En este artículo, aprenderá sobre los tipos comunes de tecnologías de impresión 3D. Si eres principiante, al final de este artículo tendrás una buena comprensión de lo que es la impresión 3D y cómo funciona.
Este artículo no pretende ser científico. En cambio, es una pequeña introducción a la impresión 3D para principiantes.
¿Qué es la impresión 3D?
A principios de la década de 1980, comenzaron a desarrollarse nuevos métodos para la producción de piezas. Estos métodos no se basaban en la eliminación de material, como ocurre con las tecnologías de mecanizado tradicionales, sino en la adición de materiales capa a capa.
Los productos se fabricaron a partir de modelos 3D obtenidos con programas de CAD, añadiendo materiales en forma de plástico, cerámica, polvos metálicos y otros. Estos materiales se unían mediante métodos térmicos, de difusión o adhesivos.
¿Qué significa esto en la práctica? Significa simplemente que es posible crear objetos físicos de una forma completamente nueva.
La primera persona que patentó esta tecnología fue Chuck Hull, en 1984. Hull también creó 3D Systems en 1986, que sigue siendo uno de los líderes del sector.
La primera impresora 3D comercial, la 3D Systems SLA-1, se presentó en 1987.
No vamos a profundizar en la historia de la impresión 3D porque ya hemos tratado el tema anteriormente. Pero si estás interesado en un rápido repaso, mira el siguiente vídeo:
Tipos de tecnologías de impresión 3D
Con esta introducción, llegamos a la primera y posiblemente más prometedora tecnología de impresión 3D, es decir, la impresión con resina de fotopolímero. Inicialmente, la tecnología se denominaba SLA. Sin embargo, con el tiempo, este nombre ha resultado no ser del todo correcto.
Impresión en fotopolímero
La impresión 3D con fotopolímeros consiste en endurecer una resina líquida de fotopolímeros bajo la influencia de la luz para formar un modelo 3D. Al principio, un láser actuaba como fuente de luz y la tecnología se denominaba SLA o estereolitografía.
A pesar de su aparente sencillez, 3D Systems tardó más de 10 años en sacar al mercado el primer producto comercial completo. Para ello fue necesario cambiar otros productos tecnológicos, como los láseres de estado sólido, que utilizan una sustancia de estado sólido como medio activo.
Sin adentrarnos en la jungla tecnológica, podemos decir que fueron necesarios unos 25 años de desarrollo gradual de esta tecnología hasta 2013-2014. En ese momento, las impresoras 3D SLA costaban cientos de miles de dólares y sólo estaban disponibles para las grandes empresas. Su uso también era muy limitado debido a su alto coste, así como a los costosos materiales.
En 2011, una startup llamada FormLabs reimaginó las ideas de Chuck Hull y desarrolló la primera impresora 3D SLA de sobremesa. La impresora salió al mercado a un precio de 3.000 dólares. Esta impresora de bajo coste hizo posible que muchos consumidores se iniciaran en la impresión 3D.
A lo largo de los años, FormLabs ha suministrado decenas de miles de sus impresoras al mercado. La empresa se convirtió en el primer unicornio de la impresión 3D con un valor de capitalización de mercado de más de 1.000 millones de dólares. Esta historia marca uno de los dos puntos de inflexión en el avance de las tecnologías de impresión 3D en los últimos años.
Sin embargo, otras empresas también estaban investigando y desarrollando. Algunas empresas se dieron cuenta de que utilizar un láser como fuente de luz para iluminar una resina de fotopolímero no era la única solución. Propusieron otra forma de formar un modelo. Este método se denominó DLP (Digital Light Processing).
Sin entrar en detalles técnicos, las ventajas de esta tecnología residen en una mayor productividad debido a la iluminación de toda la capa a la vez. Esto contrasta con el láser, que debe iluminar físicamente todo el modelo, lo que significa que éste debe moverse constantemente.
Es fácil explicar esta tecnología de impresión 3D con un simple ejemplo.
Digamos que quieres imprimir un anillo. Esta tarea llevará más o menos el mismo tiempo en las impresoras 3D SLA y DLP. Sin embargo, si necesita imprimir 10 anillos a la vez, la tecnología DLP tendrá ventaja porque podrá imprimir todos los anillos al mismo tiempo. Por otro lado, una impresora SLA empleará cierto tiempo en imprimir cada anillo de uno en uno, aunque su calidad será mucho mayor.
Comparemos algunas cifras.
La impresora Form2 SLA tardará 11 horas y 22 minutos en imprimir 55 modelos de anillos. Esto significa que cada anillo se imprime en 12,4 minutos.
La impresora 3D Uniz Slash Plus, basada en la tecnología DLP, tarda sólo 3 horas y 51 minutos en imprimir 60 anillos. Esto significa que cada anillo se imprime en sólo 3,8 minutos.
La tecnología DLP comenzó a ganar popularidad y a competir con la tradicional impresora 3D SLA. Sin embargo, antes de que se convirtiera en la principal, se produjo una nueva revolución: las impresoras 3D LCD aparecieron en escena.
La tecnología de impresión 3D de LCD hace que la impresión de modelos en 3D sea aún más sencilla. Con esta tecnología, una potente lámpara LED reforzada por un sistema de lentes brilla sobre una matriz LCD. La matriz proyecta entonces la imagen deseada sobre un baño con resina, donde se forma el modelo 3D.
Cuando esta tecnología se perfeccionó en 2016, el precio de las impresoras 3D se redujo 10 veces en comparación con la exitosa impresora FormLabs Form 2 de aquella época. El precio de las impresoras 3D con pantalla LCD de bajo coste empezó a rondar los 300 dólares. Esta drástica reducción de costes ha ampliado significativamente el rango de compradores y ha dado a los usuarios domésticos y a los pequeños estudios de impresión la oportunidad de probar esta tecnología para sus necesidades.
¿Cuáles son las ventajas de la tecnología de impresión 3D con LCD sobre otras, aparte del precio?
Las pantallas LCD, al igual que las impresoras DLP, iluminan la capa inmediatamente. Esto les da una ventaja de rendimiento. Sin embargo, al principio, la calidad de los modelos producidos por las impresoras 3D LCD no era muy buena. Pero en 2019, se introdujeron las impresoras 3D con una matriz LCD 2K. A estas les siguieron más tarde las de matriz 4K. Las impresoras 3D LCD 2K y 4K resolvieron el problema de la baja calidad de las impresiones.
Hoy en día, las impresoras LCD superan tanto a las DLP como a las SLA en términos de velocidad de impresión y espesor mínimo de capa.
Algunos buenos ejemplos de impresoras con resolución 2K son: Elegoo Mars , Anycubic Photon S , Wanhao GR1 , Phrozen Shuffle Lite , Phrozen Shuffle 2019 , Phrozen Shuffle XL 2019 , Phrozen Sonic , con resolución 4K – Phrozen Shuffle 4K , and Phrozen Transform .
La introducción de las matrices 8K, así como el uso de matrices monocromáticas especiales que aumentan la velocidad de impresión, han hecho que esta tecnología domine el mercado de las impresoras 3D. Un buen ejemplo de impresora 3D LCD con matriz 8K es la Phrozen Sonic Mega 8K.
TECNOLOGÍAS DE IMPRESIÓN 3D DE FOTOPOLÍMEROS:
Y estas son las diferencias entre estas tecnologías de impresión 3D.
Ahora, en esta sección, hablaremos de por qué la impresión 3D SLA/DLP/LCD es popular. Antes de empezar, tenemos que dividir las impresoras 3D en industriales y de sobremesa.
Impresoras industriales 3D
Las impresoras 3D industriales se utilizan principalmente para la creación de prototipos a gran escala, así como para la producción de pequeños lotes y moldes de fundición. Con una productividad bastante alta y productos finales de buena calidad, estas unidades se utilizan en las industrias automotriz y aeroespacial.
Las impresoras también se utilizan para imprimir objetos masivos, como este hueso de mamut que imprimió Materialize en colaboración con el Real Instituto Belga de Ciencias Naturales de Bruselas.
Impresoras 3D de sobremesa
Las impresoras SLA/DLP/LCD de sobremesa se han generalizado y se utilizan principalmente en odontología, joyería, industria naval y modelado de aviones. Las impresoras también se utilizan en la fabricación de regalos y recuerdos únicos. Puede leer más sobre sus aplicaciones en las siguientes guías:
- Guía para la impresión 3D de coronas dentales
- La impresión 3D en la creación de prototipos
- Cómo imprimir joyas en 3D
- Impresión 3D de pequeños lotes
El alto nivel de detalle y la alta calidad de la superficie de acabado hacen que esta tecnología de impresión 3D sea excelente para resolver muchos problemas que antes tenían que ser resueltos de forma mucho más lenta y costosa.
Impresión de fotopolímeros en una impresora 3D en odontología.
Impresión 3D de fotopolímeros en joyería. A la derecha, un modelo maestro de pulsera impreso en 3D.
Impresión de fotopolímeros para la creación de prototipos
Creación de recuerdos mediante la impresión 3D de fotopolímeros
Tecnología de impresión 3D FDM
El segundo padre de la impresión 3D es S. Scott Crump. En 1988, Crump patentó la tecnología FDM (Fused Deposition Modeling). En 1989, junto con su mujer, creó Stratasys, que sigue siendo una de las empresas líderes del sector.
La abreviatura FFF (Fused Filament Fabrication) también se utiliza a menudo para referirse a esta tecnología. Sin embargo, no hay que dejarse engañar. La esencia de las tecnologías es la misma, pero los nombres son diferentes para evitar conflictos de patentes.
Entonces, ¿qué se inventó realmente?
La idea es que el filamento se introduce en un extrusor, donde se funde a alta temperatura y forma un modelo en capas a través de una pequeña boquilla.
Basándose en este invento, Stratasys comenzó a producir impresoras 3D industriales. Las impresoras se utilizaron principalmente de la misma manera que las primeras máquinas SLA. Se aplicaron principalmente en las industrias automovilística y aeroespacial en la aparición de varios tipos de plásticos duraderos, como el policarbonato (PC), el poliéter éter cetona (PEEK), la polieterimida (PEI, Ultem) y la polifenilsulfona (PPSF/PPSU). Las impresoras se utilizaban principalmente para la creación de prototipos funcionales.
La tecnología no se generalizó hasta más de 20 años después, cuando apareció el proyecto RepRap (Replicating Rapid Prototyper). RepRap es un mecanismo autorreplicante para la creación rápida de prototipos.
La idea original de RepRap era crear una impresora 3D que pudiera ser impresa por otra impresora 3D. En la foto de arriba, todas las piezas de plástico de la impresora “hija” se imprimen en la impresora “madre”.
Pues bien, ocurrió algo completamente distinto. Un grupo de entusiastas fue capaz de crear una impresora 3D económica para uso doméstico o de oficina utilizando la tecnología RepRap. La idea fue rápidamente recogida por tres frikis neoyorquinos que formaron MakerBot y comercializaron las impresoras 3D FDM de sobremesa.
Este fue el segundo punto de inflexión en la historia moderna de la impresión 3D.
El coste de las impresoras 3D FDM de Makerbot era de unos 1000 dólares. Este precio era bastante asequible para muchos entusiastas de la impresión 3D y tecnólogos apasionados por la idea de imprimir en 3D ingenieros y estudiantes.
En 2013, MakerBot fue adquirida por Stratasys por la cifra récord de 400 millones de dólares. El resultado de todo esto fue que el mundo recibió una tecnología muy interesante para crear objetos físicos.
Una gran ventaja de la tecnología FDM es su bajo coste y una gran selección de materiales de impresión para utilizar. Los materiales comenzaron a aparecer en grandes cantidades tras la difusión de la impresión 3D. Las impresoras FDM se extendieron principalmente entre los usuarios domésticos, que comenzaron a realizar numerosos experimentos de impresión en casa. Para más detalles, consulte el artículo La impresión 3D como afición .
Además, la impresión FDM ha encontrado su principal aplicación profesional en la creación de prototipos. Una vez impreso en 3D en este proceso, nunca volverá a ser lo mismo.
La creación de prototipos se ha vuelto significativamente más barata y rápida. Esto ha permitido a los ingenieros probar muchas ideas para crear productos de gran calidad y detalle. Obtenga más información al respecto en nuestro artículo La impresión 3D en la creación de prototipos .
También hay intentos activos de introducir la impresión 3D FDM en la producción a pequeña escala. Este intento se vio durante la epidemia de COVID-19, cuando los médicos necesitaban urgentemente producir piezas de repuesto para los respiradores, así como soportes para las mascarillas de los médicos que se ven obligados a pasar días enteros con ellas puestas.
La impresión 3D FDM pudo demostrar plenamente sus principales ventajas en comparación con la producción clásica. Sus ventajas consistían en modelar rápidamente una nueva pieza y lanzarla en serie en el menor tiempo posible, normalmente en menos de un día.
Otra gran ventaja de la impresión FDM es la gran variedad de materiales disponibles para la impresión. Los materiales van desde el PLA biodegradable hasta el PEEK que puede esterilizarse a alta temperatura y presión.
En un futuro próximo, esperamos la introducción generalizada de las llamadas “granjas de impresión 3D”, que podrán aplicar el concepto de “producción flexible”. En la producción flexible, una granja puede producir cualquier producto disponible, y no especializarse en la fabricación de ningún producto concreto como ocurre en la producción clásica. Hoy podría imprimir piezas de recambio para modelos antiguos de vagones de tren, y mañana, soportes de mascarillas médicas o tazas de recuerdo para los ganadores de concursos.
Mientras tanto, continuemos nuestra historia sobre los diferentes tipos de impresión 3D que surgieron junto con el desarrollo de las dos tecnologías principales, es decir, SLA/DLP/LCD y FDM.
Muchos ingenieros y empresarios de diferentes países se dieron cuenta de que podían empezar a utilizar los principios de la impresión 3D con diferentes materiales y métodos de formación de modelos. Y así lo hicieron.
Otros tipos de tecnologías de impresión 3D
Estas son algunas de las otras tecnologías de impresión 3D que han surgido.
Fusión láser selectiva
La fusión selectiva por láser también se denomina DMLM y LPBF. El principio de la impresión 3D consiste en que, bajo la influencia de un potente láser, el polvo metálico se funde y forma un modelo 3D. Esto permite crear modelos de formas complejas y alta resistencia.
Esta tecnología se ha aplicado en la industria aeroespacial y la medicina. Un cohete no es un producto de masas y algunos elementos son mucho más convenientes y rentables de imprimir en 3D que de fresar o fundir.
En la imagen, el mayor motor de cohete impreso del mundo. Se imprimió en una impresora SLM 800 de SLM Solutions para la empresa aeroespacial británica Orbex. El motor se fabrica como un producto totalmente metálico de aleación de níquel. La impresión 3DSLM de SLM ha reducido el tiempo en un 90% y los costes en un 50% en comparación con las máquinas CNC.
En medicina, la impresión metálica en 3D empezó a utilizarse para crear implantes de titanio individuales hechos directamente para un paciente concreto. Esto aumenta considerablemente las posibilidades de recuperación.
EBM (Electronic Beam Melting)
EBM (Electron Beam Melting) es una tecnología similar a SLS/DMLS. Sin embargo, con esta tecnología, el objeto se forma fundiendo un polvo metálico con un haz de electrones en el vacío.
SLS (Sinterización Láser Selectiva)
El sinterizado selectivo por láser es otra tecnología interesante. El proceso de formación del modelo es el mismo que en el SLM. Sin embargo, en lugar de polvo de metal, se utiliza polvo de poliamida o nylon. Esto permite formar productos muy fuertes y resistentes al desgaste con formas complejas. Los modelos pueden utilizarse principalmente como prototipos funcionales de futuros productos de metal o plástico duradero.
Colector de motor impreso SLS
Muebles impresos en una impresora SLS
MJF (Multi Jet Fusion)
MJF (Multi Jet Fusion) es una tecnología original desarrollada por HP que esencialmente repite el principio de SLS, pero no utiliza un láser. Esto supone una ventaja definitiva en el rendimiento de la impresora en comparación con la tecnología láser, ya que hornea la capa inmediatamente, al igual que ocurre con las impresoras 3D de LCD.
Como uno de los gigantes tecnológicos del mundo, HP irrumpió rápidamente en el mercado de la impresión 3D de pequeño tamaño y rápidamente se hizo con una gran cuota en el segmento industrial de los equipos. Lamentablemente, a partir de 2020, HP no ha comenzado a enviar sus impresoras 3D a todo el mundo.
Bloque de cilindros e instrumentos quirúrgicos impresos MJF
PolyJet
PolyJet es una tecnología similar a la impresión de inyección de tinta convencional. Con esta tecnología, el polímero líquido se dispara a través de muchas boquillas diminutas sobre la superficie del lecho de impresión. Después, se endurece con luz ultravioleta. U
on esta tecnología se pueden crear maquetas y prototipos de alta calidad a todo color con el máximo nivel de detalle y una calidad de acabado comparable a las muestras de producción comercial. Lamentablemente, el elevado coste de los equipos y materiales no permite una introducción más amplia de esta tecnología.
MJM (Modelado de chorros múltiples)
MJM (Multi Jet Modeling) es una tecnología de modelado multichorro similar a PolyJet. Sin embargo, la cera también puede actuar como material en este caso. La tecnología fue desarrollada por 3D Systems y, por lo tanto, tiene un nombre diferente para la protección de la patente.
La impresión con cera se utiliza mucho en joyería para hacer modelos individuales por encargo y crear modelos maestros. También hay impresoras especializadas de SolidScape que imprimen con cera de dos componentes y luego funden el material de soporte en agua caliente.
CJP (Impresión por chorro de color)
CJP (Color Jet Printing) es una tecnología que consiste en pegar y colorear capa por capa el polvo a base de yeso o plástico. Con esta tecnología se pueden crear productos a todo color.
Esta tecnología se utiliza sobre todo para imprimir modelos arquitectónicos y figuras de personas. El coste de la impresión en este caso es menor que el de la tecnología PolyJet, lo que da más oportunidades para su uso más amplio.
LOM (fabricación de objetos laminados)
La LOM (fabricación de objetos laminados) es una tecnología similar a la CJP. Sin embargo, aquí los materiales de construcción son papel. Cada hoja de papel se pega a la anterior, se pinta con una impresora de chorro de tinta y se perfora. Así se obtiene un modelo 3D a todo color.
Esta tecnología también es adecuada para modelos arquitectónicos y decorativos.
Otra tecnología con grandes perspectivas es la tecnología combinada de impresión 3D con metales. Esta tecnología combina 3 etapas de creación de un modelo:
- Impresión en una impresora FDM con un filamento compuesto especial, en el que el metal y el polímero se mezclan en determinadas proporciones
- El polímero se funde
- Cocción de un modelo metálico
Basándose en esta tecnología, las empresas estadounidenses DeskTop Metal y MarkForged ya han creado sus modelos de impresoras 3D comerciales y han empezado a venderlas tanto en América como en Europa. Sin embargo, hasta ahora la tecnología es muy rudimentaria y no garantiza productos acabados de buena calidad. Aun así, su gran ventaja es el precio considerablemente más bajo tanto de las impresoras como de los productos acabados.
Todavía no hemos probado estos sistemas. Estamos esperando la oportunidad de evaluar independientemente su calidad y eficacia.
Sistema de estudio + de Desktop Metal
Cómo funciona:
La impresión cerámica en 3D también es una tendencia prometedora en varias industrias. Hay varias empresas que producen equipos para imprimir modelos de cerámica. Diferentes fabricantes utilizan para ello DLP y SLA, como una tecnología de modelado multichorro de aglutinante cerámico (CBJ) ligeramente adaptada.
Esta tecnología se utiliza en odontología, joyería, así como para crear prototipos de alta calidad con las propiedades funcionales necesarias. También, basándose en las impresoras FDM, se crean impresoras que imprimen con arcilla para crear productos cerámicos de forma novedosa. Por ejemplo, la empresa italiana WASP lleva varios años ofreciendo este tipo de sistemas sobre la base de sus impresoras delta que imprimen con filamento.
Las impresoras 3D de construcción también utilizan el mismo principio de construcción que las impresoras FDM. Sin embargo, en lugar del filamento fundido, estas impresoras utilizan hormigón líquido. Las impresoras pueden construir las paredes de una casa de 100 metros cuadrados en unos 3 días. Esto es mucho más rápido que los métodos de construcción estándar. Además, las impresoras pueden fabricar objetos de formas complejas.
Por supuesto, esta dirección es prometedora. Sin embargo, hasta la fecha, las impresoras 3D de construcción no han recibido un uso generalizado. Pero en China, las impresoras se utilizaron en la construcción rápida de bloques autónomos para el autoaislamiento de pacientes con coronavirus leve que no consiguieron una plaza en los hospitales, sino que estaban en casa.
Un hecho interesante es que el proyecto de vivienda más prometedor en Marte también se reconoce como un método de impresión 3D.
Casa impresa por la empresa de Irkutsk en Dubai en 3 días
Cajas para pacientes con coronavirus en China. Se fabricaron 15 habitaciones en 1 día.
La impresión 3D de alimentos es otra forma de utilizar la tecnología FDM. Sin embargo, aquí las materias primas comestibles actúan como material. Las impresoras 3D de alimentos más populares son las que imprimen con chocolate. El chocolate se templa, entra en el extrusor y forma un modelo 3D en capas a través de la boquilla.
A diferencia del plástico, el chocolate es un material muy delicado que no es fácil de imprimir. Sin embargo, permite crear rápidamente obras maestras culinarias personalizadas o postres de formas inusuales. Además del chocolate, es posible imprimir con puré de patatas, masa o mermelada.
Esta tecnología está todavía en una fase temprana de desarrollo. Quizá en un futuro próximo veamos equipos más avanzados que puedan utilizarse ampliamente. Una de las mejores impresoras 3D para imprimir chocolate es Choc Creator .
Y el último, pero ni mucho menos el más importante tipo de impresión 3D, en el que se tienen puestas muchas esperanzas en el futuro: la bioimpresión 3D.
En esencia, se trata de una impresión por capas, en la que las células vivas actúan como material. Se trata de un tipo de impresión 3D relativamente nuevo. Los primeros experimentos comenzaron en el año 2000 de la mano del bioingeniero Thomas Boland, que modificó las impresoras convencionales de sobremesa para imprimir fragmentos de ADN.
En los últimos 20 años, la industria ha avanzado mucho. Hoy, además de prototipos de órganos humanos, se imprimen con éxito implantes, tubos vasculares, válvulas cardíacas, aurículas, cartílagos, tejido óseo y piel para su posterior trasplante.
Esta impresión en 3D se utiliza con éxito para crear “simuladores” para los médicos, en los que pueden ensayar operaciones o para los estudiantes para hacer prácticas en vivo. Por supuesto, uno de los principales objetivos de la bioimpresión es la impresión de órganos internos funcionales para su trasplante a partir del biomaterial del paciente.
Por el momento, esta dirección se encuentra en fase de desarrollo y prueba y no se utiliza plenamente para tratar a los pacientes. Sin embargo, ya se han realizado un gran número de experimentos con éxito. Por ejemplo, el sello del corazón realizado por científicos israelíes en 2019 tiene un tamaño todavía muy pequeño, pero lo principal es que es capaz de realizar sus funciones.
La bioimpresión también es muy prometedora en las pruebas experimentales de los productos farmacéuticos fabricados por las empresas farmacéuticas.
Por supuesto, no he podido hablar de todas las tecnologías de impresión 3D en este artículo. Pero después de leerlo, incluso sin ser un experto técnico, podrás hacerte una primera idea de la impresión 3D, sus diferentes tecnologías y métodos de aplicación.
