¿Qué procesos y materiales existen en la impresión 3D, quién la inventó y qué se puede imprimir? ¡Lee nuestro blog!

Impresión 3D – Todo sobre el proceso de impresión 3D | print24

Impresión 3D – Todo sobre el proceso de impresión 3D

Impresión 3D

¿Quieres saber más sobre la impresión 3D? Entonces el blog de print24 es el lugar adecuado para ti. Te explicamos qué es la impresión 3D, cómo funciona, qué materiales y procesos están disponibles y cómo puedes beneficiarte de ella. Descubre el fascinante mundo de la impresión 3D con nosotros.

El mundo de la impresión ha dado un paso de gigante con el desarrollo de la impresión 3D. El proceso de impresión 3D es un hito de gran importancia para un amplio abanico de empresas. Todos los proveedores o fabricantes de piezas de repuesto, pequeñas series o incluso prototipos pueden producirlos más rápida y fácilmente, por lo que los procesos de la empresa se han acelerado y simplificado enormemente gracias al proceso de impresión 3D. En print24 puedes descubrir exactamente qué se entiende por impresión 3D, dónde se encuentran sus orígenes, qué diferentes procesos están disponibles y cuáles son sus ventajas.

El hot-end de una impresora 3D RepRap Mendel90 en acción.

<h3>Definición de impresión 3D</h3>La impresión 3D también se denomina fabricación aditiva o generativa. La idea que subyace a este proceso de fabricación es convertir un modelo numérico en un modelo tridimensional. Además, pertenece a los procesos de fabricación urforming, lo que significa que se produce un cuerpo sólido a partir de uno sin forma. El cuerpo tiene una forma geométricamente definida. En resumen, la impresión 3D es la creación de objetos físicos a partir de archivos digitales. Los datos digitales se generan mediante modelado CAD, datos de escáneres 3D o modelado 3D, pero la impresora 3D no puede leerlos directamente. Esto a su vez requiere un software que traduzca la forma geométrica al lenguaje de máquina de la impresora a través del código G". El software se denomina "slicer", que divide el objeto 3D en capas individuales. El objeto se construye/imprime capa a capa, de ahí el nombre de fabricación aditiva. Esto contrasta con la fabricación sustractiva, en la que el material se retira de los objetos existentes. La impresión de una impresora 3D es tridimensional, es decir, el objeto tiene una anchura, longitud y altura predefinidas. En consecuencia, la impresora 3D trabaja con un eje vertical (eje Z) además de los dos ejes horizontales habituales (ejes X e Y).

Impresoras 3D durante la impresión

<h3>Estructura y funcionamiento de una impresora 3D</h3>Entre las impresoras 3D, cabe distinguir entre impresoras abiertas y cerradas, aparatos completos y kits. Mientras que la mayoría se entregan completas, los kits deben ser montados primero por el usuario. Los dispositivos completos suelen ser más caros que los kits, pero el usuario se ahorra el montaje. En el caso de una impresora 3D cerrada, el espacio de instalación es cerrado. Dependiendo de dónde se vaya a utilizar la impresora, se puede elegir una versión abierta o cerrada. Básicamente, una impresora 3D consta de una cama de impresión/calentamiento, una estructura de soporte, un objeto de impresión, una boquilla, material de soporte y material de impresión. Sin embargo, la construcción puede diferir ligeramente dentro de una misma tecnología. Según la construcción mencionada, una impresora 3D funciona de la siguiente manera: En primer lugar, se calientan el lecho calefactor y la boquilla. A continuación, el lecho calefactor se desplaza hasta el cabezal de impresión. A continuación, se aplica filamento fundido (plásticos especiales, metales u otros materiales) al lecho calefactor hasta completar la primera capa. Cuando se ha completado la primera capa, el lecho calefactor se desplaza hacia abajo una distancia de una altura de capa, medida aquí en micras. La segunda capa de filamento se aplica sobre la anterior y se fusiona con ella. Si hay zonas que sobresalen, es posible utilizar una estructura de soporte del mismo material o de otro, para lo cual el material alternativo debe poder disolverse en agua o incluso en otra solución. El último paso se repite hasta completar el objeto 3D.

Impresora 3D todo en uno

<h3>Tipos de procesos de impresión 3D</h3>A continuación se presentarán los procesos de impresión 3D más comunes. Además de los mencionados, existen muchas otras variantes. Básicamente, se pueden distinguir los siguientes procesos de impresión 3D:<ul><li>Fusión selectiva por láser (SLM)/Sinterización selectiva por láser (SLS)</li><li>Fusión por haz de electrones (EBM)</li><li>Modelado por deposición fundida/Fabricación con filamento fundido (FDM/FFF)</li><li>Estereolitografía (STL/SLA)</li><li>Soldadura por acumulación láser</li><li>Imagen por transferencia de película (FTI)</li><li>Procesado digital de la luz (DLP)</li><li>Modelado Multi Jet / Modelado Poly Jet</li></ul>

Compleja estructura reticular realizada mediante impresión 3D.

En el proceso de fusión selectiva por láser, se aplica un metal consistente en un polvo que es fundido por el láser. A continuación, se reduce el grosor de la capa del objeto de impresión deseado, se vuelve a aplicar polvo y se funde. La impresión 3D tiene lugar en una atmósfera protectora; se pueden procesar metales, plásticos, arena o cerámica. En cambio, el sinterizado selectivo por láser (SLS) no utiliza polvo de metal puro, sino que añade un aglutinante. Además, el polvo especial sólo se funde parcialmente, lo que hace que el material se pegue. La fusión por haz de electrones (EBM) también utiliza polvo y lo procesa del mismo modo que la fusión selectiva por láser, salvo que se utiliza un haz de electrones en lugar de un láser. Un muelle con soporte magnético lo posiciona y dirige. En la aplicación del modelado por deposición fundida/fabricación con filamento fundido (FDM/FFF), primero se calienta un plástico especial y después se imprime el objeto 3D en láminas. En este proceso, el filamento se transporta a través de una bobina hasta la boquilla, desde donde se aplica a la placa de impresión, donde se solidifica directamente. Como la superficie del objeto suele quedar algo rugosa después de la producción, hay que retocarla. El resultado del trabajo de precisión es satisfactorio. El endurecimiento del plástico líquido con ayuda de luz UV tiene lugar en el proceso de estereolitografía (STL/SLA). El objeto 3D se fabrica en un baño de plástico líquido, utilizando un láser para endurecer las capas individuales. Una vez finalizado el proceso, se retiran las estructuras de soporte utilizadas y se cura el objeto 3D. Los modelos tienen una precisión muy alta. La soldadura por acumulación láser utiliza un láser de diodo o de fibra. Aplica un polvo metálico o un alambre metálico a la pieza de trabajo con la ayuda de una boquilla. Al utilizar el polvo, la impresora 3D funciona de forma totalmente automática, lo que la hace adecuada para su uso en la reparación de componentes o la producción de prototipos. Film Transfer Imaging (FTI) implica la aplicación de una fina película de material sobre una lámina de transporte. Las capas se crean mediante iluminación, después se levanta la pieza y se aplica una nueva película. Este proceso continúa hasta completar el objeto 3D, que tiene un nivel de precisión muy elevado. En la FTI se utilizan plásticos sensibles a la luz como filamento. En el procesamiento digital de la luz (DLP), el objeto 3D se crea a partir de un baño de plástico. El proceso es una mezcla de la tecnología de impresión 3D STL y FTI, en la que la tecnología FTI se utiliza como en RTI. Por su parte, Multi Jet Modelling/Poly Jet Modelling utiliza una técnica similar a la de la impresora de chorro de tinta. En este caso, se conectan varias boquillas a un cabezal de impresión, que imprime el modelo 3D capa por capa. Los modelos se caracterizan por un nivel de detalle muy elevado y como filamentos se utilizan fotopolímeros sensibles a los rayos UV, que se endurecen con la luz.

Bobina de filamento utilizada para la impresión 3D

<h3>Los materiales para los procesos de impresión 3D</h3>Debido al avance de la tecnología, a lo largo de los años el material para la impresión 3D ha tenido que adaptarse a ella una y otra vez. A continuación presentamos los materiales especializados más importantes, como plásticos o metales:

<h4>Plásticos para impresión 3D</h4>El PLA (poliactida) es uno de los materiales más populares para la impresión 3D. Este polímero sintético pertenece al grupo de los poliésteres, se obtiene del almidón de maíz, es decir, de recursos regenerativos, y es biocompatible y reciclable. El PLA ya se puede procesar a temperaturas de fusión bajas, de 70 °C, y suele permanecer dimensionalmente estable incluso al enfriarse. Estas dos propiedades hacen que el PLA resulte atractivo tanto para usuarios particulares como profesionales. El PLA ya está disponible en muchos colores diferentes. La única desventaja del material es que sólo es ligeramente robusto y resistente al calor, por lo que no es adecuado para la producción de componentes sometidos a grandes esfuerzos. El ABS (acrilonitrilo butadieno estireno) es el segundo material plástico más utilizado en la impresión 3D y también es un polímero sintético. Se fabrica a partir de acrilonitrilo, 1,3 butadieno y estireno. Sus propiedades más ventajosas son la resistencia, rigidez y dureza del material. Puede utilizarse para la creación de prototipos y la fabricación de productos finales. El ABS se imprime a una temperatura de entre 220 y 250 °C y debe imprimirse en una sala de impresión o un lecho de impresión con calefacción. De este modo, los objetos fabricados pueden enfriarse y se evitan deformaciones. Al igual que el PLA, el ABS está disponible en diferentes colores y es relativamente barato, pero debido a las altas temperaturas que implica la impresión 3D, es menos popular entre los usuarios privados. Tampoco tiene suficiente resistencia a la intemperie. Los PEEK (polieteretercetona) son polímeros sintéticos del grupo de las polieteretercetonas. Con ellos se pueden imprimir objetos muy elásticos y resistentes a la temperatura. También son biocompatibles y resistentes a los productos químicos. El termoplástico PEEK es aproximadamente un 70 % más ligero que los metales con propiedades similares, pero tiene una estabilidad mecánica y térmica comparable. Por ello, el sector del automóvil, la industria química y la industria aeroespacial prefieren utilizar PEEK. Se imprime entre 360 y 380 °C, por lo que no es muy adecuado para uso privado. El HIPS (poliestireno de alto impacto) también pertenece a los polímeros termoplásticos y se produce polimerizando polibutadieno en poliesterol. Tiene una gran resistencia al impacto y dureza y puede disolverse en productos químicos. Esto lo hace especialmente adecuado como material de soporte para otros polímeros. Se elimina químicamente, por lo que se pueden mantener incluso tolerancias estrictas en los componentes fabricados. El PA (nailon/poliamida) tiene una gran resistencia a la tracción, funde a 250 °C y no es tóxico. Los objetos 3D creados con nailon son duros y resistentes a los daños. El nailon no se daña con los productos químicos más comunes y es barato. Sin embargo, la desventaja de este material es que apenas es adecuado para uso privado debido a las altas temperaturas de fusión y requiere tanto una cama de impresión calentada como cola blanca para que se adhiera a la cama de impresión durante la impresión 3D. La mayoría de la gente conoce el PET (tereftalato de polietileno) por las botellas de bebidas. Aquí también radica la ventaja, porque el PET es apto para alimentos y puede utilizarse para envases. Como no se producen vapores durante el proceso de fusión, la impresión 3D con PET no requiere una sala de impresión con calefacción. Esto hace que la aplicación sea popular en el sector privado. Los objetos 3D fabricados con PET son relativamente robustos y, al mismo tiempo, flexibles. El PETG (PET con glicol) consigue una gran transparencia del material mediante la modificación con glicol. Esto también mejora las propiedades de impresión. El resultado es una temperatura de fusión más baja y una menor cristalización. El PETG puede extruirse más rápido que el PET y es resistente a la intemperie. Por eso se utiliza a menudo para muebles y herramientas de jardín, así como para jarrones.

Botellas de plástico

<h4>Metales para impresión 3D</h4>Además de los plásticos mencionados, los metales también pueden utilizarse en la impresión 3D. El aluminio o las aleaciones de aluminio convencen en la impresión 3D por su resistencia y sus buenas propiedades térmicas. Además, los objetos 3D son ligeros y pueden reelaborarse con flexibilidad. Las industrias automovilística, aeroespacial y aeronáutica se benefician del uso de aleaciones de aluminio; piezas de motores, carcasas, moldes, prototipos, conductos de aire y mucho más se producen mediante impresión 3D. El titanio o las aleaciones de titanio se encuentran entre los más conocidos en la impresión 3D con metales. Tiene unas propiedades mecánicas extraordinarias y, al mismo tiempo, un peso específico bajo. El material es resistente a la corrosión y puede utilizarse en muchos entornos con elevados requisitos técnicos, como la aviación. Dispositivos médicos, piezas de repuesto, prototipos funcionales o piezas para el usuario final son los objetos 3D más comunes fabricados con aleaciones de titanio. Otro metal utilizado en la impresión 3D es el acero inoxidable/aleación de acero inoxidable. Tiene bajo contenido en carbono y es muy resistente a la corrosión. Las piezas fabricadas adecuadamente también tienen una excelente resistencia, buenas propiedades térmicas y alta ductilidad. La impresión 3D con acero inoxidable se utiliza preferentemente para componentes de maquinaria o aplicaciones alimentarias. Además de plásticos y metales, la cerámica, la arena, el hormigón y el vidrio también se encuentran entre los materiales utilizados en la impresión 3D.

Estación de trabajo con impresora 3D todo en uno

<h3>Historia de la impresión 3D: ¿Quién inventó la impresora 3D?</h3>La historia de la impresión 3D se remonta al siglo XIX. En 1859, el francés François Willème, que trabajaba como fotógrafo y escultor, inventó un aparato que permitía crear un modelo 3D con la ayuda de varias cámaras. En 1892, el austriaco Joseph E. Blanther solicitó una patente para la producción de mapas en relieve. Para la producción de estos mapas, en aquella época se laminaban placas de cera de las que se recortaba la forma deseada y se pegaban unas sobre otras. De este modo se creaba el mapa en 3D a través de varias capas. Después de que no se conociera ningún otro desarrollo de la impresión 3D en el siglo XX durante varias décadas, el inventor japonés Hideo Kodama solicitó finalmente otra patente en 1980: En ella describía cómo un material fotopolímero se endurece mediante luz ultravioleta y de este modo se crea un modelo capa a capa, lo que es similar al principio de la estereolitografía. Al no poder seguir pagando la solicitud de patente por dificultades financieras, perdió fama. En 1984, los franceses Alain le Méhauté, Olivier de Witte y Jean-Claude André intentaron obtener una patente para el proceso en el que se endurece un líquido con una fuente de luz. También lo llamaron estereolitografía. Sin embargo, el instituto de investigación contactado no supo ver el potencial del invento y detuvo el proyecto. Finalmente, fue el estadounidense Chuck W. Hull quien solicitó la patente tres semanas más tarde. Ya había inventado la estereolitografía en 1981, que se puso en práctica por primera vez en 1983. En 1985, ya estaba disponible el primer programa de diseño en 3D y, en 1986, fundó la ahora mundialmente famosa empresa 3D Systems. En 1988, salió al mercado la primera impresora 3D (máquina SLA-1).&nbsp; En 1992 se fabricó en DTM la primera máquina de sinterización selectiva por láser, que irradiaba polvo con luz láser según el proceso. Le siguió una impresora 3D de Z Corp, que utilizaba el proceso de inyección de aglutinante. A finales de los años 90, además de plásticos se podían procesar metales y se lanzaron más programas CAD. En la década de 2000 cobró impulso la fabricación aditiva, que se estableció en la medicina. Por primera vez, se implantó en un ser humano un órgano impreso en 3D. La década de 2000 estuvo marcada por nuevos avances. Las impresoras 3D ya podían producir piezas para otras impresoras 3D y entraron en el mundo laboral. A partir de 2010, los nuevos modelos también podían imprimir prototipos de coches, surgieron las impresoras 3D de alimentos, los primeros componentes impresos en 3D para estaciones espaciales y las prótesis de mandíbula y hueso. Asimismo, las pequeñas y medianas empresas se beneficiaron de la impresión 3D, que les permitió producir prototipos de forma más barata. En la actualidad, el proceso de producción aditiva de plástico más productivo es el proceso Multi Jet Fusion, por el que los objetos resultantes tienen una superficie homogénea y una densidad de material casi sin poros. ¿Qué nos depara el futuro? Es muy probable que la tecnología de impresión 3D evolucione hacia la producción en masa, ya que cada vez se pueden imprimir más materiales en menos tiempo y en alta calidad.

Persona imprimiendo con una impresora 3D

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