Tecnología de impresión 3D y equipos de producción de materiales

La tecnología de impresión 3D, que surgió en la década de 1990 gracias a su principio especial de deposición capa a capa, permite la fabricación rápida e integrada de piezas estructurales complejas, y se considera una tecnología transformadora en el campo de la fabricación. Académicamente, la impresión 3D se conoce como Fabricación Rápida de Prototipos (RPM, por sus siglas en inglés). La rama técnica del proceso de fabricación se denomina Fabricación Aditiva (AM, por sus siglas en inglés).

Principio de la impresión 3D

La impresión 3D es una tecnología de prototipado rápido que utiliza archivos de modelos digitales a partir de polvo metálico, plástico u otros materiales adhesivos. Mediante la impresión capa a capa, se construye un objeto. Su principio básico es la acumulación discreta. La trayectoria, la limitación y el método de acumulación se obtienen de forma discreta, y el material se "superpone" para formar una entidad tridimensional. En primer lugar, se obtiene el modelo 3D en un software CAD o se miden los datos de la superficie de la pieza con un instrumento de medición y se convierten en el modelo 3D. En segundo lugar, se procesa el modelo CAD, se discretiza a lo largo de una dirección determinada (normalmente el eje Z) y se estratifican las secciones planas. A continuación, la información de la estratificación discreta se combina con la información de los parámetros del proceso de conformado para convertirla en el código de control numérico de la máquina de conformado, y se forma una pieza sólida 3D mediante un sistema CAM especial que controla el material de forma regular y precisa.

Preparación de polvo para impresión 3D de metal

Debido a los exigentes requisitos de la tecnología de impresión 3D de metales para los materiales en polvo, es necesario cumplir con las condiciones de buena esfericidad, distribución estrecha del tamaño de partícula, bajo contenido de oxígeno y alta pureza, por lo que los equipos de producción de materiales en polvo también requieren mayor precisión. Existen principalmente tres tipos de tecnología de preparación de polvo para impresión 3D de metales: equipos de atomización de polvo por aire real, equipos de atomización de polvo por plasma y equipos de nodulización por plasma de radiofrecuencia.

Entre ellos, el equipo de producción de polvo atomizado Hunan Tianji True Air incorpora la tecnología central de atomizador de gas supersónico de acoplamiento preciso, que mejora la tasa de calidad del polvo, reduce el consumo de aire y disminuye los costos de producción. Asimismo, cuenta con un sistema de detección de oxígeno en línea para minimizar su incremento, lo que lo convierte en una herramienta fundamental para la producción de polvo esférico para impresión 3D.

La impresión 3D, también conocida como fabricación aditiva, es un término general que engloba varios procesos de impresión 3D distintos. Si bien estas tecnologías son muy diferentes, los procesos clave son los mismos. Por ejemplo, toda impresión 3D comienza con un modelo digital, ya que la tecnología es de naturaleza digital. Una pieza o producto se diseña originalmente utilizando software de diseño asistido por computadora (CAD) o un archivo electrónico obtenido de una biblioteca de piezas digitales. El archivo de diseño se divide luego en capas para la impresión 3D mediante un software especializado de preparación de la construcción, que genera las instrucciones de trayectoria que la impresora 3D debe seguir. A continuación, aprenderá las diferencias entre estas tecnologías y los usos típicos de cada una.

Los tipos de fabricación aditiva se pueden dividir según los productos que producen o los tipos de materiales que utilizan, y la Organización Internacional de Normalización (ISO) los clasifica en siete tipos generales (pero estas siete categorías de impresión 3D también tienen dificultades para abarcar el creciente número de subtipos de tecnología y tecnologías híbridas).

● Extrusión de material

● Polimerización por reducción

● Fusión de lecho de polvo

● Inyección de material

● Aerosol adhesivo

● Deposición de energía dirigida

● Laminación de láminas

Clasificación de la impresión 3D

La estereolitografía (SLA) , también conocida como estereolitografía, se basa en el principio de fotopolimerización de resinas fotosensibles líquidas. El material líquido se fotopolimeriza rápidamente bajo la irradiación de luz ultravioleta de una longitud de onda e intensidad específicas, transformándose de líquido a sólido. El tanque se llena con resina fotosensible líquida, y el haz láser se proyecta sobre la superficie del líquido mediante un espejo deflector. El líquido se cura en la zona iluminada. Al completarse una capa, la zona no iluminada permanece como resina líquida. La plataforma elevadora desciende, cubriendo la capa formada con una nueva capa de resina. El rascador alisa la superficie de la resina líquida de alta viscosidad y, a continuación, se proyecta la siguiente capa. La nueva capa curada se adhiere firmemente a la anterior, y así sucesivamente hasta fabricar la pieza completa y obtener un modelo sólido tridimensional.

La tecnología de fabricación sólida por capas (LOM) consiste en formar piezas mediante el corte láser y la unión de materiales delgados (como papel recubierto en la parte posterior), también conocida como fabricación sólida laminada. El proceso consiste en pegar primero el papel recubierto con adhesivo termofusible mediante la presión de un rodillo calefactor. En ese momento, el láser, situado sobre los datos obtenidos del modelo CAD estratificado, corta una capa de papel con el contorno interno y externo de la pieza, y luego se superpone una nueva capa de papel, uniéndolas mediante un dispositivo de prensado en caliente. Finalmente, el láser vuelve a cortar. Este método se caracteriza por una alta tasa de conformado y un bajo coste.

La sinterización selectiva por láser (SLS) calienta selectivamente polvos fusibles o no metálicos (como parafina, plástico, arena de resina, nailon, etc.) capa por capa mediante un rayo láser hasta alcanzar la temperatura de sinterización y darles forma. Una vez completada la primera capa, la mesa de trabajo baja la altura de la siguiente capa, distribuye el polvo de la siguiente capa y luego escanea la segunda capa. La capa recién sinterizada se adhiere firmemente a la capa anterior, y así sucesivamente, hasta obtener finalmente una entidad tridimensional sinterizada que corresponde al modelo CAD.

El principio básico de la FDM consiste en controlar el movimiento de la boquilla de calentamiento en los planos XY y Z según la información del perfil de la sección transversal. El material en forma de alambre (como alambre de plástico, alambre de parafina, etc.) se introduce en la boquilla mediante un mecanismo de alimentación, se calienta y se funde en su interior, y luego se deposita selectivamente sobre la mesa de trabajo. Posteriormente, se enfría rápidamente para formar capas que definen el contorno de la sección transversal, superponiéndose capa a capa para obtener finalmente un prototipo rápido. Este principio del proceso de moldeo se puede utilizar para fabricar moldes de cera para fundición de precisión y moldes hembra para fundición. Es una forma eficaz de desarrollar la fabricación micromecánica.

Oportunidades y desafíos

Actualmente, la industria de la impresión 3D se centra en los sectores aeroespacial, automotriz, de equipos médicos y otros campos, con una expansión constante y una mejora continua de su nivel técnico. El apoyo político pertinente, que incluye una importante inversión en investigación y desarrollo, subvenciones a la innovación y políticas preferenciales, ha impulsado el desarrollo del sector. Sin embargo, la impresión 3D también se enfrenta a numerosos desafíos, como las limitaciones de materiales y mecánicas, así como los costes. La industria de la fabricación aditiva se sitúa en la intersección de la innovación y la transformación económica, y su futuro está repleto de retos y oportunidades.