Siendo esta la primera entrada del blog, qué mejor forma de comenzar que repasando los pasos que se han dado hasta llegar al ecosistema actual de la tecnología. Bajo la misma denominación de Fabricación Aditiva o Impresión 3D, tenemos diferentes formas de transformar la materia que pueden compartir o no principios científicos entre ellos. ¿Cómo se formularon en su origen? ¿Qué evolución ha tenido cada proceso? ¿Qué empresas han nacido a partir de cada tecnología?

Dividimos la entrada en tres partes coincidiendo con hitos importantes. La primera trata de explorar las bases sobre las que se cimientan las tecnologías. Una segunda parte que versa sobre la comercialización de las máquinas y la creación de grandes actores de la industria. Y la tercera con un carácter de democratización y apertura al mundo de la fabricación aditiva gracias al fin de las patentes.

Parte I. La prehistoria.

La década 2010-2020 ha sido en la que la impresión 3D ha saltado a la palestra, saliendo de talleres de empresas industriales al mundo: hoy se encuentra en los hogares, estudios de arquitectura y diseño e incluso en nuestras calles dándonos la sensación de que acaba de ser inventada. Sin embargo, la comunidad científica coincide en referir el inicio de este camino a mitades del siglo XIX [1][2]. Hablamos, pues, de 150 años de experimentación y desarrollo.

Los orígenes y los primeros ensayos.

Podríamos decir que le primer dispositivo de crear objetos tridimensionales data de mediados del siglo XIX y corre a cargo del escultor y fotógrafo francés François Willème. 24 cámaras equidistantes al elemento a esculpir toman las imágenes que, una vez recortadas sus siluetas y dispuestas sobre un eje común, nos dan un contorno de 360º en toda la altura sobre el que trabajar un material.

Este desarrollo es interesante ya que se trata de una manera analógica de escanear objetos y realizarlos en forma volumétrica desde un enfoque de ingeniería inversa, con el objetivo mismo que utilizamos la tecnología hoy en día: ganar precisión y ahorrar tiempos.

En 1864 se le concede la patente en Estados Unidos [3], aunque la técnica no tiene gran interés comercial y no se desarrolla para otros campos más allá de la escultura de personas. Pese a todo, en su necrológica se hace referencia a su invento.

En 1890, el cartógrafo Joseph E. Blanther presentó una patente para un método de producción de mapas en relieve tridimensionales [4]. Las nuevas estrategias militares requerían de un conocimiento del terreno más exacto que el aportado por un mapa en 2D, que si bien daba una idea de la geografía, no resultaban tan visual.

Se basaba en la estratificación, de una en una, cortando placas de cera contorneadas que se fundían en capas para después alisar las superficies exteriores. En este momento ya estamos hablando propiamente de trabajar por capas, pero al igual que en la patente de Willème, necesitamos realizar ciertas operaciones manuales para obtener el resultado final.

Además en ambos casos el objeto de la invención va orientada a campos concretos: la escultura y la cartografía, por lo que otros sectores difícilmente podían aplicar esas técnicas para sus propósitos. De estas dos disciplinas surgen varias patentes que ahondan en el concepto de capas sucesivas. Esta línea temporal la describen en profundidad Beaman et al [1].

Ya en el siglo XX, encontramos un desarrollo para fabricar objetos añadiendo sucesivas capas, a cargo de R. Baker en el año 1920 con una solicitud de patente de tecnología de deposición de metal con arco eléctrico [5]. Aquí ya se habla de “artículos decorativos”, dándonos una idea de que se pueden fabricar objetos de diversa índole, obteniendo así un potencial de alcance mayor.

La fotopolimerización

Es la química la que entra en juego en los años 50, cuando la compañía DuPont inventa la resina fotopolimérica [6], sirviendo esta de base para el desarrollo de diferentes técnicas basadas en láseres durante los 50, 60 y 70. Se puede decir que es en esta época donde se hacen los primeros intentos de polimerizar una resina aunque el grado de desarrollo de la tecnología y su comercialización son aún primitivos y sirven sobre todo para asentar los cimientos científicos de lo que llegaría posteriormente.

En 1951, Otto John Munz inventa una técnica que consiste en apilar una serie de fotografías en 2D impresas en una emulsión fotosensible [7]. Cada una de esas imágenes proyectadas, que corresponden a una sección transversal del objeto a imprimir, son expuestas selectivamente al medio fotosensible. [8]

El gran avance es que el sistema ya posee un pistón que desciende gradualmente en Z a cada capa que se añade, uno de los principios de operación de las máquinas modernas. Una de las desventajas era que precisamente este pistón debía ser retirado junto con todo el medio y bien tallar o someterlo a un proceso fotoquímico para obtener la forma del objeto en cuestión.

Una serie de experimentos por parte de W. K. Swainson a finales de los 60 en el Battelle Memorial Institute, llamado “mecanizado fotoquímico”, busca solidificar la resina de un tanque en el punto de intersección de dos láseres de diferente longitud de onda por medio deenlaces cruzados o degradación del polímero [6][7]. Damos así inicio al trabajo de la materia con láser. En la patente de 1971 [9] se habla ya de términos como espejo controlado por galvanómetro o estrategias de escaneo del láser.

El francés Pierre Ciraud en 1971 solicita patente [10] para un método de fabricación de “cualquier material fundible” solidificándolo por medio de una fuente de energía proveniente de un rayo láser . Estamos ante el primer desarrollo basado en la transformación a partir de materiales en forma de polvo, y puede considerarse como un precursor del Laser Cladding de la familia DED.

El propio Ciraud lo describe como una invención que hace posible la fabricación de piezas con formas extremadamente complejas sin necesidad de moldes de fundición [11].

R. Housholder solicita en 1979 una patente [12] que incluía la descripción de un sistema y un método que puede considerarse como el precursor de la tecnología de sinterizado selectivo. El objeto declarado de la invención era "proporcionar un proceso de moldeo nuevo y único para formar artículos tridimensionales tridimensional en capas y cuyo proceso puede ser controlado por la tecnología moderna como los ordenadores". Seguimos con el polvo como materia prima pero en este caso el láser, controlado por un ordenador, realiza un recorrido x-y a lo largo de una capa añadida de polvo.

Debido al altísimo coste de los láseres en aquella época, y al hecho de que los ordenadores estaban aún desarrollándose, su invento no llamó mucho la atención. Fue más tarde, cuando la empresa DTM lo descubrió y obtuvo una licencia de la patente, que se empezó a comercializar bajo el nombre de SLS [11].

Hideo Kodama

Llegamos a 1981 con uno de los nombres clave. Hideo Kodama del Nagoya Municipal Industrial Research Institute publica un artículo [13] en el que experimenta la solidificación de una resina fotosensible con un plotter x-y que guía la fibra óptica como fuente de rayos UV.

Poco tiempo después,  todavía en 1981, publica un segundo artículo [14] en el que describe más profundamente la tecnología con tres métodos diferentes.

Menciona parámetros que hoy día nos resultan bien familiares como la longitud de onda, el diámetro focal, la altura de capa, el tiempo de exposición, la viscosidad de la resina o incluso los soportes. Pone acento en las posibilidades de crear estructuras bastante complejas en poco tiempo y a bajo coste, sin una excesiva labor manual. La imagen muestra una pieza de 20 x 20 x 12.5 mm realizada con 5 capas de 2.5mm de espesor. 96 minutos por capa, total 8h.

En abril de 1980 Hideo Kodama ya había registrado una solicitud de patente [15] que más tarde se verá paralizada, según ciertas fuentes por falta de financiación para asegurar ensayos y desarrollos posteriores. No obstante, se le considera pionero en el enfoque de apilar capas sucesivas solidificadas con una fuente de rayos ultravioleta, hasta el punto de haber recibido el reconocimiento de sus colegas del IECE (Institute of Electronics, Information and Communication Engineers) de Japón en el año 2014 por su trabajo en el desarrollo temprano de la tecnología de impresión 3D [16].

A lo largo de los años 80 esta idea tomaría forma en otras cabezas en Europa y Estados Unidos para dar lugar al nacimiento de la comercialización de tecnología de fabricación aditiva y servir a la industria más allá de la experimentación.

REFERENCIAS

[1] J. Breuninger, R. Becker, A. Wolf, S. Rommel, A. Verl, et al. Generative Fertigung mit Kunststoffen: Konzeption und Konstruktion fr selektives Lasersintern, Springer Vieweg, Berlin (2013)

[2] D.L. Bourell, J.J. Beaman, Jr., M.C. Leu, and D.W. Rosen, A Brief History of Additive Manufacturing and the 2009 Roadmap for Additive Manufacturing: Looking Back and Looking Ahead (US, Turkey Workshop on Rapid Technologies, 2009).

[3] F. Wilème. Photographing sculpture US43822. Aug. 9, 1864

[4] J E. Blanther. Manufacture of contour relief maps. US473901. May. 3, 1892

[5] R. Baker. Method of making decorative articles. US 1,533,300, Filed Nov. 12, 1920

[6] http://www.wohlersassociates.com/history.pdf

[7] O. J. Munz. Photo-glyph recording. US2775758. Filed May. 25, 1951.

[8] O. Diegel, A. Nordin, D. Motte. A Practical Guide to Design for Additive Manufacturing. Springer (2019)

[9] W.K. Swainson. Method, medium and apparatus for producing three dimensional figure product. US4041476. Filed Jul. 23, 1971

[10] A. Ciraud, Process and Device for the Manufacture of any Objects Desired from any Meltable Material, FRG Disclosure Publication 2263777. Filed Dec. 28, 1971

[11] M. Shellabear & O. Nyrhilä, DMLS – "Development History and State of the Art," presented at LANE 2004 conference, Erlangen, Germany, Sept. 21-24, 2004

[12] R. Housholder. Molding process. US4247508. Filed Dec. 3, 1979

[13] Hideo Kodama. "A Scheme for Three-Dimensional Display by Automatic Fabrication of Tree-Dimensional Model" .IEICE Transactions on Electronics, Vol.J64-C No.4, pp.237-241, April 1981.

[14] H. Kodama. "Automatic method for fabricating a threedimensional plastic model with photo hardening polymer". Rev. Sci. Instrum, Vol. 52, No. 11, pp 1770-1773. Nov. 1981

[15] H. Kodama. Stereoscopic figure drawing device.  JPS56144478A. Filed Apr. 12th, 1980

[16] IECE