Las 7 categorías de proceso de la fabricación aditiva

Autor: David Rodríguez
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16 de agosto de 2021
Tecnología de fabricación aditiva

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

Vía ISO 17296-2:2015

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
Retracción dimensional de piezas tras el sinterizado. Vía P. Calves, CETIM

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

Shop System de Desktop Metal con su horno de sinterizado. Vía Desktop Metal.

Directed Energy Deposition

Vía ISO 17296-2:2015

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.

Secuencia de producción de una pieza. Vía Bernardo Freire et al.

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
Reacondicionamiento de un cigüeñal desgastado de un motor diésel de un navío por DED. Vía H. Koehler et al
Resultado del trabajo, zona de la inyección del aceite y posterior. Vía H. Koehler et al

Empresas

Trumpf, Optomec, DMG Mori, Sciaky Inc, Norsk Titanium, MX3D

Material Extrusion

Vía ISO 17296-2:2015

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)

Pieza FDM en material ULTEM 1010. Vía Stratasys.

Aplicaciones

  • Prototipos
  • Repuestos y recambios in situ
  • Series unitarias o muy bajas
  • Piezas con materiales plasticos técnicos

Empresas

Stratasys, Makerbot, Prusa, Ultimaker, Desktop metal

Ultimaker Original, impresora de escritorio "do it yourself". Vía Ultimaker

Material Jetting

Vía ISO 17296-2:2015

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
Prototipo de linterna. Vía Stratasys.

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)

Stratasys Objet500 Connex3. Vía Stratasys.

Powder Bed Fusion

Vía ISO 17296-2:2015

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
Caso de estudio de implante craneal. Vía Renishaw

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

EOS M290. Vía EOS.

Sheet Lamination

Vía ISO 17296-2:2015

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.

Piezas impresas en papel. Vía Clean Green 3D.

Aplicaciones

Modelos estéticos y visuales

Empresas

Clean Green, Desktop Metal (incluye Envisiontec), Impossible Objects

CBAM-2 de Impossible Objects. Vía Impossible Objects

Vat Photopolymerization

Vía ISO 17296-2:2015

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
Suela de Carbon3D para el modelo Futurecraft 4D en material EPU 41. Vía Carbon3D.

Empresas

3D Systems, Desktop Metal (incluye Envisiontec), Photocentric, Formlabs, Stratasys (Origin)

ProX 800 de 3D Systems. Vía 3D Systems.

REFERENCIAS

Imagen de portada collage del autor, fuentes:

MX3D

Carbon

  • 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
  • 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

David Rodríguez

3D Printing professional. Mining & Energy Engineer B.Sc. Industrial Engineer M.Sc. Believe to make.

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