La imprecion en 3D
Es un grupo de tecnologías de fabricación por adición donde un objeto tridimensional es creado mediante la superposición de capas sucesivas de material. Las impresoras 3D son por lo general más rápidas, más baratas y más fáciles de usar que otras tecnologías de fabricación por adición, aunque como cualquier proceso industrial, estarán sometidas a un compromiso entre su precio de adquisición y la tolerancia en las medidas de los objetos producidos. Las impresoras 3D ofrecen a los desarrolladores del producto la capacidad para imprimir partes y montajes hechos de diferentes materiales con diferentes propiedades físicas y mecánicas, a menudo con un simple proceso de ensamble. Las tecnologías avanzadas de impresión 3D pueden incluso ofrecer modelos que pueden servir como prototipos de producto.
Historia
En los años 1976 se desarrollaron equipos y materiales de fabricación de aditivos tempranos. En 1981, Hideo Kodama, del Instituto Municipal de Investigaciones Industriales de Nagoya, inventó dos métodos de fabricación AM de un modelo de plástico tridimensional con un polímero fotoendurecible, en el que el área de exposición a los rayos UV era controlada por un patrón de máscara o transmisor de fibra de barrido.45 Pero el 16 de julio de 1983, Alain Le Méhauté, Olivier de Witte y Jean Claude André presentaron su patente para el proceso de estereolitografía.6 Fue tres semanas antes de que Chuck Hull presentase su propia patente de estereolitografía. La aplicación de los inventores franceses fue abandonada por la compañía General Electric francesa (ahora Alcatel-Alsthom) y CILAS (The Laser Consortium). La razón aducida fue "por falta de perspectiva empresarial". Luego en 1984, Chuck Hull de 3D Systems Corporation desarrolló un sistema prototipo basado en el proceso conocido como estereolitografía, en el que se añaden capas mediante el curado de fotopolímeros con láseres de rayos ultravioleta. Hull definió el proceso como un «sistema para generar objetos tridimensionales mediante la creación de un patrón transversal del objeto a formar»,78 pero esto ya había sido inventado por Kodama. La contribución de Hull fue el diseño del formato de archivo STL (STereoLithography) ampliamente aceptado por el software de impresión 3D, así como las estrategias digitales de corte y relleno comunes a muchos procesos actuales. El término «impresión en 3D» se refería originalmente a un proceso que empleaba cabezales de impresión de chorro de tinta estándar y personalizados. La tecnología utilizada por la mayoría de las impresoras 3D hasta la fecha —especialmente los modelos aficionados y orientados al consumidor— es el modelado por deposición fundida, una aplicación especial de extrusión de plástico.
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Principios generales
El aditivo de fabricación se lleva a planos virtuales de diseño asistido por ordenador(CAD) o el software de modelado y animación, se encuentran en secciones digitales para la máquina para utilizar sucesivamente como una guía para la impresión. Dependiendo de la máquina que se utiliza, el material o un material de unión se deposita sobre el lecho de construcción o de la plataforma hasta que el material de estratificación / aglutinante es completa y el modelo 3D final ha sido "impreso". Una interfaz estándar de datos entre el software CAD y de las máquinas es el formato de archivo STL (STL (siglas provenientes del inglés "'STereo Lithography'"') es un formato de archivo informático de diseño asistido por computadora (CAD) que define geometría de objetos 3D, excluyendo información como color, texturas o propiedades físicas que sí incluyen otros formatos CAD). Un archivo STL se aproxima a la forma de una pieza o un ensamblaje utilizando facetas triangulares. Facetas más pequeñas producen una superficie de mayor calidad. CAPA es un formato de archivo de entrada analizador generado, y VRML (WRL) o archivos a menudo se utilizan como entrada para las tecnologías de impresión 3D que son capaces de imprimir a todo color.
Metodos
Un gran número de tecnologías en competencia están disponibles para la impresión 3D;9 sus principales diferencias se encuentran en la forma en la que las diferentes capas son usadas para crear piezas. Algunos métodos usan fundido o ablandando el material para producir las capas, por ejemplo sinterizado de láser selectivo (SLS) y modelado por deposición fundida (FDM), mientras que otros depositan materiales líquidos que son solidificados con diferentes tecnologías. En el caso de manufactura de objetos laminados, se cortan capas delgadas para ser moldeadas y unidas juntas.
Cada método tiene sus propias ventajas e inconvenientes; por ello, algunas compañías ofrecen elegir entre polvos y polímero como material de fabricación de la pieza según sean las prioridades del cliente.10 Generalmente las consideraciones principales son velocidad, coste del prototipo impreso, coste de la impresora 3D, elección y coste de materiales, así como capacidad para elegir el color.11
Impresión por inyección
Un método de impresión 3D consiste en el sistema de impresión por inyección. La impresora crea el modelo de capa en capa esparciendo una capa de la sección de la pieza. El proceso es repetido hasta que todas las capas han sido impresas. Esta tecnología es la única que permite la impresión de prototipos a todo color, permitiendo además, extraplanos o salientes.
Modelado por deposición de fundente
Usando filamentos previamente extruidos, el modelado por deposición de fundente, una tecnología desarrollada por Stratasys12, usa una tobera para depositar material fundido sobre una estructura soporte, capa a capa. Es muy usada en prototipado rápido tradicional y, dado su bajo coste, se ha popularizado mucho a nivel doméstico.
Otro enfoque es fundir de manera selectiva el medio de impresión sobre una base granular. En esta variación el medio no fundido sirve de soporte para los resaltes y paredes delgadas de la pieza a producir, reduciendo así la necesidad de soportes auxiliares temporales. Típicamente un láser es usado para sinterizar el medio y formar el sólido. Ejemplos de esto son el sinterizado selectivo por láser y el sinterizado directo de metal por láser (DMLS) usando metales. Una última variación consiste en usar una resina sintética que se solidifica usando la luz de LEDs.13
Fotopolimerización
Estereolitografía
Artículo principal: Estereolitografía
La tecnología SLA utiliza resinas líquidas fotopoliméricas que se solidifican cuando son expuestas a la luz emitida por un láser ultravioleta. De esta forma se van creando capas superpuestas de resina sólida que van creando el objeto.
Fotopolimerización por luz ultravioleta
En la fotopolimerización por luz ultravioleta, SGC, un recipiente de polímero líquido es expuesto a la luz de un proyector DLP bajo condiciones controladas. El polímero líquido expuesto endurece; la placa de montaje se mueve hacia abajo en incrementos pequeños y el polímero es expuesto de nuevo a la luz. El proceso se repite hasta que el modelo es construido. El polímero líquido restante es entonces extraído del recipiente, dejando únicamente el modelo sólido.
Fotopolimerización por absorción de fotones
Características ultra pequeñas pueden ser conseguidas a través de la técnica de la microfabricación 3D, mediante el mecanismo de fotopolimerización por absorción de fotones. En esta variación, el objeto 3D deseado es trazado en un bloque de gel con un láser. El gel es curado y se solidifica sólo en los lugares en donde el láser es enfocado debido a la nolinealidad óptica de la fotoexcitación; después de la etapa de láser, el gel restante es lavado. Esta técnica ofrece tamaños de menos de 100 nm siendo fácilmente fabricables tanto en estructuras complejas de partes móviles como en fijas.
Impresión con hielo
Recientemente se han desarrollado técnicas que por medio de un enfriamiento controlado de agua tratada, son capaces de producir una auténtica impresión 3D con hielo como material.
Aunque es una tecnología en desarrollo y sus ventajas a largo plazo están aún por ver, el ahorro de material específico para llevar a cabo la impresión, independientemente del coste del proceso, parece una de ellas.14
kit de impresora
Hay impresoras que se pueden montar desde un kit. A modo de ejemplo, la impresora Prusanstein tiene como base los siguientes elementos:
*Piezas impresas, conjunto completo de varillas lisas y roscadas, tornillería, juego de rodamientos, poleas (LM8uu, 608zz y 624zz) y correas modelo GT2.
*Manuales de Montaje, calibración y uso del software principal.
*Ramps v1.4, totalmente ensamblada
*5 controladores Steppers
*Mega Arduino compatible
*3 Finales de carrera mecánicos (endstop)
*Juego 5 motores paso a paso NEMA 17 (1.8 deg/step, 40 N/cm).
*Ventilador para refrigerar la electrónica.
Recientemente, la empresa de impresoras 3D CoLiDo, lanzó al mercado la CoLiDo DiY. Una impresora en KIT premontada y configurada que reduce el tiempo de montaje a menos de 20 minutos.
Materiales
Las impresoras 3D no pueden utilizar cualquier material, hay una gran variedad para su impresión, como: transparentes, de colores, opacos, flexibles, rígidos, de alta temperatura y resistencia. Este tipo de materiales satisfacen necesidades de manera visual y táctil, además, son muy resistentes y con la fuerza necesaria que los prototipos requieren. El diseño de nuestro producto nos dará paso a escoger el material que debemos utilizar, la impresora y el proceso por el cual se imprimirá. En la revista Metal Actual señalan que:
"En el mercado existen más de 60 tipos de materiales para impresión 3D, que gracias a sus características y propiedades físico químicas, posibilitan la creación de prototipos perfectos, de gran precisión, excelente nivel de detalle y aplicables casi a todos los sectores industriales" (Andrea Ruiz, 2011, p.34).15
Dentro de los materiales que más se usan están los que simulan plásticos de ingeniería, llamados filamentos, como PLA y ABS. El filamento PLA es un ácido poliláctico, biodegradable, derivado del maíz. Tiene múltiples colores incluyendo su color natural, dentro de ellos existen colores translucidos y limitados. El ABS es barato y con buena terminación, el material adecuado para prototipado, que requieren una alta resistencia al impacto y golpes demasiado fuertes, este filamento también incluye una amplia variedad de colores.
Tipos de materiales
Los filamento vienen caracterizados por el diámetro (en milímetros), se venden generalmente en bobinas por peso (kg.) y son principalmente de los siguiente materiales:
Ácido poliláctico (PLA).
Laywoo-d3, compuesto madera/polímero similar al PLA.17
Acrilonitrilo butadieno estireno (ABS).
Poliestireno de alto impacto (HIPS).
Tereftalato de polietileno (PET).
Elastómero termoplástico (TPE), siendo el más habitual el TPU (poliuretano termoplástico).
Nylon, el más utilizado.
Metal amorfo (BGM).
Acabados
A diferencia de la estereolitografía, la impresión 3D por inyección está optimizada para obtener velocidad, coste bajo y facilidad de uso, todo lo cual hace de ella una técnica muy útil para etapas tempranas de diseño en ingeniería. No son necesarios materiales químicos tóxicos como los usados en estereolitografía y mínimo trabajo de post-impresión es requerido para el acabado; la única necesidad es el soplado del polvo sobrante después del proceso de impresión, o la retirada de material de soporte en otras técnicas. Las impresiones de polvo coaligado pueden ser endurecidas en el futuro por cera, o por impregnación de polímero termoplástico. Las piezas FDM pueden ser endurecidas mediante filtrado de otro metal en la pieza. Con la aparición de materiales de impresión que simulan Madera, bronce y otros, se pueden utilizar distintas técnicas para mejorar los acabados, por ejemplo el uso de Acetona en la impresiones con ABS, el uso de lija y posterior aplicaciones de barniz a las impresiones en materiales con suspensión de madera, finalmente el pulido por abrasión en las impresiones con suspensiones de bronce.
Resolución y tolerancia de impresión
Los conceptos de resolución y tolerancia de impresión aparecen a menudo mezclados, superpuestos e incluso intercambiados.18 Algunos fabricantes prefieren usar un término que englobe a ambos conceptos, tal como precisión dimensional.19
Parece más razonable referir la resolución de una impresora 3D a la capacidad de posicionamiento o de discernimiento de distancias antes de la inyección o depósito de material, mientras que la tolerancia de impresión dependerá, además, del proceso de solidificación o de acabado. Una buena prueba de que pueden ser tomados como conceptos diferentes es que a menudo la tolerancia de impresión suele presentar valores más desfavorables que la resolución.
En cualquier caso, la resolución puede estar dada en espesor de capa, mientras que en el plano X-Y, puede estarlo por puntos por pulgada (ppp). El espesor típico de capa es del orden de 100 micras (0,1 mm), aunque algunas máquinas tales como el Objet Connex imprimen capas tan delgadas como 16 micras.20 La resolución X-Y es comparable a la de las impresoras láser convencionales. En el caso de que el proceso las use, las partículas son del orden de 50 a 100 micras (0,05-0,1 mm) de diámetro.
La tolerancia final de pieza dependerá profundamente, además de la resolución antes descrita, de la tecnología y del material utilizados. Es uno de los parámetros más importantes en la elección de proceso de impresión y del dispositivo, ya que no sólo determinará la propia tolerancia dimensional de la pieza, sino si, en caso de espesores pequeños, dicha pieza es realizable o no.
El límite actual de tolerancia para dispositivos DIY o de bajo coste están en torno a 0,1 - 0,2. Para trabajos de más demanda dimensional, algunos fabricantes son capaces de garantizar tolerancias del orden de las decenas de micras.
Resolución y tolerancia de impresión
Los conceptos de resolución y tolerancia de impresión aparecen a menudo mezclados, superpuestos e incluso intercambiados.18 Algunos fabricantes prefieren usar un término que englobe a ambos conceptos, tal como precisión dimensional.19
Aplicaciones
Educación
Las aplicaciones en educación son infinitas, ayudando a los alumnos a entender y visualizar conceptos abstractos. Las aplicaciones en sociales, ciencias de la naturaleza, matemáticas, arte, historia y, por supuesto, tecnología, son capaces de revolucionar la actividad pedagógica.
Investigadores docentes del área de Ciencias y Tecnologías Aplicadas del Instituto de Industria de la Universidad Nacional de General Sarmiento (UNGS) desarrollaron dos juegos didácticos desarrollados para la enseñanza y el aprendizaje de conceptos matemáticos destinados a estudiantes con discapacidad visual21. Se trata de JUDITH, Juego Didáctico para Tareas Hápticas, y de JAIME, Juego de Áreas Impresas para Matemática Elemental. Ambos dispositivos ya están siendo utilizados por estudiantes y docentes de la UNGS y de otras universidades del país. Recientemente también diseñaron Urbis, un dispositivo táctil para representar espacios urbanos, también destinado a estudiantes con discapacidad.
Generalidades
Aplicaciones típicas incluyen visualización de diseños, prototipado/CAD, arquitectura, educación, salud y entretenimiento. Otras aplicaciones pueden llegar a incluir reconstrucción de fósiles en paleontología, replicado de antigüedades o piezas de especial valor en arqueología y reconstrucción de huesos y partes del cuerpo en ciencia forense y patología.
Alimentación
Foodini y ChefJet son algunas de las impresoras 3D de comida más conocidas.[cita requerida] La propia tecnología permite sustituir algunos procesos y personalizar los ingredientes, tanto en forma como en composición. Algunas de las cadenas que están trabajando en ella son PepsiCo, Singular Bread y Barilla.[cita requerida] Destaca la creación de comida elaborada con masas de microalgas, aunque los ingredientes más usados con el chocolate y el azúcar.
Arqueología
El uso de tecnologías de escaneo 3D, permite la réplica de objetos reales sin el uso de procesos de moldeo, que en muchos casos pueden ser más caros, más difíciles y demasiado invasivos para ser llevados a cabo; en particular, con reliquias arqueológicas de alto valor cultural22 donde el contacto directo con sustancias de moldeo puede dañar la superficie del objeto original.
Arte
Más recientemente el uso de las tecnologías de impresión 3D ha sido sugerido.23Artistas han usado impresoras 3D de diferentes maneras.24 Durante el Festival de Diseño de Londres, un montaje, desarrollado por Murray Moss y dirigido a la impresión 3D tuvo lugar en el Museo de Victoria y Alberto. La instalación fue llamada Industrial Revolution 2.0: How the Material World will Newly Materialise.25
Moda
No falta tampoco la ropa impresa en 3D en materiales como el Filaflex; una técnica que ha cautivado a diseñadores como Karl Lagerfeld, Iris van Herpen, Melinda Looi y Danit Peleg, entre otros. De hecho actualmente existe un certamen llamado 3D Fashion Day. Entre las impresoras más destacables de este tipo triunfa una máquina española: la Kniterate.
Adidas, por otra parte, fue pionera en este ámbito, pues ya en 2015 desarrolló unas zapatillas impresas en 3D. Estamos hablando de las FutureCraft 4D. También hallamos lencería, joyas, bolsos y otros accesorios.[cita requerida]
Uso en la medicina
La impresión 3D aplicada en la medicina es un proceso que consiste en la creación de órganos artificiales a partir de un modelo digital con la ayuda de una impresora 3D, en contraposición a las metodologías de reproducción genéticas.2627
En aplicaciones no biológicas, el proceso de impresión 3D es relativamente rápido; solo bastan tres minutos para el escaneo, dos horas para procesar los datos, y entre cuatro y ocho horas para completar la impresión de los materiales deseados.28
En los últimos años la disminución de costes de producción de las impresoras 3D y la adaptación del código abierto del software que emplean las impresoras está acelerando su expansión, lo cual ha empezado a tener un impacto en otros campos de la ciencia, como en la biología y medicina, dando paso a que numerosos equipos multidisciplinarios de científicos e ingenieros trabajen para resolver las limitaciones actuales de esta tecnología. La técnica de impresión en la medicina y otras áreas viene dada por los ingredientes que de momento se pueden utilizar y la velocidad de impresión de la que se dispone en las impresoras.26
Con este proceso se busca anatómicamente que el tejido sea capaz de contener las propiedades y las formas necesarias. Además, la capacidad de crear modelos precisos y versátiles permite un mejor aprendizaje, ya que simula muy bien los tipos de tejido, por lo que es posible adaptar partes del cuerpo según la patología y las características del paciente.
Actualmente se han desarrollado métodos de impresión 3D de modelos de segmentos corporales utilizando imágenes de tomografía computarizada u otro tipo de escaneo, lo que permite realizar réplicas de secciones corporales. Éstos generan un símil de la sección corporal, real y tangible, que conserva las proporciones, las relaciones topográficas, la morfología y el color, sin peligro de descomposición ni contaminación. Este recurso computacional ofrece amplias aplicaciones en la docencia de la medicina, manteniendo la conceptualización volumétrica.29
Ingeniería de tejidos
El diseño de tejidos humanos dimensionales es utilizado en las investigaciones médicas para acelerar el proceso de descubrimiento de fármacos, permitiendo que los tratamientos puedan desarrollarse más rápido y a un menor costo. Consiste en una serie de imágenes de un tejido de varias capas 3D que imitan la composición en capas de la pared del vaso sanguíneo. El proceso puede adaptarse para producir los tejidos en una variedad de formas, desde microescala a estructuras más grandes.30
Los avances en impresión de tejidos marcan que en futuro próximo los órganos se puedan implantar y que sean compatibles en los pacientes que necesiten un trasplante. Actualmente existe una empresa, llamada Organovo, que se encarga de la creación de los tejidos impresos en 3D.30
El primer paso del proceso consiste en desarrollar los protocolos de los bioprocesos para los bloques de la construcción multicelular, y biotinta, la cual se utiliza para construir bloques del tejido. Los bloques son dispensados a partir de una bioimpresora. Se deposita una capa de hidrogel que se puede utilizar ya sea como soporte, ya que los tejidos se construyen verticalmente para lograr la tridimensionalidad; o como material de relleno para crear espacios vacíos dentro de los tejidos para imitar las características de tejido nativo. Posteriormente se añaden, sucesivamente y capa a capa, las células para que se fusione y se obtenga la forma deseada.31
En el año 2011, se imprimió un riñón por primera vez por Anthony Atala. El riñón no era funcional, pero estaba hecho de tejido humano. Lo que busca la biotinta es permitir completar la creación o impresión de órganos artificiales y ser compatible con los organismos vivos.30
Este proceso podrá ahorrar considerable tiempo. Varios estudios demuestran que hacer una impresión 3D de un órgano como un riñón puede suponer unas dos horas, comparado con otros métodos de impresión 3D actuales que son 10 veces más lentos. Sin mencionar que se reducirá el estrés al que las células son usualmente sometidas al pasar por los conductos de los cabezales, con lo que aumentaría su tiempo de vida.30
Por otro lado, dentro del campo de la impresión de tejidos uno de los problemas es el sistema vascular, dado que son operaciones quirúrgicas peligrosas y es necesario mejorar la técnica. La difusión molecular solo puede asegurar el intercambio de oxígeno y nutrientes hasta una distancia de 100μ, por lo cual una posible solución ha sido la implantación de múltiples capas de tejido. De esta forma, dado que el grosor de cada una de estas capas es de 80μ, el oxígeno se puede difundir. El objetivo fue implantar tejido de miocardio, consiguiendo que el sistema celular del paciente vascularice para volver a implantar las capas. Como resultado se ha comprobado la eficacia de este método de autoensamblaje en casos prácticos como la construcción de orejas. En el 2013 se publicó el proceso que permite replicar una oreja con un molde de colágeno, relleno con células. Estas orejas artificiales ya se han logrado implantar con éxito en animales.30
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