¿Qué material utiliza una impresora 3D? Plástico, metal y más

Aunque el campo de la impresión 3D tiene muchas complejidades, la teoría detrás de la tecnología es elegantemente simple. En lugar de quitar material de algo más grande para darle forma, un método que los humanos han usado para crear cosas durante milenios, la impresión 3D agrega material a un sustrato de fabricación, dándole el término más técnico de fabricación aditiva.

Es una revolución silenciosa, y ahora las innovaciones materiales están impulsando el campo a alturas inimaginables.

Como tecnología, la impresión 3D todavía tiene muchos problemas que resolver antes de que pueda convertirse en una verdadera corriente principal. E incluso entonces, solo será tan bueno como los materiales. Muchos todavía equiparan la impresión 3D con los polímeros, una idea que quedó del aumento del interés de los consumidores en la década de 2010.

En realidad, la historia, las aplicaciones y los materiales utilizados son mucho más amplios. Y a medida que otros materiales se popularicen en la fabricación aditiva, la fabricación será más barata, más rápida, más segura y más sostenible.

Los plásticos poliméricos siguen siendo el material impreso en 3D más extendido, pero si cree que solo son buenos para piezas de ajedrez de fantasía o lindos modelos de escritorio, es posible que se sorprenda de lo versátiles que son.

Los polímeros de impresión 3D vienen en filamentos o resinas. Como sugiere el nombre, los filamentos vienen en largas cadenas que se calientan a medida que pasan a través de la extrusora de impresión y se les da forma cuando se colocan sobre la capa anterior.

La resina se usa en estereolitografía (SLA) o procesamiento de luz digital (DLP), donde el material proviene de un tanque de resina líquida y se expone a la luz a medida que se extruye, la luz lo cura en una capa sólida como se coloca sobre la anterior. .

Entonces, ¿cuál es mejor? Los filamentos generalmente se adaptan a piezas más grandes que deben ser más fuertes, mientras que las resinas se adaptan a piezas más pequeñas que necesitan menos procesamiento posterior.

Pero aparte de las peculiaridades materiales inherentes al propio proceso de fabricación, los criterios utilizados en la fabricación tradicional se pueden aplicar ampliamente. ¿Será el material lo suficientemente fuerte en una junta crítica? ¿Tomará una superficie de carga la masa del resto del objeto? ¿Será lo suficientemente flexible para la aplicación?

El material de impresión 3D más extendido, el ácido poliláctico (PLA), es un plástico biodegradable hecho de fuentes renovables como el almidón de maíz. El PLA tiene muchos beneficios, como un punto de fusión bajo, ideal para uso liviano y de consumo. También es fuerte, no se expande tanto como otros materiales cuando se calienta y tiene buena adherencia a otros materiales.

Es un material de fabricación tan versátil que es posible que no se dé cuenta de que hay PLA en toda su casa y lugar de trabajo en cubiertos desechables, electrodomésticos y piezas electrónicas, plástico "scrunchable" como envases de alimentos, hilo de pescar, pañales, productos de higiene femenina y más.

El acrilonitrilo butadieno estireno (ABS) es adecuado para aplicaciones que necesitan resistencia junto con flexibilidad: piense en ladrillos Lego. Es durable, económico, liviano y se extruye fácilmente a través de un cabezal de impresión 3D.

Debido a que es tan resistente y rígido como económico, el ABS tiene mejor resistencia al impacto y absorción de impactos que muchos polímeros, lo que lo hace ideal para productos como cascos de bicicleta y cabezas de palos de golf.

También se puede moldear por inyección, por lo que se adapta a formas un poco más extravagantes: piense en instrumentos musicales con estructuras internas complejas, como clarinetes u oboes; barras de parachoques para automóviles; y binoculares.

Como sugiere el nombre, este plástico está relacionado con el tereftalato de polietileno de las botellas de agua y refrescos pero modificado con glicol, de ahí la "G" añadida. Tiene alta resistencia y flexibilidad, y en comparación con el PLA más utilizado, tiene buena resistencia a la temperatura.

PETG es ideal para aplicaciones que necesitan ser resistentes y suaves y que no son propensas a una contracción excesiva. Tiene excelentes propiedades adhesivas, pero debido a que es "más pegajoso" que la mayoría, la formación de grumos en la boquilla del extrusor puede causar más problemas que otros polímeros.

Y debido a que se puede esterilizar, se considera el plástico perfecto para envasar alimentos.

Aunque hay muchos tipos, la impresión 3D de resina se refiere a cualquier proceso en el que el líquido de un tanque pequeño se envía a la extrusora para calentarlo o curarlo hasta que se seque, también llamado "polimerización en cuba". La resina líquida es un fotopolímero, lo que significa que reacciona/se solidifica cuando se expone a la luz, y hay un par de variedades.

Las resinas transparentes se utilizan para objetos pequeños que necesitan superficies o acabados muy detallados. Incoloros, transparentes, livianos, suaves y resistentes al agua, son perfectos para productos que se lijarán o pintarán en el procesamiento posterior.

La mayoría de las piezas de resina impresas en 3D necesitan algún tipo de limpieza para eliminar los bordes errantes o el exceso de depósitos, un proceso que generalmente se realiza con soluciones de alcohol. Las resinas lavables no necesitan tales tratamientos químicos; puede procesarlas posteriormente con agua para obtener un acabado suave.

Usadas cuando su producto final necesita volver a su forma original después de doblarse o comprimirse, estas resinas gomosas son perfectas para prototipos de mangos, amortiguadores o piezas que necesitan resistir torsión o flexión constantes.

Las resinas se adaptan mejor a piezas estéticas y prototipos no funcionales, y existen tres tipos principales de fotopolimerización que las crean.

Los espejos se utilizan para dirigir uno o varios rayos láser a través de la resina mientras se coloca sobre la cama de la impresora, curando el objeto a medida que se aplica cada nueva capa.

Un destello de luz cura o fija una capa completa de una sola vez, dirigido a la superficie de construcción por una red de pequeños espejos.

Al igual que en la estereolitografía, excepto que una fuente de luz brilla a través de una pantalla LCD que contiene una máscara de una sola capa para que la luz pueda curar solo esa capa en cada paso.

El debate actual sobre la impresión 3D va mucho más allá de los polímeros, y ese ha sido el caso de toda la historia de la fabricación aditiva: los primeros movimientos en el campo involucraron la fabricación de metales.

Ahora, muchos de los materiales que se han utilizado solo en la fabricación tradicional están en desarrollo activo para el mundo de la impresión 3D.

Uno de los superpoderes de la impresión 3D son los compuestos, que se pueden usar para imitar materiales como el mármol, la cerámica y la madera (aunque no es un gran salto imaginar un proceso misterioso del mañana que cura instantáneamente la pulpa de madera calentada).

Los filamentos de madera para la impresión 3D son aproximadamente un 70 % PLA y un 30 % provienen de aserrín o fibras de madera similares.

El beneficio obvio es que el producto final se ve, se siente e incluso huele a madera en lugar de a plástico. Es excelente para usos estéticos y también es menos frágil que la resina PLA sola.

Al igual que en la fabricación tradicional, la fibra de carbono es extremadamente fuerte pero mucho más liviana con el mismo rendimiento, lo que la convierte en maná del cielo para las industrias automotriz, de aviación, aeroespacial y de carreras.

El carbono no se derrite hasta alrededor de los 3600 grados centígrados, por lo que está fuera del alcance del mercado de consumidores y prosumidores. No se encoge cuando se enfría, lo que significa que su capa moldeada estará más cerca de su resultado final. Los filamentos de fibra de carbono también necesitan un manejo más especializado, pero tiene los medios para interrumpir seriamente las cadenas de suministro de acero y hierro.

El metal es más difícil de trabajar. Debe calentarse a una temperatura mucho más alta o forzarse a través de una extrusora de impresora 3D con una fuerza mucho mayor en forma de polvo. Pero eso sigue siendo mucho más saludable para el personal de la fábrica y el medio ambiente que las fundiciones enormes, calientes, sucias, apestosas y peligrosas.

Hay medidas para hacer que el proceso sea más asequible y democratizado, y en lugar de la voluminosa infraestructura de moldes de silicona y hierro fundido al rojo vivo, puede cambiar rápidamente las herramientas para piezas especiales o de bajo volumen.

También se pueden lograr ahorros en costos y volumen. Por ejemplo, la NASA utilizó la fabricación aditiva para fabricar una bomba de combustible para cohetes con aproximadamente la mitad de las piezas de los métodos tradicionales.

En el cuidado de la salud, el metal es un material ideal para el reemplazo de huesos o articulaciones que deben resistir los efectos corrosivos dentro del cuerpo humano. Y para adornar el exterior del cuerpo, el metal permite a los diseñadores y clientes crear joyas únicas impresas en 3D.

Cuando se trata de la nueva generación de materiales impresos en 3D, la necesidad más urgente podría ser la de materiales de construcción.

La capacidad de construir una casa impresa en 3D, que se hizo en Rusia por menos de $11,000 en 24 horas por una empresa de Boston, tiene beneficios obvios en comparación con las técnicas de construcción tradicionales, pero hay mucho más.

A nivel mundial, la construcción es responsable del 23 % de la contaminación del aire, el 40 % de la contaminación del agua potable, el 50 % de los vertederos y el 40 % de las emisiones de gases de efecto invernadero.

Las viviendas impresas en 3D ahorran dinero y tiempo, lo que permitirá viviendas de emergencia o de bajo costo mejor hechas. También habrá mucha menos necesidad de transportar materiales a los sitios y transportar los desechos, lo que hará que la construcción sea aún más sostenible.

De hecho, incluso se ha sugerido que la construcción aditiva in situ es el camino más probable para la exploración y asentamiento extraplanetarios.

Muchas tecnologías tienen un punto final de cielo azul, y el viaje hacia ese punto puede generar beneficios incrementales para la sociedad. La impresión 3D no es diferente.

Considere el futuro de la fabricación sustractiva en un mundo con una ciencia de materiales completamente desarrollada, donde la tecnología de fabricación aditiva se implementa desde la unidad de escritorio más pequeña hasta gigantes del tamaño de hangares de aviones. Imagine una proporción de fabricación global de 1:1 en toda la industria, en la que los materiales necesarios ya no excedan los materiales utilizados, lo que indica el fin de los residuos de fabricación.

Los sistemas de reciclaje actuales están lejos de ser perfectos, y el transporte de subproductos solo aumenta la carga de emisiones de carbono; parece mucho mejor eliminarlos en la fuente donde se crean.

También se trata de crear prototipos mucho más rentables. Ajustar un modelo digital y enviar una nueva versión a una impresora 3D 1000 veces es aún más rápido y económico que hacer girar todo un flujo de trabajo de producción en vivo solo para perfeccionar una sola pieza de prueba.

Además, permite un paradigma de personalización e impresión bajo demanda completamente nuevo para el consumidor, capaz de crear nuevas geometrías atrevidas, extravagantes o innovadoras.

La fabricación sustractiva mediante tornos o fresadoras es excelente para hacer lotes de una cosa relativamente simple. Pero, al igual que se aplica a la creación rápida de prototipos, la impresión 3D brinda la capacidad de renovar infinitamente un diseño para hacer un solo objeto prácticamente al mismo precio por unidad que 10,000 de ellos.

Y debido a que agrega material en lugar de sustraerlo, la impresión 3D puede crear formas infinitamente variables e inusuales que no se pueden lograr ni siquiera con las máquinas herramienta CNC más precisas. Ese es especialmente el caso cuando se agregan conceptos como el diseño generativo, que puede quitar gran parte del trabajo pesado computacional del diseño fuera de las manos humanas.

Y, por último, le brinda un tiempo de comercialización mucho más rápido, ya sea que esté creando prototipos en un estudio pequeño de manera mucho más receptiva que en un entorno de producción importante o construyendo viviendas cómodas en días para ayudar a las familias sin hogar debido a un desastre natural.

Debido a las capacidades y avances en materiales, la impresión 3D ya ha cambiado varias industrias para siempre.

En la fabricación, no se trata de utilizar métodos sustractivos o aditivos. Una empresa de diseño de Londres ya está implementando una enorme herramienta de fabricación aditiva en entornos de fábrica tradicionales para crear un modelo híbrido.

También está ampliando las posibilidades de lo que se puede hacer. El cuidado de la salud es un gran ejemplo, donde la piel fabricada aditivamente, los huesos y las articulaciones de titanio e incluso los vasos sanguíneos cuentan entre las innovaciones.

Las innovaciones en la construcción son aún más avanzadas y tienen un gran potencial para cambiar la industria. Las prácticas aditivas ya están lo suficientemente establecidas como para llamar a regular adecuadamente el campo con códigos de construcción relevantes y actualizados.

Para beneficiar el bien social, puede comenzar con el hecho de que las viviendas son caras. Mucha gente simplemente no puede pagarlos, por lo que si es posible construir una casa en un solo día por el costo de un auto de segunda mano decente, esto podría ayudar a sacar a decenas de millones de personas de la pobreza.

La fabricación aditiva también ofrece eficiencias que la construcción normal no ofrece. La vivienda normalmente se construye en un proceso lineal: erigir el marco, colocar ladrillos, aplicar vigas de techo, todo lo cual prepara el proyecto para que los vidrieros y plomeros trabajen en él más tarde.

Pero ya en 2016, un método aditivo único de múltiples materiales estaba ampliando las capacidades de la impresión 3D. Suponiendo que la ciencia pueda funcionar con cualquier material posible, imagine un futuro en el que una impresora pueda funcionar en la pared de una casa completa con cableado eléctrico, tuberías de aire acondicionado, vidrios de ventanas y pintura en un solo paso.

La tecnología aditiva todavía parece futurista para muchos, pero le sorprendería saber cuántos de sus productos favoritos ya utilizan la impresión 3D. Y eso es antes de discutir los materiales futuristas que algún día podrían ingresar a su hogar a gran escala cuando la fabricación aditiva pueda usarlos de manera efectiva.

Al igual que los pioneros de generaciones pasadas han forjado nuevos caminos para la fabricación aditiva con madera, metal y más, hoy en día hay un manitas en algún garaje haciendo lo mismo con aerogel, grafeno, nanotubos de carbono, telas con componentes electrónicos o alguna otra sustancia. que se convertirá en un lugar común en los próximos años.

Este artículo ha sido actualizado. Se publicó originalmente en noviembre de 2014. Jeff Yoders contribuyó a este artículo.

Después de crecer sabiendo que quería cambiar el mundo, Drew Turney se dio cuenta de que era más fácil escribir sobre otras personas que lo estaban cambiando. Escribe sobre tecnología, cine, ciencia, libros y más.

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