charles-hull-origen-impresoras-3D

Para comenzar este curso, vamos a situarnos en el contexto histórico de la impresión 3D. Al descubrir una impresora nos surgen varias preguntas, ¿cuánto tiempo llevan existiendo?, ¿por qué surgió la idea de impresión 3D?, ¿qué otros sistemas de prototipado rápido hay? ¡Vamos a descubrirlo!

Todo comenzó en 1984, cuando Charles Hull inventa el método de la estereolitografía (SLA), proceso de impresión orientado a maquetas para la prueba de prototipos antes de su fabricación en cadena. Hull trabajaba en una empresa realizando objetos de plástico, y le resultaba muy tedioso tener que hacer primero un molde para después inyectar el plástico. Esto le llevó a pensar que sería más sencillo si pudiera fabricar el objeto directamente, creándolo capa a capa con el mismo plástico.

Así fue como Charles Hull inventó hace más de 30 años en su garaje de California esta nueva tecnología que ha revolucionado la sociedad de manera inimaginable; con su primera pieza impresa, una copa de plástico negro.

Desde ese momento, el mundo de la impresión 3D ha ido evolucionando poco a poco, empezando por el prototipado rápido. Esta técnica se ha ido desarrollando y creciendo en más ámbitos y con fines más ambiciosos. Hoy se puede decir que la impresión 3D nos transforma de consumidores a creadores de nuestros propios productos.

Algunos de los ámbitos en los que las impresoras 3D se han abierto paso y están tomando importancia en la actualidad son: educación, bioimpresión tridimensional, medicina reconstructiva, automovilismo, moda, aplicaciones espaciales, alimentación o construcción, entre otros.

Además, desde que nacieron, han surgido diferentes técnicas de prototipado y tipos de máquinas, motivado por la posibilidad de obtener de manera rápida y exacta una réplica tridimensional de los diseños generados en el ordenador. A continuación, vamos a explicar las principales.

Técnicas de prototipado

Para comparar las diferentes técnicas que vamos a explicar, estableceremos una clasificación. Las vamos a diferenciar entre técnicas de prototipado aditivas, aquellas en las que se realiza aporte de material; y técnicas sustractivas, aquellas en las que se retira material hasta adoptar la forma deseada. También diferenciaremos entre aquellas en las que se prototipa punto a punto o por capas completas. Empleando o no láser y, por último, según la fase del material de suministro, líquida, sólida o en polvo.

Técnica
Estereolitografía
Aditiva
Punto a punto
Con láser
Líquida
Curado en base sólida
Aditiva
Capa completa
Sin láser
Líquida
Sinterizado selectivo por láser
Aditiva
Punto a punto
Con láser
Polvo
Modelado por deposición fundida
Aditiva
Punto a punto
Sin láser
Líquida
Fabricación laminada
Sustractiva
Capa completa
Con láser
Sólida
Mecanizado a alta velocidad
Sustractiva
Punto a punto
Sin láser
Sólida

¡A continuación te las explicamos todas en detalle!

Técnicas aditivas

La Estereolitografía fue la primera técnica de prototipado. Utiliza la estratificación para la construcción de un modelo de diseño. La máquina estereolitográfica tiene un contenedor lleno de una resina líquida fotopolimérica (monómero fotosensible) que polimeriza o solidifica al recibir radiación luminosa. Es decir, el láser de radiación ultravioleta o visible traza cada sección del modelo CAD sobre la plataforma horizontal móvil con la resina, materializando así el modelo CAD de la parte.

El proceso empieza con el elevador situado a una distancia de la superficie del líquido igual al grosor de la primera sección a imprimir. El láser sigue la superficie de la sección y su contorno. Una vez solidificada esta sección, el elevador baja su posición para situarse a la altura de la siguiente lámina. Se repite dicha operación hasta conseguir la pieza
final. Como consecuencia, la creación de los prototipos se inicia en su parte inferior y finaliza en la superior.

La solidificación se puede hacer punto a punto o capa a capa, y posteriormente se realiza el post-curado en un horno. Tiene buen acabado superficial, es rápido y preciso. Sin embargo las resinas son tóxicas y caras, y los modelos frágiles.

Puedes ver el proceso de fabricación por estereolitografía en ese vídeo.

impresion3D-estereolitografia

  1. láser
  2. elevador
  3. contenedor
  4. resina
  5. plataforma

El Curado en Base Sólida es un proceso similar al anterior, porque también solidifica un fotopolímero o resina fotosensible.

Primeramente se genera un modelo CAD dividido por capas. Para cada capa se genera una máscara (o contorno de capa) con el negativo de la forma deseada. Se distribuye una capa plana y delgada de fotopolímero líquido sobre la superficie de trabajo o base, y se coloca la máscara encima. Se expone entonces a una fuente UV de alta energía, que llega desde un cabezal óptico móvil e irradia todos los puntos de la sección simultáneamente. El líquido expuesto a la fuente solidifica y el que queda oculto por la máscara queda en estado líquido. Acto seguido se limpia el área de trabajo con un rodillo, retirando el líquido sobrante (que es reutilizable) y se rellenan las áreas abiertas de la capa con cera caliente, la cual servirá de sostén al enfriarse.

Las ventajas son la alta velocidad, una resistencia aceptable y que no es obligatorio el uso de soportes. Como contra, el equipo necesario es de uso complejo, no es posible fabricar piezas con huecos y se emplean grandes cantidades de resina y cera.

A continuación, puedes ver un vídeo explicativo del proceso de Curado en Base Sólida.

impresion3D-curado-base-solida

  1. espejo
  2. cabezal óptico móvil
  3. base
  4. contorno de capa
  5. láser
  6. rodillo caliente
  7. material laminado
  8. alimentación
  9. plataforma
  10. colector
  11. bloque

El Sinterizado Selectivo por Láser es una técnica en la que un láser sinteriza el material de base en forma de polvo, capa a capa, consiguiendo que las áreas seleccionadas se fundan y solidifiquen. El modo de generación de las piezas es similar a la Estereolitografía, en el que los elementos son generados de capa en capa, iniciando el proceso por las cotas más bajas y terminados por las superiores. El material sobrante es reutilizable.

Como se muestra en la figura siguiente, un haz de láser es reflejado mediante espejos sobre una fina capa de polvo que se ha depositado en una cuba, y que ha sido calentada a una temperatura ligeramente inferior al punto de fusión del polvo. Este láser realiza el aporte de energía necesaria para fundir las partículas de polvo logrando que éstas se unan las unas a las otras.

El aporte de nuevas capas se efectúa mediante un cartucho de alimentación, a través de un pistón que expulsa polvo a la superficie. El rodillo de nivelación se encarga de extender esta nueva capa de polvo de manera uniforme para ser sinterizado. Este proceso se repite una y otra vez hasta estar la figura terminada.

Es una técnica atractiva porque permite la fabricación de piezas con buena precisión a partir de materiales muy distintos (policarbonato, nylon, ABS, metales, cerámicos) y cualquier geometría. Además, no precisa de proceso de post-curado ni materiales de soporte. Por el contrario, es un proceso lento y emplea equipos complejos.

Sigue el vídeo y aprende cómo funciona el sinterizado selectivo por láser.

impresion3D-sintetizado-selectivo-laser

  1. láser
  2. óptica
  3. espejo de exploración
  4. rodillo de nivelación de polvo
  5. polvo no sinterizado
  6. pieza en construcción
  7. cartucho de recepción de polvo
  8. parte del cilindro y cama de polvo
  9. cartucho de alimentación

El Modelado por Deposición Fundida (MDF o FDM en sus siglas inglesas) es la técnica mediante la cual un filamento se desenrolla de una bobina (o carrete de material) y abastece material hacia un extrusor. Este cabezal funde el material para extruirlo, y lo deposita sobre las capas inferiores más frías, desplazándose por la cama de impresión de acuerdo con la geometría requerida. De esta forma, capa a capa, se genera el modelo de la pieza a fabricar.

El plástico se endurece nada más salir del cabezal de extrusión y se adhiere a la capa de abajo. Para sustentar las zonas en voladizo de la pieza, se extruye un segundo material de soporte que se elimina fácilmente,

El proceso de MDF se puede visualizar en este vídeo.

Esta técnica se ha convertido en la técnica aditiva más utilizada por sus grandes ventajas, entre las que se encuentran el uso de materiales de bajo coste, inodoros, seguros y no tóxicos, la gran variedad que pueden ser utilizados, la estabilidad que presentan los modelos, y la facilidad de manejo y mantenimiento. Como desventaja, puede resultar lento para piezas de gran tamaño.

impresion3D-fdm-modelado-deposicion-fundida

  1. extrusor
  2. material extruido
  3. soportes
  4. cama de impresión
  5. plataforma
  6. carrete de material
  7. soporte del carrete

Técnicas sustractivas

El Mecanizado de Alta Velocidad es el método en el que una máquina de control numérico genera automáticamente el programa de control de alta velocidad a partir de archivos CAD. Para realizar la pieza se parte de una preforma, a la que se va eliminando el material sobrante con una herramienta de mecanizado, por sucesivas pasadas, hasta generar la pieza final.

Es una técnica barata y rápida, que permite buenos acabados superficiales.

Puedes ver el funcionamiento del mecanizado a alta velocidad en este vídeo de un minuto y medio.

impresion3D-mecanizado-alta-velocidad

  1. agarre de preforma
  2. preforma
  3. punta de herramienta
  4. herramienta

La Fabricación Laminada se basa en el uso de una hoja de papel encolada que se posiciona automáticamente sobre una plataforma y se prensa con un rodillo calentado, quedando adherida a la hoja precedente.

Se genera el fichero CAD y se pasa a la fase de construcción. En esta fase, las capas finas de adhesivo recubierto con material son secuencialmente unidos el uno al otro, siendo previamente cortados por el rayo láser. El láser incide sobre la superficie a través de un espejo, quemando el perímetro indicado por el modelo CAD en cada sección transversal. Una vez hecho esto, todo lo que se encuentra dentro de los límites se libera de la hoja. La plataforma con la pila de capas desciende y una nueva sección de materiales avanza gracias al alimentador. Vuelve a ascender la plataforma y el material calentado se superpone para ir uniéndose a la pieza repitiendo el proceso. Finalmente se separa del material de apoyo.

Nos permite usar gran velocidad. Además, proporciona modelos con buena precisión y características mecánicas. Sin embargo, el factor temperatura es crítico y ha de mantenerse constante a lo largo del proceso. Desperdicia una gran cantidad de material y es sensible a la humedad.

Sigue este vídeo con gráficos para ver cómo se realiza el proceso de laminación.

impresion3D-fabricacion-laminada

  1. laser
  2. espejo
  3. cabezal óptico
  4. rodillo calentado
  5. alimentador
  6. plataforma
  7. colector

A lo largo de este curso, nos centraremos en el Modelado por Deposición Fundida. En el siguiente post del curso explicaremos el movimiento RepRap, que surgió en el 2009, después de que expirara la patente que la compañía americana Stratasys tenía sobre la tecnología de Modelado por Deposición Fundida. Te explicaremos qué es y te contaremos el crecimiento que ha experimentado la impresión 3D en los últimos años. ¡No te lo pierdas!

3 comentarios

  1. Pingback: ¿Cómo surgió el mundo de l...

  2. Felicidades por su trabajo, muy buenos articulos, si un día desea compartir para su difusión con nosotros estariamos encantados, saludos

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