Impresión 3D, Manufactura Aditiva

Impresión 3D, Manufactura Aditiva

La manufactura aditiva antes denominada prototipado rápido y hoy en día comúnmente denominado impresión 3D, consiste en crear rápidamente un sistema o producto, como modelo base el cual posteriormente derivará en nuevos modelos y en producto final. Como diría Edsel Ford un centro de modificación; permitiendo a los ingenieros probar ideas, brindar retroalimentación del producto e incluso personalizar el producto a gusto del cliente.

1.   ¿Qué es la manufactura Aditiva (MA)?

Con los avances en la manufactura aditiva, antes denominado prototipado rápido y comúnmente referido a la impresión 3D, produjeron piezas de muy alta calidad haciendo más estrecho entre el prototipo y el producto final; por lo tanto, el término, protipado rápido, quedo desfasado, insuficiente o poco aplicable.

La manufactura aditiva parte de un modelo 3D generado a partir de un Diseño Asistido por Computadora tridimensional (CAD 3D), comprensión de las características de la máquina y el tipo de material.

En la fabricación aditiva las partes se fabrican agregando material en capas; cada capa es una sección transversal delgada de la parte derivada de los datos de CAD originales. Cada capa debe tener un grosor finito y, por lo tanto, la parte resultante será una aproximación de los datos originales.

El enfoque de las máquinas de la industria de fabricación aditiva se centra en 3 puntos; como se forman las capas, como se unen las capas y el material a utilizar.

2.   ¿Para qué se utilizan las partes de la Manufactura Aditiva (MA)?

La importancia del modelado se centra en la información que proporciona conocida como FAF (forma, ajuste y función). Los modelos iniciales se utilizaron para ayudar a apreciar completamente la forma y el propósito general de un diseño (Forma). La mayor precisión en el proceso significaba que los componentes podían construirse con las tolerancias requeridas para fines de ensamblaje (Ajuste). Las propiedades mejoradas de los materiales significaban que las partes podían manipularse adecuadamente para que pudieran evaluarse según cómo funcionaría eventualmente (Función).

3.   El Proceso MA Genérico

La manufactura aditiva implica una serie de pasos que van desde la descripción virtual en CAD hasta la parte física resultante. Diferentes productos involucrarán diferentes maneras y en distintos grados de MA. Los productos pequeños y relativamente simples pueden utilizar MA solo para modelos de visualización, mientras que los productos más grandes y complejos, con mayor contenido de ingeniería, pueden involucrar MA durante numerosas etapas e iteraciones a lo largo del proceso de desarrollo. Además, las primeras etapas del proceso de desarrollo del producto pueden requerir solo partes aproximadas, utilizando MA debido a la velocidad con la que pueden fabricarse. En etapas posteriores del proceso, las partes pueden requerir una limpieza cuidadosa y un post-procesamiento (incluyendo lijado, preparación de superficies y pintura) antes de ser utilizadas, siendo MA útil aquí debido a la complejidad de la forma que se puede crear sin tener que considerar la herramienta.

Paso 1: CAD

Todas las piezas deben comenzar a partir de un modelo 3D que describa completamente la geometría externa. Esto puede implicar el uso de casi cualquier software profesional de modelado sólido CAD, pero la salida debe ser una representación sólida o de superficie 3D. También se puede utilizar equipo de ingeniería inversa (por ejemplo, escaneo láser y óptico) para crear esta representación.

Paso 2: Conversión a STL

Casi todas las impresoras 3D aceptan el formato de archivo STL, que se ha convertido en un estándar de facto, y hoy en día casi todos los sistemas CAD pueden generar un archivo en dicho formato. Este archivo describe las superficies cerradas externas del modelo CAD original y forma la base para el cálculo de las secciones.

Paso 3: Transferencia a la Máquina MA y Manipulación del Archivo STL

El archivo STL que describe la pieza debe transferirse a la impresora 3D. Aquí, puede haber alguna manipulación general del archivo para que tenga el tamaño, la posición y la orientación correctos para la construcción.

Paso 4: Configuración de la Máquina

La impresora 3D debe configurarse correctamente antes del proceso de construcción. Estos ajustes estarían relacionados con los parámetros de construcción, como las restricciones de material, la fuente de energía, el grosor de la capa, los tiempos, etc.

Paso 5: Construcción

La construcción de la pieza es principalmente un proceso automatizado y la máquina puede funcionar en gran medida sin supervisión. Solo se necesita una supervisión superficial de la máquina en este momento para asegurarse de que no hayan ocurrido errores como quedarse sin material, fallos de energía o fallos de software, etc.

Paso 6: Retiro

Una vez que la impresora 3D ha completado la construcción, las piezas deben retirarse. Esto puede requerir interacción con la máquina, la cual puede tener mecanismos de seguridad para asegurar, por ejemplo, que las temperaturas de operación sean lo suficientemente bajas o que no haya partes activamente en movimiento.

Paso 7: Post-procesamiento

Una vez retiradas de la máquina, las piezas pueden requerir una cantidad adicional de limpieza antes de estar listas para su uso. Las piezas pueden ser débiles en esta etapa o pueden tener características de soporte que deben eliminarse. Esto a menudo requiere tiempo y manipulación manual cuidadosa y experimentada.

Paso 8: Aplicación

Las piezas ahora pueden estar listas para su uso. Sin embargo, también pueden requerir tratamiento adicional antes de ser aceptables para su uso. Por ejemplo, pueden requerir imprimación y pintura para obtener una textura y acabado superficial aceptables. Los tratamientos pueden ser laboriosos y prolongados si los requisitos de acabado son muy exigentes. También pueden necesitar ser ensambladas junto con otros componentes mecánicos o electrónicos para formar un modelo o producto final.

Figura 1: Proceso generativo MA. Recuperado de Recent Advances in Additive Manufacturing.

4.   ¿Por Qué Usar el Término Manufactura Aditiva?

A estas alturas, deberías darte cuenta de que la tecnología a la que nos referimos es principalmente el uso de procesos aditivos, combinando materiales capa por capa. El término manufactura aditiva, o MA, parece describir esto bastante bien, pero hay muchos otros términos que están en uso. Esta sección discute otros términos que se han utilizado para describir esta tecnología como una forma de explicar el propósito general y los beneficios de la tecnología para el desarrollo de productos.

4.1.       Fabricación Automatizada (Autofab)

Este término fue popularizado por Marshall Burns en su libro del mismo nombre, que fue uno de los primeros textos en cubrir esta tecnología a principios de la década de 1990. El énfasis aquí está en el uso de la automatización para fabricar productos, lo que implica la simplificación o eliminación de tareas manuales del proceso.

4.2.       Fabricación de Formas Libres o Fabricación de Formas Sólidas Libres

El énfasis aquí está en la capacidad de los procesos para fabricar formas geométricas complejas. A veces, la ventaja de estas tecnologías se describe en términos de proporcionar "forma libre", implicando que no importa particularmente cuál sea la forma del objeto de entrada. Un cubo o cilindro simple tomaría casi tanto tiempo y esfuerzo fabricar dentro de la máquina como una estructura anatómica compleja con el mismo volumen de envoltura. La referencia a "Formas Libres" se relaciona con la independencia de la forma del proceso de fabricación. Esto es muy diferente de la mayoría de los procesos de fabricación convencionales que se vuelven mucho más complejos a medida que aumenta la complejidad geométrica.

4.3.       Manufactura Aditiva o Manufactura Basada en Capas

Estas descripciones se relacionan con la forma en que los procesos fabrican piezas añadiendo material en capas. Esto contrasta con la tecnología de mecanizado que elimina, o sustrae material de un bloque de material en bruto. Debe notarse que algunos de los procesos no son puramente aditivos, en el sentido de que pueden añadir material en un punto pero también utilizar procesos sustractivos en alguna etapa. Actualmente, cada proceso comercial funciona de manera escalonada. Sin embargo, no hay nada que sugiera que este sea un enfoque esencial para usar y que los sistemas futuros puedan añadir material de otras formas y aun así entrar dentro de una clasificación amplia que sea apropiada para este texto. Una ligera variación de esto, Manufactura Aditiva, es un término que fue popularizado por Terry Wohlers.

4.4.        Estereolitografía o Impresión 3D

Estos dos términos se utilizaron inicialmente para describir máquinas específicas. Estereolitografía (SL) fue denominado por la empresa estadounidense 3D Systems e Impresión 3D (3DP) fue ampliamente utilizado por investigadores del MIT, que inventaron una tecnología basada en impresión a chorro de tinta. Ambos términos aluden al uso de procesos 2D (litografía e impresión) y su extensión a la tercera dimensión. Dado que la mayoría de las personas están muy familiarizadas con la tecnología de impresión, la idea de imprimir un objeto físico tridimensional debería tener sentido. Muchos consideran que eventualmente el término Impresión 3D se convertirá en la palabra más comúnmente utilizada para describir las tecnologías MA. El reciente interés de los medios en la tecnología ha demostrado que esto es cierto y el público en general es mucho más propenso a conocer el término Impresión 3D que cualquier otro término. Una posibilidad es que muchos continúen utilizando el término RP sin restringirlo específicamente a la fabricación

5.     Los beneficios de la manufactura aditiva (Ma)

Muchas personas han descrito esta tecnología como una revolución en el desarrollo de productos y la fabricación. Algunos incluso han llegado a decir que la manufactura, tal como la conocemos hoy, podría no existir si seguimos la MA hasta su conclusión última y que estamos experimentando una nueva revolución industrial. La AM se refiere ahora con frecuencia como una de una serie de tecnologías disruptivas que están cambiando la forma en que diseñamos productos y establecemos nuevos negocios.

El carácter "rápido" de esta tecnología. La ventaja de la velocidad no solo se refiere al tiempo que lleva construir las piezas. La aceleración de todo el proceso de desarrollo de productos se basa en gran medida en el hecho de que usamos computadoras en todo el proceso. Dado que se utiliza CAD 3D como punto de partida y la transferencia a AM es relativamente fluida, hay mucha menos preocupación por la conversión de datos o la interpretación de la intención del diseño. Así como el CAD 3D se está convirtiendo en lo que ves es lo que obtienes, lo mismo ocurre con la MA y podríamos decir igualmente que lo que ves es lo que construyes.

6.     Distinción entre AM y maquinado CNC

La MA comparte algo de su ADN con la tecnología de maquinado CNC. CNC es también una tecnología basada en computadoras que se utiliza para fabricar productos. La CNC se diferencia principalmente en que es un proceso principalmente sustractivo en lugar de aditivo, requiriendo un bloque de material que debe ser al menos tan grande como la pieza que se va a fabricar.

Bibliografía

Ian Gibson, David Rosen & Brent Stucker (2015) “Recent Advances in Additive Manufacturing”, 3D Printing, Rapid Prototyping, and Direct Digital Manufacturing (2 Ed.)