Impresión 3D y el diseño de patentes e inventos.
La impresión 3D es un avance muy importante de tecnologías de fabricación por adición donde un objeto tridimensional es creado mediante la superposición de capas sucesivas de material.
Las impresoras 3D son más rápidas, baratas y fáciles de usar que otras tecnologías de fabricación por adición.
Éstas ofrecen a los desarrolladores de un producto la capacidad para imprimir partes hechas de diferentes materiales y con diferentes propiedades físicas o mecánicas en un simple proceso de ensamblaje.
Las avanzadas tecnologías de impresión 3D ofrecen prototipos de productos qué sirven como modelos para futuros desarrollos.
La venta de impresoras 3D ha tenido un gran crecimiento desde el 2003.
Sin embargo los costes de estas impresoras se han ido reduciendo con los años.
Esta tecnología en auge es usada en campos como el diseño, joyería, diseño industrial, calzado, arquitectura, ingeniería, construcción, automoción, sector aeroespacial, industria médica, educación, etc.
Historia de la impresión 3D
En 1976 se desarrollaron equipos y materiales de fabricación de aditivos tempranos.
Cinco años más tarde, en 1981, Hideo Kodama, del instituto municipal de investigaciones industriales de Nagoya, inventa dos métodos de fabricación en un modelo de plástico tridimensional con un polímero fotoendurecible.
Éste era expuesto a rayos ultravioleta controlado por un patrón de máscara o transmisor de fibra de barrido.
El 16 de julio de 1984, Alain Le Méhauté, Olivier de Witte y Jean Claude André presentaron su patente para el proceso de estereolitografía.
La patente francesa fue abandonada por la compañía General Electric Francesa y CILAS, alegando falta de perspectiva empresarial.
Semanas más tarde Chuck Hull, de la Corporación 3D Systems presenta su propia patente de estereolitografía.
En esta impresora 3D se añaden capas mediante el curado de fotopolímeros con láseres de rayos ultravioleta.
El proceso de Chuck Hull es muy parecido al de Hideo Kodama.
La contribución de Hulk fue el diseño del formato de archivo STL (STereoLithography).
Este será el formato ampliamente aceptado en la actualidad cómo software de impresión 3D.
El término “impresión 3D” fue inventado en el MIT por el profesor Emanuel Sachs en esa misma época.
La tecnología utilizada en impresoras 3D para el consumidor aficionado, es el modelado por deposición fundida, una aplicación especial de extrusión de plástico.
Funcionamiento
El material de fabricación se deposita en planos horizontales, realizados por diseño asistido por ordenador (CAD), o software de modelado y animación.
Los materiales de unión se depositan inicialmente sobre un lecho de construcción o plataforma qué en algunos casos necesita estar caliente.
Sobre ese lecho de construcción se van depositando las capas del material estratificado, hasta completar el modelo 3D qué ha sido diseñado.
Una interfaz traduce los datos del software CAD y archivos STL, a un formato que las impresoras pueden interpretar (G-CODE).
El STL es un formato de archivo informático de diseño, asistido por computadora, qué define la geometría de objetos en 3D.
Este formato no incluye información como el color, la textura o propiedades físicas, que sí incluyen otros formatos como el CAD.
Para acabados de mejor calidad se debe utilizar la capa más fina posible.
Los archivos como VRML (WRL), se utilizan a menudo en tecnologías de impresión 3D porque son capaces de imprimir a todo color.
Modelado por deposición
El modelado por deposición fundida es una tecnología que fue desarrollada por Stratasys.
Usa un material previamente extruido en filamentos y enrollado en una bobina.
El material pasa por un tubo de teflón hasta el nozzle, que lo funde y suelta de forma controlada.
Una vez fundido lo deposita sobre la base, que puede estar caliente o no según convenga al material para un mejor agarre.
Va creando capas de forma horizontal y ascendiendo, fundiendo una sobre otra en cada pasada.
Una vez impresa la capa, no es posible descender en altura para hacer una capa inferior.
No se puede depositar una capa en el aire, sin una base o plataforma previamente ideada.
Para ello en cada capa se crea el soporte que sujetará la parte en voladizo que se pretende construir.
El soporte se retira al final, una vez que el objeto ha sido terminado.
Este sistema es muy usado en prototipado tradicional, por su bajo coste y facilidad de uso.
Hay una gran variedad de materiales plásticos, con diferentes propiedades, para estas impresoras siendo el PLA el más usado por su bajo costo.
Sinterizado por láser
Otra forma de impresión es el sinterizado selectivo y directo por láser( DMLS).
Este funde de manera selectiva el material granulado que figura en una base.
El material no fundido sirve de base de soporte para la pieza a realizar.
Generalmente se usa para fundir metales diversos.
Este tipo de impresoras 3D está dirigida por un programa de control numérico.
En él están asignados los movimientos que debe seguir la impresora y la velocidad a la que tiene que funcionar.
Para ello se utilizan diferentes software de diseño CAD.
Fotopolimerización
Una variante del sinterizado es la impresión por luz led sobre una resina sintética.
Es una reacción de polimerización inducida por la luz.
Esta resina se solidifica en el punto exacto donde da la luz.
Es ideal para objetos pequeños con mucho detalle.
Estereolitografía
Esta tecnología (SLA) utiliza resinas líquidas fotopoliméricas que se solidifican cuando son expuestas a la luz emitida por un láser ultravioleta.
De esta manera se van creando capas superpuestas de resina solidificada que crea el objeto.
Esta tecnología consigue una alta precisión dimensional y un aspecto más liso y uniforme.
En contra, tiene el inconveniente de emitir vapores nocivos si se inhalan.
Por ello se deben usar con las medidas de seguridad oportunas, como gafas de protección o mascarillas químicas.
Y una vez terminadas estas piezas 3D, deben ser post- procesadas y limpiadas con alcohol isopropílico.
Fotopolimerización por luz ultravioleta
En la fotopolimerización por luz ultravioleta (SGC), un recipiente con polímero líquido es expuesto a la luz de un proyector (DLP) bajo condiciones controladas.
El polímero líquido expuesto se endurece, la placa de montaje se mueve hacia abajo en pequeños incrementos y el polímero se expone de nuevo a la luz.
Este proceso se repite hasta finalizar el objeto.
Es entonces, cuando se retira el líquido restante extrayendo el recipiente y dejando el modelo sólido.
Fotopolimerización por absorción de fotones
Mediante este proceso se pueden conseguir características ultra pequeñas a través de la técnica de la microfabricación 3D.
En este caso, el objeto 3D a imprimir es trazado con un láser en un bloque de gel.
Este gel se solidifica sólo en los lugares en donde está enfocado el láser debido a la no linealidad óptica de la fotoexcitación.
Una vez terminado, el gel sobrante es lavado.
Con esta técnica se consiguen tamaños de menos de 100 nm.
Nuevas tecnologías 3D
Actualmente se siguen desarrollando nuevas técnicas de impresión 3D.
Como la impresión con hielo, en la que por medio de un enfriamiento controlado de agua tratada, producen una impresión 3D con el hielo como material.
En construcción se están imprimiendo casas con materiales adaptados donde el beneficio está en el tiempo de construcción, que es muy corto.
En medicina, se está usando para la regeneración de piel, para los injertos.
Y en el diseño de nuevas patentes, se usa para crear modelos que de otra forma serían imposibles.
Donde se crean piezas para probar sus características mecánicas y decidir si son viables para la industrialización.
Tipos de materiales
Aún siendo una tecnología en desarrollo, tiene muchas ventajas, como el ahorro de materiales para la impresión.
No todos los materiales son válidos para la impresión 3D.
Hay materiales transparentes, de colores, opacos, flexibles, rígidos, que soportan altas temperaturas y tienen gran resistencia.
Estos satisfacen las necesidades que los prototipos requieren.
Dentro de los materiales que más se usan, están los que simulan plásticos de ingeniería como el ácido poliláctico y el acrilonitrilo butadieno estireno (ABS).
El PLA es un poliéster poliláctico biodegradable derivado del maíz.
Se presenta en múltiples colores incluido en natural.
El ABS es barato y con una buena terminación.
Es adecuado para el prototipado de piezas que requieren alta resistencia al impacto.
Este filamento también se presenta en múltiples colores.
Además de estos dos materiales hay otros cómo el PET, PETG, Nylon, HIPS, TPE(flexible) o TPU, Fibra de Carbono.
Y para máquinas de producción industrial, la Fibra de Carbono, Kevlar, acero, cobre, acero inox, Nylon, BMG metal amorfo. . .
Los filamentos para impresión 3D vienen caracterizados por el diámetro, expresado en milímetros.
Espesores de 1,75 mm o 2,85 mm, se venden cómo filamentos enrollados en bobinas de 1 kg u otros pesos.
El tipo de máquina y de boquilla condiciona el grosor del filamento.
Esto es a groso modo, un poco de lo mucho que se podría decir sobre la impresión 3D.
Cada día que pasa surgen novedosos avances y mejores diseños que perfeccionan la forma en que construimos los nuevos productos o invenciones susceptibles de ser patentados.