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Jun 19, 2023

¿Qué es la fabricación aditiva?

La fabricación aditiva se refiere a métodos de producción que construyen objetos físicos a partir de un archivo digital utilizando software de diseño asistido por computadora. Los materiales se agregan una capa a la vez para crear funciones

La fabricación aditiva se refiere a métodos de producción que construyen objetos físicos a partir de un archivo digital utilizando software de diseño asistido por computadora. Los materiales se añaden capa por capa para crear partes funcionales de un todo, como en la impresión 3D, la estereolitografía y la fusión por haz de electrones.

La fabricación aditiva es un término general para los métodos de producción en los que se construyen objetos tridimensionales a partir de archivos digitales en un proceso controlado por computadora que "agrega" material una capa a la vez.

"Es similar a hornear un pastel desde cero: se agregan materiales para producir objetos", dijo Ramsey Stevens, director ejecutivo de nano3Dprint, una empresa que fabrica sistemas de extrusión de materiales que imprimen productos electrónicos en 3D. "Esto difiere de los procesos de fabricación convencionales que restan materiales o dependen de procesos de moldeo".

A diferencia del mecanizado, en el que se cortan bloques de metal hasta darles las formas deseadas, y del moldeado, en el que se vierte resina líquida en recipientes que los exprimen hasta alcanzar su forma final, la fabricación aditiva crea diseños personalizables desde cero añadiendo solo la cantidad de materiales necesarios. .

A menudo utilizados indistintamente, la fabricación aditiva y la impresión 3D suelen confundirse como sinónimos; sin embargo, este no es el caso.

Si bien la impresión 3D, más formalmente conocida como extrusión de materiales, es un tipo de fabricación aditiva, no toda la fabricación aditiva implica impresión 3D.

Hay otros tipos de producción que se incluyen en el ámbito de la fabricación aditiva además de la impresión 3D, incluidos aquellos que construyen específicamente con materiales a base de polvo o unen sus productos con láseres calentados o adhesivos líquidos. (Por el contrario, la impresión 3D normalmente se refiere a un proceso en el que una mezcla de filamentos fluye desde una boquilla).

"El término 'impresión 3D' es un nombre inapropiado y fue ideado como un término de marketing durante los primeros días de la tecnología", dijo a Built In Aditya Chandavarkar, cofundador de Additive Academy, una plataforma educativa sobre fabricación aditiva.

"Con los avances que están surgiendo ahora", añadió, "estamos pasando de la simple creación de prototipos a la fabricación con estas tecnologías, lo que hace que 'fabricación aditiva' sea un término más apropiado".

La fabricación aditiva crea objetos físicos a partir de un diseño digital. Utilizando un modelo CAD o un escaneo de un sujeto replicable, el software traduce un archivo digital en un marco tridimensional, que esencialmente une el sujeto en capas delgadas. Una vez cargado, una máquina de fabricación sigue el plano digital como un conjunto de instrucciones, construyendo el objeto de abajo hacia arriba.

Dependiendo del proceso de fabricación aditivo específico, los siguientes pasos podrían implicar la extrusión de una mezcla de filamentos desde una boquilla guiada por un brazo robótico que se mueve horizontalmente, como en el caso de la impresión 3D. O podría parecerse a una pistola térmica que suelda finas láminas de aluminio, alimentadas a través de un sistema de rodillos, como en la fabricación de objetos laminados.

Sin embargo, la idea principal sigue siendo la misma: los materiales, que pueden venir en forma de polvo, líquido o gel pastoso, se aplican en capas y luego se fusionan mediante una fuente externa. La plataforma desciende verticalmente y se aplica la siguiente capa. Este proceso se repite hasta que se fija la capa final, completando el diseño.

Hoy en día, en la fabricación aditiva se utiliza de todo, desde compuestos poliméricos, metales, cerámicas, espumas, geles e incluso tejidos vivos.

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La inyección de aglutinante construye objetos utilizando materiales en polvo y un agente aglutinante líquido. A medida que las capas de polvo se extienden sobre una bandeja de construcción, los cabezales de impresión se desplazan a lo largo de los ejes x, y, z para depositar una sustancia adhesiva que lo pega todo, sin necesidad de calor. La inyección de aglutinante se realiza con rapidez, lo que la hace ideal para dar vida a los prototipos. También se ha utilizado para crear patrones de fundición, piezas aeroespaciales y joyería.

Ejemplos: Aglutinante de furano, aglutinante de silicato, aglutinante fenólico, aglutinante de base acuosa

El chorro de material construye objetos una gota a la vez. Durante este proceso, un cabezal de impresión oscilante microdeposita material en una bandeja de construcción con precisión. Esta técnica es similar a una impresora de inyección de tinta y es el único método de fabricación aditiva capaz de mezclar resinas en una sola impresión. Los casos de uso incluyen herramientas industriales, prototipos y modelos médicos anatómicamente precisos.

Ejemplos: Impresoras PolyJet, inyección de nanopartículas, demanda directa

La deposición de energía dirigida utiliza una fuente de energía enfocada, como un láser, un arco de plasma o un haz de electrones, montada en un brazo robótico que funde los materiales a medida que se depositan. La capacidad del brazo robótico multieje para depositar materiales en cualquier ángulo significa que la deposición de energía dirigida también se puede utilizar para reparar o mantener piezas existentes, según la plataforma de fabricación aditiva Markforged.

Ejemplos:Formación de mallas de ingeniería láser, producción de luz direccional, deposición directa de metal, recubrimiento láser 3D

Quizás el más reconocible de todos los métodos de fabricación aditiva, la extrusión de materiales, es lo que comúnmente consideramos impresión 3D. En una corriente continua, las máquinas extruyen filamentos en suspensión a través de una boquilla calentada mientras el brazo robótico al que están unidas delinea la estructura. Las capas se solidifican mediante control de temperatura o el uso de un agente adhesivo químico. La extrusión de materiales es popular entre los aficionados porque es fácil de usar, no requiere una curva de aprendizaje pronunciada y es relativamente económica una vez que comienzas. Actualmente, se utiliza para construir casas, fabricar carne y bioimprimir corazones humanos.

Ejemplos: Fabricación de filamentos compuestos, fabricación de filamentos fundidos, modelado por deposición fundida

En la fusión de lecho de polvo, las capas de polvo se sinterizan o fusionan mediante una fuente de calor, generalmente un láser. Se sabe que este método, que se trabaja a escala del tamaño de un polvo, crea estructuras de alta precisión con detalles finos y geometrías intrincadas. En términos generales, las piezas fabricadas a partir de infusión de lecho de polvo muestran una distribución de peso y una precisión dimensional excepcionales, lo que da como resultado propiedades mecánicas extraordinarias que no son viables con los métodos de fabricación tradicionales.

Ejemplos: Fusión directa de metales por láser, sinterización directa de metales por láser, fusión por haz de electrones, sinterización selectiva por láser, sinterización selectiva por calor

La laminación de láminas une pilas de láminas de diversos materiales (papel, plástico o láminas de metal) mediante soldadura, calor, presión o un tipo de adhesivo. El exceso de construcción que rodea el objeto solidificado sirve como soporte estructural, que eventualmente se elimina y se recicla para el siguiente proyecto.

Ejemplos: Fabricación aditiva por ultrasonidos, capa de depósitos selectivos, fabricación de objetos laminados

Esta técnica de fabricación aditiva utiliza luz ultravioleta para convertir polímeros líquidos en estructuras sólidas en un proceso conocido como fotopolimerización. Sentado en una tina de resina, el objeto se cura con luz dirigida e intensificada con espejos. Esta ruta de fabricación aditiva forma piezas precisas e intrincadas con detalles finos y superficies lisas y se usa comúnmente para crear herramientas quirúrgicas, audífonos y prótesis faciales.

Ejemplos: Estereolitografía, procesamiento de luz digital, pantalla de cristal líquido

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Quizás el mayor beneficio atribuido a la fabricación aditiva sea su posibilidad ilimitada. Si se puede diseñar en un modelo CAD, entonces se puede construir. Las técnicas actuales han alcanzado un nivel de complejidad en la elaboración de detalles finos y formas geométricas complejas que antes era imposible mediante métodos tradicionales.

Algunos de los diseños más complejos hasta la fecha incluyen el motor aerospike de la startup de ingeniería de inteligencia artificial Hyperganic y un par de andamios pulmonares impresos en 3D, bioimpresos utilizando 44 billones de vóxeles que constan de 4.000 kilómetros de capilares pulmonares y 200 millones de alvéolos.

Uno de los principales beneficios de combinar un proceso altamente informatizado con una tecnología impecablemente precisa es la personalización sin esfuerzo. La fabricación aditiva puede reproducir un diseño casi exactamente, reduciendo la variación entre lotes y el costo.

Al yuxtaponer una pieza fabricada en fábrica junto a su clon impreso en 3D, es probable que este último sea más liviano. Esto se debe a que la fabricación aditiva permite a los creadores eliminar la mayor cantidad de material posible sin impedir la integridad funcional de una pieza, creando diseños más inteligentes con una geometría óptima. El material más ligero utilizado en este campo, como dice el blog de impresión 3D Bitfab, es el polipropileno, con un peso de 0,9 gramos por centímetro cúbico. Aunque dos piezas pueden parecer idénticas a simple vista e incluso funcionar igual, aligerar la carga cambia las reglas del juego en las industrias automotriz y aeroespacial.

Una vez que un usuario presiona "imprimir", las máquinas y los sistemas de software lo toman desde allí. Pueden esperar que su diseño se entregue en su totalidad, sin necesidad de unirlos y con requisitos mínimos de posproducción. Es posible que un usuario necesite quitar las estructuras de soporte antes de poder pasar a lijar, pulir y pintar.

Las máquinas de fabricación aditiva ofrecen acceso bajo demanda a cualquier diseño posible. Para las empresas, esto significa poder imprimir piezas según sea necesario, evitando los cuellos de botella de la cadena de suministro o regenerando piezas de repuesto para productos heredados con acceso a un inventario virtual. Para los creadores, esto significa creación rápida de prototipos y ciclos acelerados de desarrollo de productos, con la capacidad de modificar el diseño sobre la marcha.

Mientras que la NASA y SpaceX exploran el uso futuro de impresoras de fabricación aditiva en el espacio para construir hábitats en cuerpos celestes, los portaaviones navales ahora suelen llevar estas máquinas para producir piezas de repuesto según sea necesario.

"Los usuarios pueden crear aplicaciones y factores de forma novedosos, incluidos materiales conductores y funcionales cuando lo necesiten", dijo Stevens, director ejecutivo de nano3Dprint. "La fabricación aditiva, como la impresión 3D, permite a los usuarios convertir las ideas en realidad en un día".

Chandavarkar, de Additive Academy, describe la fabricación aditiva como una de las formas de producción más eficientes en cuanto a materiales. Por definición, es un proceso de suma. Entonces, cuando comienza un proyecto, se calibra para utilizar solo la cantidad esencial de materias primas necesarias para completar un diseño. Este enfoque implica menos desperdicio, lo que se traduce en una economía circular más sólida y procesos de fabricación más sostenibles a largo plazo.

Considere el ciclo de producción de un extremo a otro. Scott Shuppert, director ejecutivo de la empresa de modelado 3D CAD/CAM Services, explicó cómo la adopción en toda la industria de prácticas de fabricación aditiva podría prestarse a prácticas más ecológicas, como la producción localizada de piezas en el sitio y, por lo tanto, reducir las necesidades de transporte.

"Al utilizar sólo la cantidad necesaria de material para cada pieza", afirmó, "la fabricación aditiva también conduce a un ahorro de energía".

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Hoy en día, el coste de la fabricación aditiva sigue siendo demasiado alto para considerarlo viable para diversas aplicaciones. Según la empresa de impresión, posprocesamiento y automatización 3D AM Flow, el precio de la impresión 3D sigue siendo entre 10 y 100 veces más caro que una alternativa de moldeo por inyección. Los costos iniciales de puesta en marcha de la maquinaria pueden costar entre $ 200 y $ 500 000 y más. Además, las materias primas utilizadas en muchos casos son caras, ya que son difíciles de conseguir y deben prepararse en la forma adecuada, ya sea como filamento, polvo o gel pastoso, en relación con la máquina.

Las principales clases de materiales utilizados en la fabricación aditiva sólo abarcan polímeros, metales, cerámicas, compuestos y arena. Eso es todo. La fabricación aditiva está en su infancia en comparación con procedimientos bien establecidos con décadas de desarrollo de materiales, pero eso parece estar cambiando.

"La gama de materiales disponibles para la fabricación aditiva se está expandiendo rápidamente, con la introducción constante de compuestos avanzados, aluminio, titanio y diversos materiales de poli y carbono", dijo Shuppert. "Estos avances contribuirán a la producción de piezas más resistentes, ligeras y rentables".

El mayor desafío de la fabricación aditiva, tal como lo ve Chandavarkar, es el acceso a la información controlada por los principales actores del sector.

"Hay más tecnologías que son caras sólo porque están restringidas por derechos de propiedad intelectual, lo que lleva a un aumento de los gastos de capital al invertir en dichas tecnologías", dijo.

Sólo cuando el costo de las impresoras, las materias primas y otros elementos esenciales, como los programas de software, se estabilice, la industria podrá incorporar la fabricación aditiva a la corriente principal.

Claro, la fabricación aditiva se considera comúnmente como una solución de respuesta rápida, capaz de construir un proyecto de tres edificios y 1,851 pies cuadrados en ocho días o producir un prototipo sobre la marcha. Pero esta ventaja se limita a proyectos únicos entregados en lotes pequeños.

"Si bien la fabricación aditiva es muy adecuada para la creación de prototipos y la producción de bajo volumen", dijo Shuppert, "la ampliación a la fabricación de alto volumen puede resultar difícil debido a factores como la velocidad de impresión, la capacidad limitada de la impresora y los requisitos de posprocesamiento".

La fabricación aditiva es un término general que se refiere a varios tipos de métodos de fabricación, uno de los cuales es el proceso de extrusión de materiales conocido como impresión 3D.

Los tipos de fabricación aditiva incluyen inyección de aglutinante, inyección de material, deposición de energía dirigida, extrusión de material, infusión de lecho de polvo, laminación de láminas y polimerización en tina.