Si bien la fabricación aditiva se basa en apilar capas sucesivas de material, existen diferentes formas de realizarlo para llegar a crear la forma tridimensional final. Según el tipo de energía que utilizamos para transformar la materia prima y la técnica para añadir dichas capas, encontramos 7 grandes familias, definidas en la norma ISO 17296-2:2015, que engloban el ecosistema de la impresión 3D.
Cabe destacar que se trata de una agrupación a nivel muy general ya que cada familia puede incluir técnicas que difieran entre sí, debido sobre todo a la necesidad de patentar la tecnología. Veremos su principio de funcionamiento, el campo de aplicación, los materiales posibles a realizar y las principales empresas de su área, y dejaremos los subprocesos para un post de cada una en particular, ya que los detalles marcan la diferencia.
Binder Jetting
Definición y principio de funcionamiento
Proceso de fabricación aditiva en el que se deposita selectivamente un agente adhesivo líquido para unir materiales en polvo. (ISO 52900:2015)
Unión primaria por reacción química del adhesivo. Unión secundaria para ciertos materiales (sobre todo metales) en forma de tratamiento térmico para obtener las propiedades finales.
Características del proceso
- Sin soportes, el propio polvo hace de soporte
- Posibilidad de obtener piezas a color
- Buena calidad estética
- Enorme retracción dimensional en caso de metales a causa del sinterizado
- Alta velocidad de fabricación
- Coste del equipamiento medio-alto
- Bajo coste por pieza
Materiales
Metálicos, plasticos, cerámicos, composites, madera, vidrio, arena y yeso. Presentados en forma de polvo.
Aplicaciones
- Lotes de producción medio-bajos
- Prototipos a color
- Piezas metálicas con baja necesidad de carga mecánica
- Diversidad de tamaños, aunque para el caso de metales piezas no masivas y de pequeño tamaño
Empresas
3DSystems (Z Corp), Desktop metal (ahora incluye ExOne), Voxeljet
Directed Energy Deposition
Definición y principio de funcionamiento
Proceso de fabricación aditiva en el que se utiliza energía térmica focalizada para fusionar los materiales por fusión mientras se depositan. (ISO 52900:2015)
Fuente de energía en forma de láser, plasma, arco eléctrico o haz de electrones. Unión por fusión del material y posterior solidificación.
Características del proceso
- Sin soportes, se aporta el material siempre a la normal del plano de trabajo
- Altas tasas de deposición
- La plataforma tiene varios grados de libertad, a diferencia del resto de tecnologías donde solo se mueve en el eje Z
- Alto coste
Materiales
Metálicos, cerámicos. En forma de filamento o polvo.
Aplicaciones
- Fabricacion híbrida
- Materiales de construcción
- Reparaciones
- Recubrimientos
- Piezas de gran tamaño
- Piezas multi-material
Empresas
Trumpf, Optomec, DMG Mori, Sciaky Inc, Norsk Titanium, MX3D
Material Extrusion
Definición y principio de funcionamiento
Proceso de fabricación aditiva en el que el material se dispensa selectivamente a través de una boquilla u orificio. (ISO 52900:2015)
El material se funde en la boquilla para atravesar el orificio y depositarse sobre la plataforma o material de la capa precedente. La plataforma se mueve en el eje Z y la boquilla en X-Y.
La fuente de activación puede ser calor o ultrasonidos y el mecanismo de unión es principalmente térmico aunque también existe la posibilidad de encontrar tecnologías que se unan por medio de reacción química.
Características del proceso
- Proceso lento
- Impresoras de escritorio accesibles en precio, tamaño y prestaciones
- En el caso de máquinas industriales coste medio-alto
- Baja calidad estética
- Infill regulable. Posibilidad de parametrizar el relleno de las paredes de la pieza
- Principio de funcionamiento sencillo
- Fácilmente escalable, sin limitación técnica de tamaño
Materiales
Termoplásticos, metálicos, composites, presentados en forma de hilo (bobina) o bolitas (pellets)
Aplicaciones
- Prototipos
- Repuestos y recambios in situ
- Series unitarias o muy bajas
- Piezas con materiales plasticos técnicos
Empresas
Stratasys, Makerbot, Prusa, Ultimaker, Desktop metal
Material Jetting
Definición y principio de funcionamiento
Proceso de fabricación aditiva en el que se depositan selectivamente gotas de material de construcción. (ISO 52900:2015)
El material líquido se deposita de forma lineal por unas boquillas (buses) y se une por reacción química activada por una fuente de radiación luminosa (para resinas fotopoliméricas) o por solidificación de material fundido (ceras).
El cabezal que contiene los buses se mueve en X-Y de forma mecánica, por lo que la precisión en estos ejes es constante.
Características del proceso
- Posibilidad de imprimir multimateriales en una sola pieza
- Impresión a color y con texturas diferentes diponibles
- Técnicamente no hay limitación de tamaño de impresión
- Detalles muy finos
- Coste medio-bajo
Materiales
Plásticos (termosets), metálicos y ceras, generalmente en estado líquido.
Aplicaciones
- Prototipos plásticos con varias durezas y flexibilidades en la misma pieza
- Maquetas de producto
- Modelos para fundir a la cera perdida. Joyería
Empresas
Stratasys (incluye Solidscape), 3D Systems, Xjet (metal)
Powder Bed Fusion
Definición y principio de funcionamiento
Proceso de fabricación aditiva en el que la energía térmica fusiona selectivamente regiones de un lecho de polvo. (ISO 52900:2015)
Una fuente de energía térmica (láser, lámpara de infrarrojos o haz de electrones) impacta en una superficie de material que ha sido aportado por una cuchilla o un rodillo. La materia se une por la reacción química causada.
La fuente de activación diseña la capa en los ejes X-Y y las plataformas (de construcción y de aporte de material) se mueven en el Z.
Características del proceso
- Se trabaja en atmósferas controladas (O2 y temperatura)
- En el caso de plásticos, trabajamos sin soportes y aprovechamos todo el volumen de la cámara XYZ
- En metales, la gestión de los soportes es un factor crítico
- Es posible retrabajar las piezas (fabricación híbrida)
- Variedad de aleaciones metálicas muy importante
- Proceso complejo y de coste alto
Materiales
Polímeros termoplásticos y metálicos en forma de polvo.
Aplicaciones
- Piezas finales de alto valor añadido
- Pieza funcional para aplicaciones reguladas: aeronáutica, aeroespacial, medicina o automoción
- Series cortas o unitarias
Empresas
HP, EOS, Renishaw, General Electric (Concept Laser, Arcam), SLM Solutions, 3D Systems
Sheet Lamination
Definición y principio de funcionamiento
Proceso de fabricación aditiva en el que se unen láminas de material para formar un objeto. (ISO 52900:2015)
Se apilan láminas en una superficie de trabajo donde se unirán por capas y se procederá a su conformado. El método de unión puede ser adhesivo por reacción químico, soldadura ultrasónica o por energía térmica. Acto seguido se recorta el contorno del plano en cuestión para añadir la siguiente capa.
Características del proceso
- Altas tasas de deposición por volumen
- Permite combinaciones de materiales
- Se pueden incluir componentes embebidos
- Costos de operación y maquinaria moderados
Materiales
Papel, cartón, plásticos, composites y metales, todos en forma de láminas.
Aplicaciones
Modelos estéticos y visuales
Empresas
Clean Green, Desktop Metal (incluye Envisiontec), Impossible Objects
Vat Photopolymerization
Definición y principio de funcionamiento
Proceso de fabricación aditiva en el que el fotopolímero líquido en una cuba se cura selectivamente por polimerización activada por la luz. (ISO 52900:2015)
Un tanque lleno de resina fotopolimérica recibe la radiación UV de un láser (impacto por puntos a través de los ejes X-Y) o una lámpara (impacto en el plano X-Y completo). La resina en estado líquido (monómeros) se solidifica por medio de la reacción química de la polimerización en una plataforma que se hunde en el tanque o bien se eleva alejándose de él.
Características del proceso
- Variedad de resinas, sobre todo en DLP
- Altas velocidades de fabricación del DLP, SLA tradicional es más lento
- Oferta de equipamiento para oficina/hogar
- Gran calidad superficial y de detalles
- Coste medio-alto para equipos industriales
Materiales
Resinas fotopoliméricas (termosets). Estado líquido.
Aplicaciones
- Prototipos, maquetas y modelos. Fácilmente tratable a mano para acabados y pinturas
- Master para fundición al vacío (duplicación)
- Pieza final no sometida a grandes cargas ni a largas exposiciones a exteriores
Empresas
3D Systems, Desktop Metal (incluye Envisiontec), Photocentric, Formlabs, Stratasys (Origin)
REFERENCIAS
Imagen de portada collage del autor, fuentes:
- ISO 17296-2:2015 Additive manufacturing — General principles — Part 2: Overview of process categories and feedstock
- ISO/ASTM 52900:2015 Additive manufacturing — General principles — Terminology
- O. Diegel, A. Nordin, D. Motte. A Practical Guide to Design for Additive Manufacturing. Springer (2019)
- M. Puerto Pérez-Pérez, Miguel A. Sebastián, Emilio Gómez-García, Análisis y propuesta para la utilización de los contenidos en normas técnicas para la enseñanza de la Fabricación Aditiva, presented at XXII Congreso Nacional de Ingeniería Mecánica, Madrid, Spain, 19-21 Sept 2018
- A. Danut Mazurchevici, D. Nedelcu & R. Popa, Additive manufacturing of composite materials by FDM technology: A review, Indian Journal of Engineering & Materials Sciences, 27, 179-192, April 2020
- Loughborough University. Additive manufacturing research group. Accessed 18/09/2021
- P. Calves, Metal Binder Jetting une opportunité pour la production de petits composants complexes en petite et moyenne série, Traitements & Matériaux, 452, 50-56, Mai-Juin 2018
- B. Freire, M. Babcinschi, L. Ferreira, B. Señaris, F. Vidal & P. Neto, Direct Energy Deposition a complete workflow for the additivemanufacturing of complex shape parts, Procedia Manufacturing 51, 671–677, Jun 2021
- H. Koehler, K. Partes, T. Seefeld & F. Vollertsen, Laser reconditioning of crankshafts: From lab to application, Physics Procedia 5 387–397, 2010
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