla y alimentos.

Se usan filamentos de 1.75-3mm de diversos materiales. Los materiales termoplásticos más comunes que se usan en el método FDM son:

Nylon, polycarbonate PC (policarbonato) y un compuesto de policarbonato y ABS. Para fabricar componentes flexibles como el caucho, está el poliuretano termoplástico (polyurethane thermoplastic -TPU) de reciente introducción. Se tiene también el ABSi que puede ser esterilizado con radiación gamma y óxido de etileno (ethylene oxide). Esto permite imprimir partes para uso en la industria de alimentos o medicina. El ABSi también es translucido haciéndolo útil para aplicaciones como luces traseras de los vehículos. A continuación, se detallan las características de los materiales citados y otros.

PLA (Polylactic acid) bioplastic .-  es un material biodegradable fácil de trabajar con impresoras 3D / obtenible a partir del caña de azúcar, tapioca, maíz, / apto para países pobres/ no requiere una base caliente/funde (se usa) a 160°C aunque se pega a unos 180 C / es más quebradizo que otros termoplásticos / El PLA viene en varios grados de dureza y ductilidad/no emite gases tóxicos cuando se calienta/viene en una amplia variedad de colores translucidos.

PHA. - polyhydroxyyalkanoate es un filamento biodegradable que a veces se mezcla con PLA para dar el compuesto PLA/PHA

ABS (Acrilonitrilo butadiene styrene) polymer. - termoplástico derivado del petróleo usado ampliamente en moldeo por inyección de una gran cantidad de cosas. es muy popular en los ladrillos de los legos, cascos de ciclismo y bolígrafos que son moldeados por inyección en varios grados de ABS. De propiedades bien conocidas y la calidad de los filamentos puede ser más fácilmente controlables durante la manufactura. Tiene una temperatura de transición al estado vidrioso más alta. Por tanto, para objetos sujetos a temperaturas sobre los 100 °C, ABS es la solución ideal.

Funde a 150 °C, pero se pega a 220-225 C

Se extruye con más facilidad

Puedes imprimirse sobre Kapton o una capa fina de cemento ABS

Se encoje mientras se enfría. Por lo que el plato para la ejecución produce mejores resultados limitando la contracción de las primeras capas previniendo el rompimiento de objetos grandes. Si se usa en ambientes pequeños el ABS tiene un leve olor que puede afectar a la gente. También se dice que produce más partículas volátiles que el PLA sin la filtración adecuada.

Necesita una plataforma caliente a un mínimo de 100 C. la boquilla de extrusión necesita unos 240 C.

Evite usar ventiladores. Según el fabricante puede ser más suave o más quebradizo y requerir más o menos temperatura de boquilla.

ABSi. - puede ser esterilizado con rayos gama y óxido de etileno (ethylene oxide). Esto permite usarlo en la industria de alimentos y aplicaciones médicas. ABSi también resulta que es translucido, haciéndolo útil para artículos que necesitan transmitir luz, tales como lámparas de cola de los vehículos.

ABS-Polycarbonate composites.

Pastas. - usan impresoras con boquillas modificadas generalmente jeringas u otro tipo de cilindros. La pasta debe tener una consistencia como de la pasta de dientes. Se usan pasta de alimentos para decoraciones. El chocolate es un material mucho más complejo para impresión 3D, pero se puede hacer si pone atención a los métodos de temperatura y enfriamiento.

Adicionalmente se puede usar casi cualquier otro material en forma de pasta. Cementos, resinas de curado rápido, cerámicos, y aun de metales preciosos

Polycarbonato (PC). - el Lexan es uno de estos es nuevo en impresión 3D tiene alta resistencia a la rasgadura y al impacto, más alta resistencia y durabilidad. Sin embargo, requiere temperaturas de 260 C o más para la extrusión, lo que no pueden soportar algunas máquinas. Es un material a prueba de balas, pero en la impresión 3D produce vacíos microscópicos entre las capas de modo que el producto final no es tan resistente como sus equivalentes moldeados. Expuesto a la luz ultravioleta puedes sufrir cambios, que le hacen más opaco y quebradizo.

Polyamides (nylon). - también es nuevo en la impresión 3D usado para objetos que requieren flexibilidad y resistencia. Requiere 240-270C, y tiene una excelente adhesión entre las capas. Es también resistente a la acetona, que disuelve a materiales como el ABS y PLA.  Pueden se opacos, transparentes, o incluso teñido de diferentes colores con tintes de vestir comunes destinados a la tela de nylon. Puede producir envases flexibles.

wáter-soluble Polyvinyl alcohol (PVA). - es biodegradable – funde a 180-200C. puede usarse en impresiones 3D que contengan circuitos eléctricos porque es conductor, pero se disuelve en agua, se usa más como soporte de otros materiales termoplásticos.

High-impact polystyrene (HIPS). - es un material nuevo en fase de experimentación (es la espuma de poliestireno usada para empacar productos electrónicos), se disuelve fácilmente en presencia de estireno o jugos de algunos cítricos. Tiene propiedades similares al ABS. Se usa en combinación con otros materiales termoplásticos.

High-density polyethylene (HDPE). - usado para hacer botellas, recipientes y otros objetos reciclables marcados con el #2. no es popular para la impresión 3D.

PHA. - (polyhydroxyalkanoates) es similar al PLA, pero fabricado a partir de la fermentación de bacterias de azúcar. El proceso de manufactura es más sencillo. Está todavía en una etapa temprana y tiene un problema: huele a estiércol cuando se rompe.

Polyvinyl alcohol (PVA) es una opción muy popular soluble en agua, es un adhesivo industrial biodegradable, se extruye a 180-200 C. algunos tipos de PVA son conductores y pueden ser usados para imprimir circuitos. Sin embargo, el material impreso de PVA se disuelve fácilmente en agua, y debe ser aislado de la humedad. El PVA es comúnmente usado como soporte de otros materiales o termoplásticos, así este puede ser fácilmente disuelto en agua para revelar el objeto plástico completo.

Thermoplastic polyuretane (TPU). - es un material flexible parecido al caucho de reciente introducción en el mercado.

El hecho de que la extrucción de materiales pueda producir partes en materiales termoplásticos estándar de uso corriente – y por lo tanto con las mismas propiedades materiales que sus contrapartes moldeadas por inyección-realmente es muy significativa. No menos importante es el hecho de que los fabricantes pueden imprimir partes de plástico con materiales de extrucción y conocer exactamente como se comportaran sin tener que realizar extensas pruebas de su resistencia, durabilidad, seguridad y otras propiedades del material. Note que un molde para inyección de plástico es costoso y solo rentable con producciones de 5000 o más piezas. Mientras que la extruccion puede fabricar de una a miles de partes de forma rentable.

2.- Vat photopolymerization (Tanque de polímero)

Mientras que la extrusión es una tecnología relativamente fácil de construir y de bajo precio que usa además materiales conocidos, razón por la que es la opción seleccionada por casi todos los consumidores de impresoras 3D, muchas máquinas de uso industrial usan procesos más precisos, pero más caros. La primera categoría de estas tecnologías tiene el nombre genérico de “vat photopolymerization), y usa una fuente de luz para solidificar capas sucesivas del objeto sobre la superficie o base de un bote de líquido fotopolímero (photopolymer). Hay 5 métodos distintos de hacer esto conocidos como “stereolithografy” – “LDP projection” – “Scan, spin and selectively photocure” – “lithography-based ceramic manufacturing”-y- “two photon polymerization”.

2.1 Stereolithografy

Usa un láser para construir el objeto dentro de un tanque lleno de polímero líquido. Los primeros aparatos fueron hechos por 3D Systems, el que se refería al proceso como “StereoLhitographic Aparatus” o SLA. Como se ve en la figura-1, un láser traza la forma de la primera capa del objeto sobre la superficie del cubo lleno de polímero líquido haciendo que se solidifique y la plataforma que contiene el objeto baje el equivalente al espesor de una capa de objeto. El polímero líquido entonces inunda la superficie del objeto y el láser es nuevamente proyectado trazando la forma del objeto. El proceso se repite una y otra vez hasta completar el objeto.

Fig-2

Estereolitografía tradicional

Los objetos producidos con stereolythografy son muy precisos y tienen una superficie lisa a diferencia de los producidos por extrusión que requieren un proceso de alisamiento superficial. Además, no necesitan soportes de ayuda para evitar que las partes en voladizo del objeto se doblen mientras están calientes. La máquina ProX 950 puede hacer objetos de 150x75x55 cm y hasta de 150 kg de peso que pueden llegar a costar hasta USD990.000, por pieza.

En nov 2011 la compañía Asiga lanzo una desktop de menos de USD7000, en mayo 2013 la compañía Formlabs lanzo la desktop “Form1” por USD3299, y luego la mejorada (Form1+) de12.5x12.5x16.5cmx0.025mm por capa, sin embargo, esta requiere estructuras de soporte si el objeto tiene partes colgantes.

También Autodesk anuncio que lanzara una desktop de USD5000.

Mientras que las primeras máquinas hacían solo objetos de resinas duras y quebradizas para prototipado, hoy pueden hacer objeto de fotopolímeros similares al caucho, sustitutos del ABS y otros termoplásticos para uso dental y joyería. Por lo que ahora también se usa esta tecnología para producir objetos finales, sin embargo, el material es mucho más caro. Por ejemplo, un litro de resina para la maquina “Form1” cuesta USD149.

2.2 DLP Projection “Digital Light Processing”

Los proyectores DLP contienen un chip de imagen muy delgado que contiene un arreglo de espejos microscópicos o “Digital Micromirror Devices” (DMDs). Los espejos pueden ser fácilmente rotados, permitiéndoles reflejar la luz fuera de la lente del proyector o dentro de un sumidero de calor o “amortiguador de luz”. Controlando la orientación del arreglo de los espejos, se crea una imagen de alta calidad para proyección.

Un proyector DLP puede ser usado para solidificar selectivamente un fotopolímero líquido. En una configuración similar a la estereolitografia invertida, un proyector DLP se instala o coloca por debajo de un pequeño cubo (conteniendo el fotopolímero liquido) este cubo tiene el fondo translucido. El proyector entonces proyecta una capa completa del objeto en la base del cubo solidificándola, el objeto se sostiene en la plataforma de construcción que se eleva una altura equivalente a un espesor de capa cada vez.

La DLP Projection puede alcanzar un alto nivel de precisión, más aun, la precisión obtenida en impresoras pequeñas puede superar a la obtenida con máquinas grandes gracias a que la imagen proyectada necesita solo una pequeña área para ser proyectada. Las maquinas más grandes tienen un espesor mínimo de capa menor a 0.025mm y un volumen de construcción de 26.7x16.5x20.3 cm.

Ya se han creado muchos fotopolímeros para uso con impresoras DLP, estos incluyen sustitutos opacos y transparentes de los plásticos tradicionales, así como polímeros basados en cera y algunos plásticos para uso médico y dental, EnvisionTEC ya está ampliamente usando para fundiciones impresas en 3D para audífonos y aplicaciones dentales.

En diciembre del 2013 una variante tecnológica llamada DLP movible fue introducida por una compañía llamada Prodways. Esta trabaja como una DLP estándar, pero alcanza grandes resoluciones gracia a un proyector montado encima para proyectar capas del objeto sobre la superficie de un bote conteniendo el polímero. Prodways llama a esto “MOVINGLight technology, y también aumenta la velocidad de la impresión usando LEDs UV como fuente de luz.

2.3 Scan, Spin & Selectively Photocure

Scan, Spin & Selectively Photocure – o “3SP” – introducida por EnvisionTEC en diciembre 2013. en las impresoras “3SP” la luz es reflejada a través de un tambor rotatorio y pasada a través de una serie de elementos ópticos que mueven el rayo a través de la superficie de un tanque de fotopolímero en el eje “Y”. la fuente de luz UV y su imagen se mueve en el eje “X”. la 3SP permite grandes impresiones. la EnvisionTEC´s Xede 3SP permite imprimir 45.7x45.7x45.7 cm.

2.4 Lithography-based Ceramic Manufacturing (LCM)- Fabricacion de cerámica basada en Litografia

La cuarta tecnología de polimerización en un tanque ha sido desarrollada por Lithoz de Austria, la que llama (LCM) Lithography-based ceramic manufacturing. Esta es efectivamente otra forma de DLP, pero difiere en que cura selectivamente una resina de fotopolímero que contiene partículas cerámicas. Necesita un proceso muy largo post-impresión con el fin de remover el fotopolímero, y entonces sinterizar el material restante en una pieza compacta de cerámica. Una vez completada, la LCM resulta en objetos que son completamente de material cerámico.

2.5 Two-Photon Polimerización

La última tecnología de vat-photopolymerization es la polimerización dos-fotones (2PP). Este es un método de impresión 3D “nanofotonico” muy similar a stereolithography, y la cual puede tornarse muy bien en la corriente principal del proceso de impresión 3D en el futuro. 2PP ha venido siendo desarrollada por AMT (Adiditive Manufacturing Technologies) liderada por Jürgen Stampfl de la universidad técnica de Austria, y Nanoscribe en Alemania.

2PP usa un “femtosecond pulsed láser” para solidificar selectivamente una resina de fotopolímero (photopolymer).  Esto suena a estereolitografia. Bueno hasta cuando Ud. aprenda que las impresoras 2PP han alcanzado ya un espesor de capa y una resolución X-Y de entre 100 y 200 nanómetros. Así mientras la estereolitografía convencional alcanza precisiones de 0.025mm en los ejes “X” y “Y” y de 0.5mm en el eje Z, 2PP alcanza resoluciones tan finas como de 0.0001 mm en todos los ejes, o dicho de otro modo 2PP es 250 veces más precisa que la estereolitografia convencional, y capaz de imprimir cosas más pequeñas que una bacteria, 2PP es también más rápida que la estereolitografia, y potencialmente capaz de imprimir capas de objetos a varios metros por segundo.

Pag58 a futuro las 2PP podrán imprimir cosas tan pequeñas como circuitos de microelectrónica y optoelectrónica, así como fabricar con rapidez objetos grandes. y particularmente objetos ligeros y resistentes gracias a que podrán hacer objetos de porosos partiendo de estructuras de o enrejados a escala manométrica que solo existen en la naturaleza por ejemplo huesos y madera abriendo una nueva área de manufactura.

En la universidad técnica de Viena los científicos trabajan para mejorar tanto los polímeros como la tecnología de espejos. El fotopolímero que ellos han desarrollado contiene iniciador especial que causa que la resina a su alrededor se solidifique solamente cuando es tocada por dos fotones. Debido a que esto sucede solamente en el centro exacto de un rayo láser, esto facilita un proceso extremadamente preciso de impresión 3D que permite crear material solido en cualquier parte de la masa liquida del contenedor de polímero en lugar de solo en la superficie.

Adicionalmente han desarrollado un sistema de alta velocidad que mantiene los espejos en constante movimiento esto reduce el tiempo empleado en la aceleración y desaceleración y por tanto el proceso de impresión.

Más aun en Alemania, Nanoscribe ya comercializa una impresora 2PP llamada Photonic profesional GT. Este hardware premiado es una impresora comercial 3D de altísima resolución que está siendo usada en muchos campos de investigación de punta. Esto incluye ingeniaría de tejidos, bioadhesivos y micro-mecánica a nano escala.

3.- Rociado de los materiales (Material Jetting)

Es Otra tecnología basada en la solidificación de un líquido. Esta existe en varios formatos, la mayor parte de las cuales rocían un líquido fotopolímero desde una tobera múltiple, al estilo de una cabeza de impresión de tinta.

Como se ilustra en la figura-2, la cabeza de impresión se mueve a través de la plataforma de construcción depositando una capa de líquido fotopolímero. Este es entonces solidificado con luz UV emitida también por la cabeza de impresión. Stratasys vende este hardware bajo la marca registrada de “PolyJet” (photopolymer Jetting), mientras que 3D System etiqueta esta tecnología como “MJP” (MultiJet Printing”.

Fig-3

Photopolymer Material Jetting pg.61

Material Jetting printers usualmente tienen como soporte estructural del producto un material parecido a un gel que es removido a mano después de la impresión, con un cepillo o con chorro de agua. Una vez que todos los soportes han sido removidos, generalmente no se requiere ningún proceso posterior, esto hace de este proceso un poco menos sucio que la estereolitografía.

Pg60 - Un amplio rango de fotopolímeros rígidos, flexibles, opacos, y claros se han creado para este proceso. Esto incluye compuestos que simulan las propiedades del ABS, polipropileno, policarbonato y caucho. Muchas impresoras tienen la capacidad de imprimir con múltiples materiales en una misma impresión. Por ejemplo, la Object500 Connex 3D printer puede sacar objetos de varios materiales a colores. Al momento de escribirse este texto el volumen más grande de una impresora de estas es de 100x80x50 cm.

Hay también algunas máquinas que crean modelos para fundición rociando gotas de cera caliente. Por ejemplo, la Project 3D que usa choro de material para crear objetos de “cera real” usando su cera especial VisiJet y materiales de soporte de cera.

Igualmente, usadas para crear modelos de cera - Para uso dental y de joyería – son las impresoras de Stratasys basadas en su proceso de “modelado por deposición de cera caliente” (wax deposition modeling-WDM). en este proceso el termoplástico de “cera real” y los materiales de soporte son sólidos que son precalentados hasta que sea líquidos, después de ser rociados se endurecen mientras se enfrían rápidamente.

LUXeXceL de Holanda fabrica equipos basados en esta tecnología que puede fabricar lentes de uso óptico tan lisos que no requieren un pulido posterior.

4.- Binder Jetting

Moviéndonos desde las tecnologías que solidifican líquidos, vamos ahora hacia tres sets de tecnologías que aglomeran polvos de material. La primera de estas es la de chorro de aglomerante (binder Jetting) Fig-4. En esta el proceso de construcción comienza cuando una capa de polvo es tendida en una plataforma llamada “cama de polvo”.  Esto se consigue elevando un reservorio que contiene el “polvo” y usando una hoja o un rodillo para tender una capa de polvo en la cama adyacente. Una cabeza de impresión de toberas múltiples se mueve a través de la cama de polvo, rociando el aglomerante selectivamente dando la forma del objeto a la primera capa. La cama de polvo entonces baja, y otra capa de polvo es tendida, así como otra capa de aglomerante, y así sucesivamente. Luego el polvo sobrante es removido de forma automática o a mano, el objeto también es limpiado con aire comprimido o con vacío, desde luego el polvo sobrante se recicla. El Binder Jetting se llama a veces “Zprinting”.  Por la compañía Z Corporation que la desarrolló inicialmente y quien vendió algunos modelos de “Zprinters”. Sin embargo, antes en 2012, Z Corporation fue absorbida por 3D System, con el proceso ZPrinter nombrado ahora como ColorJetPrinting.

 Este proceso tiene algunas ventajas sobre los otros porque no necesita estructuras de soporte, la velocidad de construcción del objeto es típicamente más rápida que los otros métodos, y el precio generalmente es más barato, y finalmente puede producir objetos en full colores.

La tecnología Binder Jetting ofrece muchas ventajas sobre otros métodos. primero, en común con ma mayor parte de otros procesos de ompesion 3D basados en polvos, no hace falta imprimir o remover estructuras de soporte gracias a que las partes en voladizo o sueltas son soportadas por el polvo de la cama que siempre rodea el objeto. Segundo, esta tecnología construye objetos más rápidamente que los métodos alternativos de impresión 3D. tercero el precio de los objetos creados es típicamente más bajo que con los otros métodos. Y finalmente, estas impresoras son capaces de dar objetos en colores completos.

Para hacer objetos de color, la binder jetting aspergea tintas de color, así como una solución aglutinante en cada capa de polvo. La tecnología es exactamente la misma de la usada en las impresoras de fotos 2D, con cyan, magenta, amarillo y negro. El hardware de esta tecnología es lo suficientemente inteligente como para esparcir la tinta solo unos milímetros de profundidad dentro de la superficie del objeto.

Muchas de las maquinas binder jetting vendidas por 3D System construyen objetos en propiedad, basados en polvos de gypsum llamados VisiJet PXL. Una vez que estos objetos han sido impresos en este material, necesitan dejarse que se curen por alrededor de una hora, antes de removerlos de la cama de impresión, aun después de curados, los objetos son frágiles y necesitan ser infiltrados.

La infiltración de los objetos creados con este proceso es necesaria para darle un acabado final. La infiltración se hace con algo tan simple como sal y agua para objetos que reciben un mínimo manipuleo.  Para objetos que requieren resistencia se usa una resina llamada “StrengtMax” alcanzan una elevada resistencia y pueden usarse como prototipos o como productos de uso final.

Fig-4

Chorro de aglomerante

En Alemania la empresa voxeljet que imprime objetos grandes en un solo color usando un polvo llamado PMMA que puede ser infiltrado con un solo color. El PMMA puede también ser infiltrado con cera para uso en fundiciones. Algunas voxljet tiene un enorme volumen, por ejemplo, la voxeljet 4000 es capaza de hacer objetos de 4x2x1 m.

Binder Jetting Sand Cast Molds & Cores – Machos y moldes de arena con chorro de aglomerante.

Adicionalmente a la construcción de objetos de polvos de gypsum o plástico, algunas impresoras binder Jetting incluida la voxeljet 4000 - pueden usar también arena de fundición como material granular de construcción. Esto permite imprimir moldes y secciones interiores de los mismos conocidos como “machos, noyos, cores etc.”, con implicaciones industriales muy significativas.

Por miles de años, el moldeo con arena ha sido el proceso más difundido usado para fabricar objetos en metal que incluyen hierro, bronce, aluminio, y oro. Esta técnica antigua involucra formar un molde usando una arena impregnada con una resina especial que rodea el modelo del objeto a ser reproducido. Tales modelos son a menudo hechos de un material como la madera que es fácil de trabajar por un artesano.

Una vez que la arena ha sido compactada alrededor del modelo, el mismo es removido en proceso que muchas veces requiere de modelos formados por varias piezas. El metal fundido es entonces vaciado en el hueco que deja el modelo que fue retirado. Finalmente, una vez que el metal se solidifica, el molde de arena se rompe y se retira la pieza.

Las impresoras3D que aglomeran la arena para los moldes de fundición usan exactamente el mismo principio de la Fig.3 la única diferencia es que, en impresiones grandes, una arena especialmente formulada es tendida desde una tolva que pasa sobre la cama de impresión, en lugar de ser barrida desde un reservorio. Una vez que la impresión se ha completado, la arena sobrante que rodea el objeto es removida, y el molde resultante es llenado con metal como en el proceso convencional de fundición.

Una de las ventajas claves de la impresión 3D de moldes de arena es que no hay la necesidad de crear un modelo físico del objeto (un proceso que requiere tiempo y experiencia, o el uso de otra tecnología de impresión 3D). esta tecnología también permite hacer moldes de arena muy complejos y a veces muy grandes que no requieren manipularse para remover el modelo antes de la colada.

La aplicación de esta tecnología puede por consiguiente ahorrar una gran cantidad de tiempo y dinero, así como permitir nuevos productos a ser creados. Mientras que las impresoras 3D que producen moldes de arena no pueden hacer directamente productos 3D, esta es sin embargo una tecnología muy significativa que reduce el costo y acelera enormemente de uno de los más antiguos procesos de manufactura.

Binder Jetting Metal Printing (Impresión en metal por chorro de aglomerante)

Las impresoras 3D con chorro de aglomerante fueron creadas primero por la corporación Z para impresiones 3D de alta resolución de modelos y prototipos en gypsum composites. Pero una compañía de emprendimiento llamada ExOne ha empujado el límite para crear un hardware que puede manufacturar objetos en bronce, hierro o acero inoxidable infiltrado con bronce o más recientemente en una aleación basada en níquel llamada Inconel 625. Aquí como en la fig.-4, una capa de polvo de metal es tendida y un cabeza de la impresora se mueve a través de esta para rociarlo con una solución de aglomerante que aglomera los gránulos de metal ahí donde se requieren. Una lámpara de calentamiento seca la capa, y una capa fresca de polvo es tendida. Más y más capas son entonces impresas hasta completar todo el objeto.

Una vez que todas las capas han sido tendidas, la “caja de polvo”, que contiene la pieza porosa y frágil es colocada en un horno de curado a unos 175°C por 24 horas. Esto evapora cualquier humedad y endurece el aglomerante. Luego se remueve todo el polvo sobrante, que revela un objeto todavía delicado que es un 60% metal y 40% aire. Para hacer el objeto más fuerte, este necesita ser infiltrado con más metal. para alcanzar esto, el objeto es colocado en una caja con más metal en polvo y rodeado con arena de óxido de aluminio para soporte. Este es entonces colocado en un horno por otras 24 horas   a más de 2000°C. dentro del horno el polvo de bronce suelto se licua he infiltra el objeto convirtiéndolo en uno que es al menos 99% metal sólido.

Una vez enfriado, el objeto final es sacado del horno. Cualquier soporte o “bebedero” que fue añadido para facilitar la infiltración debe ser removido a mano. La mayor parte de los objetos creados mediante esta tecnología son también pulidos en un post-proceso final.

La impresión con jet de aglomerante en metal es como Ud. Puede ver, algo así como una tarea completa (aunque pueden infiltrarse en el horno muchos objetos al mismo tiempo)). Aun así, la tecnología ofrece la manera más económica de impresión 3D en metal. Las partes producidas en Inconel 625 pueden aun ser usadas para turbinas. esta tecnología ofrece también un buen acabado, que incluye el plateado con oro. La tecnología es por consiguiente popular entre los productores de joyas. El volumen máximo es normalmente de 80x50x40 cm.

Binder Jetting Ceramic (Impresión de cerámica con. Pg69)

El proceso de chorro de aglomerante también ha sido desarrollado con éxito para la impresión de materiales cerámicos. En este, sucesivas capas de polvo-tales como cerámica basada en alúmina y sílica – son tendidas y rociadas con aglomerante. Una vez que todas las capas han sido impresas, el objeto es secado en un horno, después de lo cual se remueve el exceso. El objeto es entonces horneado en otro horno de alta temperatura vidriado, nuevamente horneado, vidriado, y horneado por última vez. El resultado es un objeto de cerámica brillante altamente resistente al calor y seguro para uso como vajilla.

El primero en comercializar esta tecnología fue ExOne. Sin embargo, en enero del 2014 3D Systems anuncio también una nueva impresora 3D llamada CeaJet que fabricara objetos de cerámica a todo color listos para vidriado y horneado. Como el Buddy Byrum de 3DSystem explicado en la presente entrega, el CeraJet democratiza la fabricación de la cerámica en la era digital, y es un primer ejemplo del entusiasmo que existe en la interface entre un arte milenario y la tecnología de una nueva era.

Mientras que los objetos finales creados con chorro de aglomerante son suaves, debido a la pedida de los detalles en el vidriado la resolución de esta clase de impresoras 3D está limitada a unos 2mm en todos los ejes. No obstante, para la producción de vasos, patos, tazas, ya se ofrecen servicios de Binder Jetting en cerámica lo que pone esta tecnología al servicio de todo el que necesite.

Binder Jetting Glass Printing (impresión de vidrio con chorro de aglomerante)-pg70

Como otra variante de la tecnología, ExOne tiene un hardware de chorro de aglomerante (jet binder) que puede crear objetos de vidrio. En esta un polvo de cal, soda y vidrio es depositada en capas y sus partículas son selectivamente aglomeradas juntas gracias a un chorro de aglomerante.

El objeto resultante necesita ser curado en un horno, antes de ser desempolvado. como en la impresión de metal con chorro de aglomerante, el objeto frágil resultante necesita ser colocado en una caja con polvo adicional de vidrio en un horno a 750°C.

En el horno, el objeto llega a llenarse con algo del polvo adicionado, el mismo que llena los espacios dentro del objeto para crear una pieza realmente sólida.

Las dimensiones producidas son de 7.5x7.5x7.5 cm y generalmente se usan para fabricar esculturas y piezas decorativas.

5.- Fusión de polvo contenido en un recipiente (Powder Bed Fusion).

Sinterización con láser (LS) Laser Sintering.

La impresión 3D que usa la fusión del polvo contenido en una cama puede lograrse en una variedad de formas, de los cuales el proceso más difundido el de sinterización con Láser (Láser Sintering “LS”), llamado también fundición con rayo láser (Láser Beam Melting” LBM. En este una capa de polvo es tendida o barrida sobre una cama de polvo, luego de lo cual un rayo láser traza la sección transversal de la primera capa del objeto. El calor del láser “sinteriza los gránulos de polvo que toca, haciendo que se fundan parcialmente y se fusionen con los gránulos adyacentes. Ver figura.

Fig-5

Sinterización de polvos con láser en una cama de Fusión.

la sinterización láser puede ser usada para fabricar objetos de una gran variedad de materiales en polvo. Estos incluyen plásticos tales como el nylon (polyamide), muchos metales, cerámica, arena y cera.

Cuando la arena o la cera son sinterizados, los objetos resultantes son usados como modelos en el proceso tradicional de fundición.

Algunas veces la sinterización láser se usa para fabricar objetos a partir de material en polvo de dos componentes. En este caso un polvo con alto punto de fusión (como el vidrio o un metal) son mezclados y en el proceso recubiertos con un material de bajo punto de fusión (tal como el nylon). Esto permite al láser tener que fundir solamente el material de más bajo punto de fusión con el fin de fusionar los gránulos de polvo en un sólido. Recientemente, un material de dos componentes llamado “alumide” ha llegado a ser ampliamente popular, este es un polvo de nylon mezclado con aluminio, y provee un medio de producir objetos limpiamente, fácilmente y baratos con un brillo metálico a temperaturas relativamente bajas.

La sinterización láser es un proceso muy preciso que produce excelentes resultados cuando se fabrican objetos en materiales plásticos tales como el nylon. Sin embargo, el sinterizado (o fusión no completa) de los polvos de dos partes metal y plástico no pueden producir objetos finales que tengan propiedades para algunas aplicaciones de ingeniería, tales como componentes para motores. Debido a esto, hay algunas variantes especiales con marcas registradas.

de sinterización con láser que usan un rayo láser para fundir completamente los gránulos de polvo de un solo material, como aluminio, cobre aleaciones de níquel, cobalto cromo, hierro, oro o titanio con el fin de producir objetos de metal puro. Todos estos procesos tienen sutiles diferencias dependiendo de su implementación y el fabricante de la impresora 3D, como metal láser sintering (DMLS), direct metal printing (DMP), selective láser melting (SLM) y láser CUSING. EOS e- Manufacturing Solutions en Alemania ha desarrollado lo que ellos llaman “micro láser sintering” (MLS) para producir formas intricadas ver figura.

Componente DMLS de cobre producido por el servicio UK 3D printing 3T PD.

Podría advertirse que los DMLS, SLM, LáserCUSING y MLS todos pueden ser referidos como “additive metal manufacturing” (AMM) – una categoría que también podríamos aplicar razonablemente al modelado por deposición del metal fundido (FDmm) y manufactura aditiva de alambre y arco (wire and arc additive manufacturing WAAM) tecnologías detalladas al comienzo de este capítulo.

Mientas que puede sonar bastante sencillo, la sinterización láser es un proceso de retos. Cuando se trabaja con nylon y otros materiales no metálicos, para facilitar el trabajo de fusión del láser, la cámara de fabricación del impresor es precalentada a una temperatura justo debajo del punto de fusión del material. Cuando se trabaja con metales, el precalentamiento este calentamiento no es posible, y deben emplearse rayos de muy alta potencia. Mientras que las partes no metálicas pueden ser sinterizadas con láser sin ningún soporte o estructura añadida al objeto.

Lo siguiente se puede decir de la tecnología LS (sinterización con láser). Acabado superficial excelente. En el caso de metales, puede conseguirse pulido espejo. Por tanto, esta tecnología es la selección adecuada para imprimir objetos finales.

Esta tecnología es sin embargo costosa (200.000,00 – 700.000,00 USD) aunque en oct 2014 la compañía Sintratec lanzó al mercado su modelo de escritorio de unos USD5000, objeto. Que permite imprimir en nylon y cera. Mientras que la empresa “Realizer” de Alemania ya lanzo su SLM-50. Esta es la primera impresora que puede fabricar directamente pequeñas piezas de metal en el escritorio, con materiales que incluyen el cromo-cobalto y el oro.

Fundición con rayo de electrones (Electon Beam Melting)

En adición al sinterizado con Láser y sus variantes al metal directo, otras dos tecnologías de impresión 3D aplican calor para solidificar selectivamente capas de objetos en una cama de polvo. La primera de estas es la de fundición con rayo de electrones Electron Beam Melting-EBM), también conocida como manufactura por adición con rayo de electrones (EBAM – Electron Beam Additive Manufacturing). Como Ud. Probablemente Habrá sospechado, esta usa un rayo de electrones para ejecutar el proceso ilustrado en la figura 2.11

Las impresiones 3D EBM han sido lideradas por una compañía llamada Arcam, y alcanzan elevados niveles de calidad como resultado de la construcción de objetos metálicos capa por capa en vacío, con el rayo de electrones haciendo múltiples pasadas de cada capa del objeto. La primera pasada explora (scans) la cama de polvo para precalentar el material de construcción a una temperatura óptima. Una segunda pasada funde el borde de la capa, mientras que la siguiente pasada funde el material dentro de este límite. La tecnología involucrada en EBM es altamente sofisticada, con el rayo de electrones que son movidos por deflexión electromagnética, en lugar de ser dirigidos por espejos mecánicamente movidos. Una ventaja de la EBM sobre la DMLS y las tecnologías relacionadas es que pueden crearse partes de metal 100% solidas con muchísima precisión y cero distorsiones. Parte de esto se debe a que las piezas se imprimen en vacío.

El uso de la tecnología EBMs está restringido a la construcción con metales de elevado costo como varios grados de titanio y cromo-cobalto usando estos metales, ahora se fabrican piezas acabadas para uso aeroespacial y otros sectores especializados de la industria. Implantes médicos también se han fabricado usando esta tecnología. Los volúmenes máximos son normalmente de 35x35x38 cm en la maquina Arcams´s A2XX

Sinterización selectiva con calor (Selective Heat Sintering)

También la pionera de una tecnología de impresoras 3D que es similar a la sinterización con láser es una compañía llamada Blueprinter. Su innovación ha sido inventar un proceso llamado “selective heat sintering” (SHS) que usa una cabeza de impresión térmica para solidificar selectivamente polvos de plástico. La ventaja clave aquí es la habilidad para crea objetos de plástico completamente solidos a partir de polvos con hardware de costo de lejos más bajo que el requerido por la SLS, y también sobre el escritorio.

Dentro de la impresora SHS, una hoja o paleta extiende una capa de polvo a través de la cama de polvo. Una cabeza térmica entonces a través de la misma para fundir juntas las partículas requeridas.

El proceso entonces se repite hasta que el objeto ha sido impreso y puede ser removido de la cama de polvo.

Como con la mayoría de las tecnologías basadas en polvos, la SHS produce objetos que no requieren la adición de estructuras de soporte, gracias a que el polvo sobrante que rodea el objeto durante la impresión sostiene los voladizos y cualquier parte que inicialmente pueda estar aislada en su sitio. A su vez, SHS puede por lo tanto terminar en una alternativa popular la impresión 3D de plásticos por extrucción termoplástica. Una Blueprinter SHS de escritorio cuesta normalmente unos USD13.000, objeto, con un volumen de construcción de 16x20x14 cm, y produce modelos con capas de polvo de 0.1 mm de espesor.

6.- Deposición directa con energía (Directed Energy Deposition)

Aunque otro medio de crear objetos terminados de metal usando materiales en polvo es la “deposición con energía dirigida” (directed energy deposition) (DED), conocida también a veces como “Láser power forming”. Aquí el polvo de metal es direccionado dentro de un rayo láser de alto poder para irse depositando fundido he ir formando el objeto. Varias compañías han desarrollado esta tecnología, incluidas Optomec, que se refiere a esta por otro (apropiado) nombre de “láser engineered net shaping” (LENS).

unas variedades de materiales pueden ser impresos usando la deposición con energía direccionada, incluidos acero inoxidable, cobre, níquel, cobalto, aluminio y titanio. A diferencia de la cama de fusión de polvo (powder bed fusión), la alimentación del metal en polvo a la cabeza de impresión puede ser alterada continuamente durante la impresión. La deposición por energía dirigida puede por tanto fabricar objetos con propiedades que no pueden ser obtenidas usando métodos tradicionales de producción.

Debido a que el proceso de impresión no tiene lugar sobre una cama de polvo, la deposición directa con energía también tiene la ventaja de que puede reparar objetos existentes, así como fabricar otros nuevos. Mientras que los objetos creados con esta tecnología necesitan algún grado de acabado superficial (tal como un pulido mecánico), estos pueden por otro lado ser usados directamente después de que han sido imprésas como partes metálicas completamente densas o compactas.

7.- LAMINACION DE HOJAS (Sheet Lamination).

Lamination LOM (Laminated Object Manufacturing)

Hace láminas de metal o papel o plástico que une con aglomerante, (Note: puede prestarse para hacer los empaques.), este sistema puede prestarse para clientes que requieren prototipos Asap. Y más baratos.