Técnica con sinterización selectiva por láser (SLS)

Es otra de las tecnologías en base a la Fusión de lecho de polvo.
Como hemos visto anteriormente los materiales que se utilizan en la fusión por haz de electrones son metales pulverizados. En la sinterización selectiva por láser retomamos los materiales más usados en la impresión 3D: los plásticos, las ceras y los vidrios, aunque en esta ocasión, pulverizados. La sinterización de los materiales se efectúa gracias a un rayo láser CO2.

La tecnología SLS se debe a Carl Deckard, que en 1980 la patentó siendo estudiante de la Texas University, bajo la tutela del ingeniero y profesor Joe Beaman.

El proceso de sinterización consiste en aplicar calor hasta una temperatura menor al punto de ebullición sobre un compactado de material cerámico o metálico pulverizado. Esto transforma el compactado en un sólido cuyas partículas se unen químicamente.

Una vez dispuesto el material pulverizado en una fina capa sobre la plataforma de impresión un láser CO2 incide en lugares elegidos, provocando un aumento de temperatura que sinteriza el polvo.
Finalmente, se deja enfriar la pieza dentro de la máquina, se recicla el material sobrante y se aplica un tratamiento mecánico a la pieza para conseguir un buen acabado.

Como hemos apuntado al principio, los materiales que pueden usarse en estos procesos abarcan una horquilla amplia: nylon, compuestos de nylon y fibra de vidrio, poliestireno e incluso metales como el titanio, acero…

La tecnología SLS es muy usada en las industrias aeroespacial y de automoción, ya que se pueden conseguir piezas funcionales y lo suficientemente perdurables. Gracias a la gran variedad de materiales que soporta esta tecnología y su alta velocidad de impresión, las empresas cada vez fabrican más piezas diferentes mediante ella.

Los principales inconvenientes de los procesos SLS son el acabado irregular y la escasa oferta de colores.

Fusión de lecho de polvo: Fusión selectiva por Láser (SLM)

SLM son las siglas de selective laser melting. La SLM funciona como las demás tecnologías de impresión 3D. La característica que diferencia a la fusión selectiva por láser de las demás es que el láser de alta energía que calienta el lecho de polvo es de fibra de iterbio.

La SLM se incluye en los procesos de sinterización, pero en este caso se suele alcanzar el punto de ebullición, con lo que no es siempre correcto equipararlo completamente con ellos. Realmente, la fusión selectiva por láser es similar la fusión por haz de electrones, salvo por la fuente de calor.

La cámara donde transcurre el proceso de fusión contiene algún tipo de gas inerte como argón para facilitar la conservación de las características de los materiales y la eficacia del láser. Como hemos dicho, no se produce exactamente una sinterización, más bien se da un proceso de soldadura.

Los materiales utilizados en la SLM son metálicos: titanio, cromo cobalto, acero inoxidable, acero y aluminio.

Esta tecnología es idónea para fabricar objetos complejos con canales, huecos…Por ejemplo, es muy útil para la industria aeroespacial, ya que el diseño y fabricación tradicional presentan algunas limitaciones en algunos casos.

Los residuos se recogen y reutilizan. Como en los demás procesos de lecho de polvo, el acabado de las piezas es rugoso y precisa de un tratamiento mecánico para conseguir un mejor acabado.

Técnica con inyección de aglutinante

Conocido en inglés como Binder Jetting el proceso de inyección por aglutinante no está englobado en los procesos catalogados como de lecho en polvo; Sin embargo, comparte esta característica. También comparte similitudes con los procesos de inyección de material.

La tecnología de Inyección de aglutinante tiene dos variantes denominadas Plaster based 3D Printing (PP) y Powder Bed and Inker Head PBIH.

Fue desarrollada en los inicios de la década de los 90 en el prestigioso Massachusetts Institute of Technology. A partir de 1995 la empresa Z Corporation se encarga de evolucionar esta tecnología. Unos años más tarde, la empresa pionera en la fabricación aditiva 3D Systems adquiere a Z Corporation.

Este tipo de fabricación aditiva funciona de una forma análoga a la impresión tradicional y a la impresión 3D por inyección de material: una capa o lecho de polvo hace las veces del papel y resinas plásticas fundidas (aglutinante) emulan a la tinta.

Un rodillo dispone una fina capa de material en polvo sobre la plataforma de impresión, se vierte cierta cantidad de aglutinante en los lugares indicados por medio de un cabezal; se habilita una nueva capa de polvo y se vuelve a inyectar aglutinante. El proceso se repite hasta la finalización de la pieza.

La capa de material pulverizado sirve como estructura de soporte de la pieza; una vez finalizada, el polvo sobrante se elimina mediante aire a presión. Luego, se baña la pieza en un preparado líquido que penetra en cualquier porosidad, lo que refuerza sus propiedades y su aspecto estético. A pesar de este tratamiento, los objetos creados con esta tecnología suelen ser frágiles que las fabricadas con otras tecnologías de impresión 3D.

La inyección por aglutinante soporta multitud de materiales: cristal, acero, resinas, aluminio, ceras, plata, cerámicas… es una tecnología de uso sencillo y el coste de trabajar con metales es el más reducido. Sus principales usos son la fabricación de prototipos y pequeñas herramientas.

Técnica de extrusión de material

Esta es la técnica de impresión con la que estamos más familiarizados, ya que es la que utilizan la mayoría de las impresoras de uso particular. Es una tecnología que permite una gran flexibilidad. La fabricación de las impresoras capaces de usar esta modalidad de impresión digital 3D es relativamente sencilla y barata, lo que hace que resulten idóneas para su comercialización masiva. Como resultado de esto, casi todas las impresoras 3D más famosas: Ultimaker, Cube, Witbox, Prusa… generan las piezas mediante la extrusión de material.

Es una tecnología muy joven; es desarrollada en 1989 por el matrimonio Scott y Lisa Crump. Se conoce por las siglas en inglés FDM (Fused Deposition Modeling), registrado por la empresa fundada por la familia Crump (Stratasys Inc.) y también por FFF (Fused Filament Fabrication) para evitar conflictos con la marca patentada por los Crump. La traducción al castellano sería Modelado por Deposición Fundida en el primer caso y Fabricación por Filamento Fundido en el segundo.

El funcionamiento exacto de esta tecnología consiste en fundir un material termoplástico formando un filamento de milímetros que es aplicado por un cabezal capa a capa.

Se utiliza un software que guía a los cabezales que depositan el filamento. Las impresoras FFF pueden contar con varios extrusores para añadir diferentes colores o materiales en elaboraciones de una alta complejidad. En cualquier caso, solo un extrusor trabajará en cada momento.

Cuando el filamento avanza hacia el cabezal por la acción de un pequeño motor que, además, eleva la temperatura hasta que el material adquiere una consistencia de gel. Este material fundido es depositado por un cabezal de impresión y rápidamente comienza a endurecerse, lo que provoca que se adhiera a la capa inmediatamente anterior. En este tipo de impresoras puede moverse el cabezal o la plataforma.
La pieza resultante no suele presentar un acabado de alta calidad, aunque no necesita tratamiento de rayos ultravioleta. Para conseguir un mejor acabado se puede recurrir a técnicas tradicionales como el lijado o a bañar con el vapor producido al calentar acetona. Este último método dota a la pieza de una especie de brillo que recuerda al esmalte. Además, reduce la diferencia entre las capas, resultando la pieza mucho más homogénea.

Los materiales más utilizados en a impresión 3D FFF son el ABS (acrilnonitrilo, butadieno estireno) y el PLA (poliácido láctico). Los policarbonatos y el nylon son de uso frecuente. Para imprimir las estructuras de soporte los materiales más convenientes son las ceras y el acetato de polivinilo.
Esta tecnología es idónea para fabricar prototipos que no requieran de un acabado en alta calidad y para producir herramientas de utillaje. Por su flexibilidad y coste se ha impuesto en las impresoras de uso particular.

Técnica de fusión de lecho de polvo (PBF)

Así como la fusión por filamento se caracteriza porque el material forma un filamento antes de ser fundido y aplicado. En la fusión de lecho de polvo o PBF (Powder Bed Fusion) el material se dispone pulverizado sobre una plataforma. Esta capa de microparticulas del material escogido es la que se funde por exposición a una fuente de calor.

En función de algunas pequeñas diferencias podemos distinguir cinco procesos que utlizan la PBF:

• Fusión por haz de electrones, EBM (Electron Beam Melting)
• Sinterización selectiva por láser, SLS (Selective Laser Sintering)
• Sinterización selectiva por calor, SHS (Selective Heat Sintering)
• Fusión selectiva por láser, SLM (Selective Laser Melting)
• Sinterización de metal directa por láser, DMLS (Direct Metal Laser Sintering)

Técnica de fundido por haz de electrones (EBM)

Es un proceso patentado en 1998 por la empresa Arcam AB, con sede en Suecia. Al igual que en las tecnologías anteriores se deposita un material en una plataforma. En este caso se deposita una fina capa de material pulverizado. Este polvo también se funde y es en esta operación donde la EBM se diferencia de las demás tecnologías.

En primer lugar se aumenta la temperatura del polvo para facilitar su fundido. Luego se dirige un haz de electrones en condiciones de vacio hacia las zonas seleccionadas para su fundido. A diferencia de otras tecnologías las bobinas dedicadas a dirigir este rayo de electrones son electromagnéticas, en vez de ópticas. Las bobinas electromagnéticas permiten un control muy preciso y veloz del haz de electrones. Esta tecnología permite varias partes de la pieza se realicen simultáneamente, lo que se traduce en una alta velocidad de fabricación. Una vez impresa la primera capa se deposita una nueva lámina de material en polvo y se aplica de nuevo el haz o los haces de electrones. El proceso se repite hasta la finalización de la pieza.

Una vez finalizada la pieza se deja atemperar y se recoge el material sobrante para su reutilización. Con la fusión por haz de electrones se consiguen objetos muy resistentes tanto al calor como a los golpes. Sin embargo, la fase de enfriamiento es crítica y pueden desarrollarse imperfecciones durante la solidificación que mermen la resistencia final del objeto.

Los materiales más usados son el titanio y el cromo cobalto. Debido a que el fundido de estos materiales pulverizados se realiza en condiciones de vacío y a temperaturas muy elevadas las piezas resultantes mantienen plenamente las características de los mismos o incluso las mejoran.
Esta tecnología es perfecta para generar estructuras complicadas y de gran resistencia. Es muy utilizada en medicina, en todo tipo de implantes individualizados. Sirve para producir series limitadas de piezas y prototipos funcionales.

El acabado de las piezas necesita de procesos de lijado mecánico para pulir la base en caso de que fuera necesario.

La EBM es una tecnología muy cara que requiere de maquinaria y personal especializados.

Fotopolimerización

Esta tecnología de impresión 3D es la primera en aparecer. Concretamente, su especialidad de estereolitografía o foto-solidificación (SLA): desde que en 1986 Chuck Hull patentara este método de manufacturar piezas en 3D y creara la empresa 3D Systems, de la cual continua como CEO, la estereolitografía no ha dejado de desarrollarse.

La fotopolimerización se fundamenta en el curado o endurecimiento por capas de un fotopolímero resinoso en estado líquido mediante un rayo de luz. Existen dos técnicas a partir de esta definición: la mencionada estereolitografía y el procesamiento digital por luz (DLP).

La SLA utiliza resina que se dispone en un recipiente con una base que sea capaz de ir descendiendo. Un rayo láser de luz ultravioleta se dirige a los puntos programados de la superficie resinosa. Al entrar en contacto el láser con la resina se produce una reacción por la cual el líquido se solidifica. Ya tenemos una capa de lo que será nuestro producto final. Entonces la plataforma desciende ligeramente y se barre esta capa solida para que vuelva a formarse una capa de resina líquida en la superficie. De nuevo, el láser incide en las zonas escogidas formando una segunda capa tridimensional. Una vez terminado el proceso las piezas se secan en un horno de luz ultravioleta.

Es un método rápido en comparación con otros y permite unos acabados de alta calidad, aunque su costo es elevado. No es posible fabricar elementos grandes. Se pueden utilizar materiales duros, pero no demasiado flexibles.

El DLP (digital light processing) es similar al SLA, salvo que en vez de utilizarse una luz láser para endurecer la resina, se usa una luz emitida por medio de un proyector de video DLP. Este método es más económico a cambio de perder un poco de calidad.

Las resinas que se utilizan en la fotopolimerización permiten ya elaborar tanto moldes de silicona como de poliuretano. Gracias a este hecho y a la alta calibración que se consigue al utilizar un láser como cincel la principal aplicación de esta tecnología es el fabricar prototipos de alta calidad en escaso tiempo, incluyendo piezas complicadas desde el punto de vista geométrico.

Impresión por inyección de material

La impresión por inyección, denominada Material Jetting en inglés, funciona casi idénticamente a como lo hacen las impresoras que utilizamos habitualmente en nuestra vida cotidiana; un cabezal de impresión inyecta un material plástico fotoreactivo, que hace las veces de tinta en las impresoras 2D. El cabezal va acompañado de luces ultravioleta que endurece el plástico una vez inyectado. Este método es llamado Multijet Modelling (MJM) y suele ser traducido como Modelado de Inyección Múltiple o de Chorro Múltiple.

En consonancia con el número de cabezales que disponga la impresora, podremos imprimir piezas compuestas de varios materiales. Esto es una clara ventaja de este tipo de impresión 3D. Por ejemplo, podemos mezclar diferentes plásticos para aprovechar sus características y asi crear en la práctica un nuevo material a nuestra medida. No todos los plásticos tienen las misma flexibilidad, dureza, resistencia, opacidad, rigidez…
Además de los plásticos fotoreactivos, también se necesita un material con consistencia de cera o gel muy espeso que sirva de soporte a la pieza.

Las impresoras 3D de este tipo suelen ser de dimensiones considerables; ello permite la producción en serie de piezas, lo que redunda en un menor coste por pieza y la posibilidad de elaborar piezas grandes. Otro de los motivos por los que este tipo de impresoras son más rápidas y productivas es su capacidad de utilizar varios materiales a la vez en cada pieza, sin necesidad de imprimir cada parte de la pieza por separado y luego unirlas mediante soldadura.

Un baño en agua a presión es suficiente para eliminar la cera adherida a la pieza una vez imprimida. En el caso de las impresiones por Modelado de Inyección Múltiple no se necesita ningún tipo de curado para que la pieza este operativa: se imprime, se lava a presión y ya está lista para su comercialización.
Los acabados son bastante buenos así como la precisión y velocidad de las impresoras. Se utiliza en joyería, odontología y joyería sobre todo.

El principal inconveniente de esta tecnología es la limitación en los materiales: aunque pueden mezclarse para conseguir diferentes características, todos son de la misma familia. Por ejemplo, a este tipo de materiales no se le pueden añadir pigmentos, así que para lograr el color que deseamos debemos mezclar varios materiales hasta conseguirlo.