Fundamentos de la impresión 3D
La impresión 3D (también conocida como fabricación aditiva) es el proceso de fabricación de objetos físicos en 3D a partir de un archivo digital añadiendo sucesivamente capas de material mediante una impresora 3D. Al utilizar un proceso aditivo, la 3DP es lo contrario de los métodos convencionales de fabricación sustractiva, en los que el material se corta sucesivamente de un bloque sólido. La diferencia entre un proceso sustractivo y uno aditivo se esquematiza en la siguiente imagen.
Proceso sustractivo (arriba) frente a proceso aditivo. Fuente: http://ludoreng.com/
Tecnologías de impresión 3D disponibles
En la actualidad existen muchas tecnologías 3DP que utilizan distintos tipos de materiales (sólidos (láminas, filamentos, pellets), líquidos, polvos, lodos) y diferentes enfoques.
La estereolitografía (SLA) crea objetos curando selectivamente una resina capa por capa mediante una fuente de luz (un láser o un proyector). El procesamiento digital de la luz (DLP) es muy similar a la SLA, salvo que el DLP utiliza un proyector de luz digital para mostrar una sola imagen de cada capa a la vez. El Sinterizado Láser Selectivo (SLS) utiliza un láser que induce selectivamente la fusión entre las partículas de polvo dentro de un área de construcción para crear un objeto sólido. Existen muchas otras tecnologías 3DP y se siguen desarrollando otras nuevas.
Sin embargo, la mayoría de ellas son demasiado complicadas y costosas para ser consideradas en la educación de adultos poco cualificados. La tecnología 3DP más popular y asequible es el modelado por deposición fundida (FDM). Además, el FDM es fácil de usar y muy adecuado para la educación de adultos. Por consiguiente, este módulo se centrará en el FDM.
El FDM deposita capas consecutivas de material a altas temperaturas, permitiendo que las capas adyacentes se enfríen y se unan antes de depositar la siguiente capa.
FDM technology. Source: http://ludoreng.com/
Flujo de trabajo 3DP
La 3DP implica normalmente el uso de un ordenador, un modelo digital en 3D, un software para la preparación del modelo en 3D, una impresora 3D y materia prima.
En primer lugar, se necesita el modelo 3D del objeto que se va a imprimir. Este tiene que ser procesado para obtener un archivo que pueda ser utilizado por la impresora 3D. Normalmente, esto significa convertir el modelo 3D en un archivo .stl, si es necesario, y cortar el archivo .stl en un conjunto de secciones 2D utilizando un software de corte. El software de corte también establece los parámetros del proceso de impresión 3D y, al final, genera un archivo que contiene todas las instrucciones que necesita la impresora 3D para completar el trabajo. Este archivo (normalmente un archivo .gcode, es decir, un archivo que contiene comandos en G-Code, que es un lenguaje que las impresoras 3D pueden leer) se introduce en la impresora 3D, que a continuación deposita capas sucesivas de material fundido para fabricar la pieza. El flujo de trabajo típico de la 3DP se esquematiza en la siguiente imagen.
Flujo de trabajo típico de la impresión 3D. Fuente: Ludor Engineering
Obtención de modelos 3DP
Hay varias formas de obtener un modelo 3D para la 3DP: modelando en 3D con un software adecuado, escaneando en 3D o descargándolo de un repositorio online especializado.
Hay muchos programas informáticos disponibles para crear modelos 3D, incluidos algunos gratuitos, para todos los niveles, desde el principiante hasta el profesional. En la siguiente tabla se indican algunos de ellos. Además, hay muchos recursos educativos y tutoriales que pueden utilizarse para aprender a crear tus propios modelos 3D. El modelado en 3D es una habilidad indispensable cuando quieres crear tus propios objetos.
* Gratis para estudiantes y educadores
El escaneado 3D es un método utilizado para capturar la forma de un objeto mediante un escáner 3D o un teléfono inteligente con una aplicación adecuada. Las aplicaciones de escaneo 3D se basan en la fotogrametría, una tecnología que crea modelos 3D a partir de fotos 2D tomadas desde diferentes ángulos, que luego se «cosen» con un software. Algunas aplicaciones de escaneado 3D se indican en la siguiente tabla.
La forma más sencilla de obtener un modelo 3D para 3DP es descargarlo de uno de los muchos repositorios en línea disponibles. Muchos de estos modelos son gratuitos. Algunos de los mejores repositorios de este tipo se indican en la siguiente tabla.
Software de impresión 3D en rodajas
Los cortadores son programas que toman el modelo 3D (normalmente en formato .stl), lo dividen en varias capas, incluyen los ajustes de la impresora 3D (como la temperatura, la altura de la capa, la velocidad de impresión, etc.) y generan el archivo de código G que proporciona las instrucciones que necesita la impresora 3D para fabricar el objeto. Hay muchos cortadores disponibles y la mayoría de ellos son gratuitos. Algunos de los cortadores más populares se indican en la siguiente tabla.
Impresoras 3D FDM
Una impresora 3D FDM utiliza filamento continuo, que se introduce a través de un mecanismo de engranajes en un calentador que lo calienta y lo funde. A continuación, el filamento fundido se expulsa de la boquilla a la cama de impresión en la geometría deseada. Después de cada capa, la cama de impresión (o la boquilla) se mueve en el eje vertical y se añade la siguiente capa hasta que el objeto está completamente impreso en 3D. El proceso se esquematiza en la siguiente figura.
Proceso FDM. Fuente: Ludor Engineering
Los principales componentes de una impresora 3D FDM son:
- El marco: mantiene unidas todas las demás partes de la impresora 3D. Puede ser de chapa, aluminio, plástico, madera contrachapada o incluso impresa en 3D.
- Lecho de impresión: es la superficie sobre la que se imprimen los objetos. Se puede calentar, lo que resulta muy útil para evitar que los objetos se deformen y se desprendan de la cama durante el proceso de impresión.
- Extrusor – una pieza esencial que tiene dos partes: el extremo frío con motor, que atrae el filamento y lo empuja, y el extremo caliente donde el filamento se funde y se expulsa.
- -Mecánica de movimiento del cabezal – hay varios tipos, los más comunes son
- Cartesiana: las impresoras tienen un marco rectangular en el que cualquier movimiento puede producirse a lo largo de uno de los tres ejes perpendiculares: X, Y o Z.
- o Delta – el extrusor es sostenido por tres brazos en una configuración triangular y la cama de impresión suele ser circular y no se mueve.
- Polar – utiliza el sistema de coordenadas polares, donde el posicionamiento se determina por un ángulo y una longitud.
- Brazo robótico.
- Motores paso a paso: utilizados para el control preciso de la posición.
- Componentes eléctricos: fuente de alimentación, placa base, controladores de paso, ranura para tarjetas SD, interfaz de usuario.
Principales componentes de una impresora 3D FDM. Fuente: Ludor Engineering
- Las impresoras 3D FDM pueden clasificarse en dos grupos principales: impresoras 3D industriales y de sobremesa. Las impresoras 3D FDM de sobremesa son adecuadas para la creación de prototipos y la producción de bajo volumen, mientras que las industriales se emplean para piezas de alta calidad totalmente funcionales, con gran tamaño, alta precisión y elevadas propiedades de los materiales. Las principales diferencias entre las impresoras de sobremesa y las industriales son los costes asociados y las capacidades de producción, como puede verse en la siguiente tabla.
Fuente: https://www.3dhubs.com/knowledge-base/industrial-fdm-vs-desktop-fdm/
Impresora industrial FDM 3D. Fuente: Ludor Engineering
Impresora 3D FDM de sobremesa. Fuente: Ludor Engineering
Materiales 3DP
La FDM 3DP utiliza un filamento continuo de termoplástico, un material que se funde cuando se calienta a una determinada temperatura y se solidifica cuando se enfría. Los filamentos vienen en diferentes tipos, normalmente en bobinas de diferentes tamaños y pesos. Se suelen utilizar dos diámetros de filamento: 1,75 mm (el más popular) y 3 mm/2,85 mm.
Filamento de impresión 3D utilizado en FDM. Fuente: Ludor Engineering
Hay muchos tipos de filamento que pueden ser utilizados por las impresoras 3D FDM. Los más populares son el PLA y el ABS. El PLA es el filamento preferido para el 3DP de aficionados debido a sus buenas características y su bajo precio. El ABS también es barato y puede utilizarse para hacer piezas funcionales. Para aplicaciones más exigentes, se pueden utilizar materiales como el Policarbonato (PC), el Nylon y el PETG. El PC es útil para aplicaciones de alta temperatura y es más resistente que el PLA y el ABS, pero también es flexible. El nylon ofrece una alta flexibilidad y una gran resistencia a la vez que es extremadamente ligero. Las piezas de nylon impresas no son tan frágiles como las impresas con ABS o PLA, por lo que pueden ser 10 veces más resistentes sin agrietarse o romperse. El PET es el plástico más utilizado en el mundo y sus variantes PETG y PETT se emplean a menudo en 3DP. El PETG combina la fuerza, la resistencia a la temperatura y la durabilidad del ABS con la facilidad de uso del PLA, mientras que el PETT es fuerte y puede ser apto para alimentos y transparente.
Algunos tipos especiales de filamento, solubles en agua u otra sustancia, se utilizan para crear estructuras de soporte que son necesarias cuando la pieza impresa tiene salientes o características suspendidas en el aire, como en el ejemplo de la siguiente imagen.
Estructuras de soporte (en rojo) y la pieza impresa en 3D (en azul). Fuente: Ludor Engineering
Normalmente se utiliza una impresora 3D con dos boquillas, una que imprime la pieza con filamento normal y la segunda que imprime las estructuras de soporte. A continuación, la pieza se introduce en la sustancia disolvente hasta que se disuelven todos los soportes. Estos materiales son el PVA (material soluble en agua, que se utiliza como soporte con el material PLA) y el HIPS (que se disuelve en una solución de limoneno y se utiliza como soporte con el material ABS).
PVA utilizado como soporte. Fuente: filamentguide.net
Los elastómeros termoplásticos (TPE) pueden utilizarse para imprimir en 3D objetos flexibles como calzado o correas de transmisión. El TPU (poliuretano termoplástico) es uno de los tipos de TPE más utilizados.
Calzado impreso en 3D en TPE. Fuente: Adidas
Los filamentos compuestos de polímeros reforzados con metales, vidrio, carbono, cerámica, etc. también se utilizan en FDM.
El PEEK y el PEI son materiales con propiedades mecánicas, térmicas y de resistencia química excepcionalmente altas que se mantienen a altas temperaturas. Sin embargo, deben imprimirse en impresoras 3D con altas capacidades (capaces de manejar temperaturas superiores a 400 °C).
La amplia gama de filamentos disponibles en FDM puede dividirse en 3 grupos principales: termoplásticos estándar, materiales de ingeniería y termoplásticos de alto rendimiento.
La pirámide de materiales FDM. Fuente: Ludor Engineering
Los materiales FDM más comunes en 3DP se resumen en la siguiente tabla junto con algunas indicaciones sobre sus características.
Ventajas y limitaciones del 3DP
El 3DP tiene algunas ventajas importantes:
- Fabricación en un solo paso – a diferencia de las tecnologías tradicionales que suelen requerir un gran número de pasos de fabricación para producir una pieza, la 3DP completa una pieza en un solo paso.
- Sin necesidad de utillaje – la 3DP no necesita moldes, plantillas u otro tipo de utillaje, por lo que es muy conveniente para la producción de piezas únicas o lotes pequeños.
- Personalización eficiente – la personalización de un producto mediante 3DP sólo requiere la modificación de su archivo 3D, por lo que prácticamente no hay costes adicionales.
- Libertad de diseño y complejidad – formas y geometrías muy complejas, a veces imposibles o muy caras de conseguir con otros métodos, pueden obtenerse mediante 3DP.
- Impresión bajo demanda – al almacenar los modelos digitales en 3D de las piezas e imprimirlas sólo cuando se necesitan, se reduce el espacio necesario para almacenar el inventario y los costes.
- Producción rápida – dependiendo del diseño y la complejidad de una pieza, es mucho más rápido imprimirla en 3D que obtenerla mediante mecanizado o moldeado.
- Minimización de residuos – como tecnología aditiva, la 3DP produce poco o ningún desperdicio.
Sin embargo, la 3DP también tiene limitaciones:
- Gama reducida de materiales que pueden imprimirse en 3D: la mayoría son plásticos.
- Tamaño restringido de las piezas que pueden producir las impresoras 3D.
- Caro, para grandes volúmenes de fabricación – el coste por pieza impresa en 3D permanece constante independientemente del número de piezas producidas mientras que para los métodos de fabricación tradicionales el coste unitario disminuye con el aumento de la tirada de producción. En consecuencia, la 3DP puede ser más económica para un lote pequeño pero más cara a medida que aumenta la tirada de producción.
- Baja resistencia y durabilidad: las piezas impresas en 3D suelen ser más débiles que sus equivalentes fabricados de forma tradicional.
- Baja precisión y baja calidad superficial.
- Las impresoras 3D son lentas.
Aplicaciones 3DP
La 3DP es un método muy fácil, asequible y rápido para producir prototipos, lo que permite un desarrollo más rápido de los productos.
Un prototipo realizado con 3DP. Fuente: Ludor Engineering
El 3DP, especialmente el FDM, puede producir prótesis a bajo coste y en poco tiempo.
Una mano impresa en 3D. Fuente: StarWarsRey, Star Wars Bionic hand, CC BY-SA 4.0
Las impresoras 3D FDM se utilizan en la educación, en todos los niveles, desde los jardines de infancia hasta la educación de adultos.
Mano robótica impresa en 3D con fines educativos. Fuente: Ludor Engineering
Los modelos arquitectónicos impresos en 3D pueden producirse rápidamente a una fracción del coste requerido por las técnicas tradicionales.
Un modelo arquitectónico impreso en 3D. Fuente: Ludor Engineering
El FDM puede producir piezas resistentes y funcionales para una amplia gama de usos industriales y domésticos.
Pieza funcional impresa en 3D. Fuente: Ludor Engineering
El FDM es adecuado tanto para el uso industrial como para el doméstico. Las aplicaciones domésticas incluyen la creación de objetos, piezas de reparación y herramientas necesarias en el hogar.
Herramienta doméstica fabricada por 3DP. Fuente: Ludor Engineering