lunes, 4 de enero de 2016

¿Qué es la impresión en 3D?

¿Qué es la impresión en 3D?

La impresión en 3D o la fabricación aditivo es un proceso de hacer objetos sólidos tridimensionales a partir de un archivo digital. La creación de un objeto impreso en 3D se logra mediante procesos aditivos. En un proceso aditivo un objeto es creado estableciendo sucesivas capas de material hasta que se crea el objeto entero. Cada una de estas capas puede ser visto como una sección transversal horizontal en rodajas finas del objeto final.

¿Cómo funciona la impresión en 3D?

Todo comienza con la fabricación de un diseño virtual del objeto que desea crear. Este diseño virtual se realiza en un CAD ​​(Computer Aided Design) usando un modelado 3D (para la creación de un nuevo objeto) o con el uso de un escáner 3D (para copiar un objeto existente). Un escáner 3D hace una copia digital en 3D de un objeto.
Escáneres 3D utilizan diferentes tecnologías para generar un modelo 3D como el tiempo de vuelo, luz estructurada / modulada, la exploración volumétrica y muchos más.
Recientemente, muchas empresas de TI como Microsoft y Google permitieron su hardware para realizar el escaneo 3D, un gran ejemplo es Kinect de Microsoft. Esta es una clara señal de que los futuros dispositivos portátiles como teléfonos inteligentes se han integrado los escáneres 3D. La digitalización de objetos reales en modelos 3D llegará a ser tan fácil como tomar una foto. Los precios de los escáneres 3D van desde dispositivos industriales profesionales muy caros a los dispositivos de bricolaje 30 USD cualquiera puede hacer en casa.
A continuación encontrará una breve demostración del proceso de digitalización en 3D con un escáner profesional IDH 3D que utiliza luz estructurada:

Para preparar un archivo digital para la impresión, el software de modelado 3D "cortes" el modelo final en cientos o miles de capas horizontales. Cuando el archivo en rodajas se carga en una impresora 3D, el objeto se puede crear capa por capa. La impresora 3D lee cada rebanada (o imagen 2D) y crea el objeto, mezclando cada capa con casi ningún signo visible de las capas, con como resultado, el objeto tridimensional.

Procesos y tecnologías

No todas las impresoras 3D utilizan la misma tecnología. Hay varias formas de imprimir y todos los que están disponibles son aditivos, que difieren principalmente en la forma en capas se construyen para crear el objeto final. 
Algunos métodos utilizan fusión o material suavizante para producir las capas. Sinterización selectiva por láser (SLS) y modelado por deposición fundida (FDM) son las tecnologías más comunes que utilizan este modo de impresión. Otro método de la impresión es que cuando hablamos de la curación de una resina foto-reactivo con un láser UV u otra semejante fuente de energía de una capa a la vez. La tecnología más común el uso de este método se llama estereolitografía (SLA).
Para ser más precisos: desde 2010, la Sociedad Americana para Pruebas y Materiales (ASTM) Grupo "ASTM F42 - Fabricación aditiva",desarrolló un conjunto de normas que clasifican a la fabricación aditiva procesa en 7 categorías   de acuerdo con la terminología estándar de aditivos Manufacturing Technologies. Estos siete procesos son:
  1. Vat fotopolimerización
  2. El material de chorro
  3. Carpeta de chorro
  4. Material de extrusión
  5. Polvo Cama Fusión
  6. Hoja de Laminación
  7. Energía Dirigida Deposición
A continuación encontrará una breve explicación de todos los siete procesos para la impresión 3D:

Vat fotopolimerización

Una impresora 3D basado en el método Vat fotopolimerización tiene un recipiente lleno de resina de fotopolímero que se endurece a continuación, con fuente de luz UV.
Fotopolimerización Vat
Esquemas fotopolimerización IVA. Fuente de la imagen: lboro.ac.uk
La tecnología más utilizada en estos procesos es estereolitografía (SLA). Esta tecnología emplea una cuba de resina de fotopolímero curable por radiación ultravioleta líquido y un láser ultravioleta para construir capas del objeto de uno en uno. Para cada capa, el rayo láser traza una sección transversal de la pauta parte sobre la superficie de la resina líquida. La exposición a los ultravioletas curas de luz láser y se solidifica el patrón trazado en la resina y se une a la capa de abajo.
Después de que el patrón ha sido trazado, la plataforma del elevador del SLA desciende por una distancia igual al espesor de una sola capa, típicamente de 0,05 mm a 0,15 mm (0,002 "a 0,006"). Entonces, un relleno de resina barridos de cuchilla a través de la sección transversal de la pieza, re-recubrimiento con material fresco. En esta nueva superficie del líquido, el patrón de la capa posterior se traza, uniéndose a la capa anterior. El objeto tridimensional completa está formada por este proyecto. Estereolitografía requiere el uso de estructuras de soporte que sirven para unir la parte a la plataforma de ascensor y para contener el objeto porque flota en el recipiente lleno de resina líquida. Estos se retiran manualmente después de que el objeto se terminó.
Esta técnica fue inventada en 1986 por Charles Hull, que también en el momento fundó la empresa, 3D Systems.
Animación del proceso de SLA

Otras tecnologías que utilizan Vat fotopolimerización son la nueva ultrarrápida Producción continua Líquido Interface o  CLIP y utilizado marginalmente mayor Imaging Transferencia de Cine y Solid Ground curado.

El material de chorro

En este proceso, el material se aplica en gotas a través de una boquilla de pequeño diámetro, similar a la forma en que funciona una impresora de papel de inyección de tinta común, pero se aplica la capa por capa a una plataforma de construcción se hace un objeto 3D y luego endurecida por la luz UV.
Esquemas de material de inyección.  Fuente de la imagen: CustomPartNet
Esquemas de material de inyección. Fuente de la imagen: custompartnet.com
Aquí puedes ver la presentación de impresoras Stratasys 'Objet500 Connex 3D que utilizan su tecnología patentada Triple-Chorro, donde se puede ver claramente los cabezales de impresión y la luz UV:

Carpeta de chorro

Con ligante chorro se utilizan dos materiales: material de base en polvo y un aglutinante líquido. En la cámara de construcción, polvo se esparce en la igualdad de capas y el aglutinante se aplica a través de boquillas de chorro que "pegamento" las partículas de polvo en la forma de un objeto 3D programado. El objeto terminado es "pegadas" por aglutinante permanece en el recipiente con el material de base en polvo. Una vez finalizada la impresión, el polvo restante se limpia y se utiliza para la impresión en 3D el siguiente objeto. Esta tecnología fue desarrollada por primera vez en el Instituto de Tecnología de Massachusetts en 1993 y en 1995 Z Corporation obtuvo una licencia exclusiva.
El siguiente video muestra una carpeta de gama alta chorro impresora 3D basado el Exone M-Flex. Esta impresora 3D utiliza polvo de metal y el curado después de que se aplica el material de unión.

Material de extrusión

La tecnología más utilizada en este proceso es modelado por deposición fundida (FDM)

Modelado por deposición fundida (FDM), un método de creación rápida de prototipos: 1 - boquilla de eyección material fundido (de plástico), 2 - material depositado (parte modelada), 3 - controlados mesa móvil. Fuente de la imagen: Wikipedia, hecha por Zureks usuario debajo CC Attribution-Share Alike 4.0 licencia internacional.
La tecnología FDM funciona utilizando un filamento de plástico o alambre de metal que se desenrolla de una bobina y el suministro de material a una boquilla de extrusión que puede convertir el flujo de encendido y apagado. La boquilla se calienta para fundir el material y se puede mover en ambas direcciones horizontal y vertical mediante un mecanismo de control numérico, controlada directamente por una fabricación asistida por ordenador (CAM) paquete de software. El objeto se produce mediante la extrusión de material fundido para formar capas como el material se endurece inmediatamente después de la extrusión desde la boquilla. Esta tecnología es el más ampliamente utilizado con dos tipos de material del filamento de plástico: ABS (acrilonitrilo butadieno estireno) y PLA (ácido poliláctico), pero muchos otros materiales están disponibles van de propiedades de presentada la madera, conductor, flexible, etc.
FDM fue inventado por Scott Crump a finales de los 80. Después de patentar esta tecnología comenzó la compañía Stratasys en 1988. El software que viene con esta tecnología genera automáticamente las estructuras de apoyo si es necesario. La máquina suministra dos materiales, uno para el modelo y uno para una estructura de soporte desechable.
El término fusionado modelado por deposición y su abreviatura para FDM son marcas registradas por Stratasys Inc. El término exactamente equivalente, fusionado fabricación de filamentos (FFF), fue acuñado por los miembros del proyecto RepRap para dar una frase que sería legalmente sin restricciones en su uso.
Animación del proceso FDM

Polvo Cama Fusión

La tecnología más utilizada en estos procesos es sinterización selectiva por láser (SLS)
Selective_laser_melting_system_schematic
Esquemática sistema de SLS. Fuente de la imagen: Wikipedia de usuario Materialgeeza bajo Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported
Esta tecnología utiliza un láser de alta potencia para fundir pequeñas partículas de plástico, metal, polvos cerámicos o de vidrio en una masa que tiene la forma tridimensional deseada. El láser funde selectivamente el material en polvo mediante el escaneo de las secciones transversales (o capas) generados por el programa de modelado en 3D en la superficie de un lecho de polvo. Después de escanear cada sección transversal, el lecho de polvo se reduce por uno espesor de la capa. A continuación, una nueva capa de material se aplica en la parte superior y el proceso se repite hasta que se completa el objeto.
Todo polvo virgen permanece tal como es y se convierte en una estructura de soporte para el objeto. Por lo tanto no hay necesidad para cualquier estructura de soporte que es una ventaja sobre SLS y SLA. Todo el polvo no utilizado se puede utilizar para la siguiente impresión. SLS fue desarrollado y patentado por el Dr. Carl Deckard en la Universidad de Texas en la década de 1980, bajo el patrocinio de la DARPA.
Animación del proceso de SLS

Hoja de Laminación

Hoja de laminación implica materiales en hojas que se unían entre sí con una fuerza externa. Hojas pueden ser de metal, de papel o una forma de polímero. Las chapas metálicas se sueldan entre sí mediante soldadura por ultrasonidos en capas y luego CNC muelen en una forma adecuada. Hojas de papel se pueden usar también, pero están pegados con pegamento adhesivo y se cortan en forma de cuchillas precisas.Una empresa líder en este campo es  MCOR Tecnologías.

Modelo simplificado de la impresión en 3D de chapa de ultrasonidos. Fuente de la imagen: Wikipedia de usuario Mmrjf3 compartida bajo Creative Commons Reconocimiento 3.0 Unported.
Aquí hay un video con una impresora 3D de chapa por Fabrisonic que utiliza la fabricación aditiva emparejado con fresado CNC:

... Y aquí es una visión general de las impresoras MCOR 3D que utilizan hojas de papel estándar A4:

Energía Dirigida Deposición

Este proceso se utiliza principalmente en la industria del metal de alta tecnología y en aplicaciones de fabricación rápida. El aparato de impresión 3D está generalmente unido a un brazo robótico multi-eje y consta de una boquilla que el polvo de los depósitos de metal o alambre sobre una superficie y una fuente de energía (láser, haz de electrones o arco de plasma) que se funde, formando un objeto sólido.
Deposición de energía directa
Deposición Direct Energy con polvo metálico y la fusión láser. Fuente de la imagen: Proyecto Merlin
Sciaky es una importante empresa de tecnología en esta área y aquí está su presentación en video mostrando fabricación aditiva haz de electrones:

Ejemplos y aplicaciones de impresión en 3D

Las aplicaciones incluyen creación rápida de prototipos, modelos y maquetas arquitectónicas escala, salud (3d prótesis impresos y la impresión con el tejido humano) y el entretenimiento (por ejemplo, los apoyos de la película).
Otros ejemplos de la impresión 3D incluirían la reconstrucción de fósiles en paleontología, replicando artefactos antiguos en la arqueología, la reconstrucción de los huesos y partes del cuerpo en patología forense y la reconstrucción de la evidencia fuertemente dañada adquirido de investigaciones de la escena del crimen.

Industria de la impresión 3D

Se espera que la industria de la impresión en 3D en todo el mundo a crecer a partir de $ 3.07B en ingresos en 2013 de $ 12.8B en 2018 y superar los $ 21B en ingresos en todo el mundo para el año 2020. A medida que evoluciona, la tecnología de impresión 3D está destinado a transformar casi todas las principales industrias y cambiar el . forma en que vivimos, trabajamos y jugamos en el futuro Fuente: Informe Wohlers 2015

Industria médica

Las perspectivas para el uso médico de la impresión 3D está evolucionando a un ritmo extremadamente rápido como especialistas están empezando a utilizar la impresión en 3D en formas más avanzadas. Los pacientes de todo el mundo están experimentando una mejor calidad de la atención a través de implantes en 3D impresos y prótesis nunca antes vistos.
Bio-impresión
A partir del dos-miles temprana la tecnología de impresión 3D ha sido estudiado por las empresas de biotecnología y el mundo académico para su posible uso en aplicaciones de ingeniería de tejidos en los órganos y partes del cuerpo se construyen utilizando técnicas de inyección de tinta. Las capas de células vivas se depositan sobre un medio de gel y lentamente construyen para formar estructuras tridimensionales. Nos referimos a este campo de la investigación con el término: bio-impresión.

Industrias aeroespacial y aviación

El crecimiento de la utilización de la impresión en 3D en la industria aeroespacial y de aviación puede, por una parte, se deriva de los avances en el sector de fabricación de aditivos metálicos. NASA para revestimientos de cámara grabados instancia de combustión que utilizan fusión selectiva por láser y en marzo de 2015, la FAA limpiado primero de GE Aviation pieza del motor de jet 3D impresa a volar: una carcasa de sinterizado por láser para un sensor de temperatura de entrada del compresor.

Industria automotriz

Aunque la industria automotriz fue uno de los primeros en adoptar la impresión 3D ha por décadas relegados tecnología de impresión 3D para aplicaciones de bajo volumen de creación de prototipos. 
Hoy en día el uso de la impresión en 3D en la industria automotriz está evolucionando a partir de modelos de concepto relativamente simples para un ajuste y acabado controles y verificación del diseño, a partes funcionales que se utilizan en vehículos de prueba, motores, y plataformas. Las expectativas son que la impresión 3D en la industria automotriz generará un total de $ 1.1 billones de dólares en 2019.

Impresión Industrial

En el último par de años, la impresión 3D término se ha vuelto más conocida y la tecnología ha llegado a un público más amplio. Aún así, la mayoría de la gente no ha oído hablar del término, mientras que la tecnología ha estado en uso durante décadas. Especialmente los fabricantes han utilizado durante mucho tiempo estas impresoras en su proceso de diseño para crear prototipos para fines de fabricación y de investigación tradicionales. Uso de impresoras 3D para estos fines se llama creación rápida de prototipos.
¿Por qué utilizar las impresoras 3D en este proceso usted podría preguntarse. Ahora, las impresoras 3D rápidas se pueden comprar por decenas de miles de dólares y terminan salvando las empresas muchas veces esa cantidad de dinero en el proceso de creación de prototipos.Por ejemplo, Nike utiliza impresoras 3D para crear prototipos de varios colores de zapatos. Ellos solían gastar miles de dólares en un prototipo y esperar semanas para ello. Ahora, el costo es sólo en los cientos de dólares, y los cambios se pueden hacer al instante en el equipo y el prototipo reimpreso en el mismo día.
Además de prototipado rápido, la impresión 3D también se utiliza para la fabricación rápida. Fabricación rápida es un nuevo método de fabricación donde las empresas están utilizando las impresoras 3D para la fabricación de encargo corto plazo. En este modo de fabricación de los objetos impresos no son prototipos, pero el producto de usuario final real. Aquí usted puede esperar una mayor disponibilidad de productos personalizados personalmente.

Impresión personal

La impresión 3D personal o impresión 3D doméstica es principalmente para los aficionados y entusiastas y realmente comenzado a crecer en 2011. Debido a un rápido desarrollo en este nuevo impresoras del mercado son cada vez más barato y más barato, con precios que típicamente en el rango de $ 250 - $ 2.500. Esto pone a las impresoras 3D en más y más manos.
El proyecto de código abierto RepRap realmente encendió este mercado aficionado. Por cerca de mil dólares la gente podía comprar el kit RepRap y montar su propia impresora 3D de escritorio. Todo el mundo que trabaja en la RepRap comparte sus conocimientos para que otras personas puedan utilizarlo y mejorar de nuevo.

Historia

En la historia de la fabricación, métodos sustractivos menudo han llegado primero. La provincia de mecanizado (generando formas exactas con alta precisión) era generalmente un asunto de sustracción, de presentar y girando a través de la molienda y trituración.
Primeras aplicaciones de fabricación aditiva han estado en el extremo taller de herramientas del espectro de fabricación. Por ejemplo, prototipado rápido fue una de las variantes de aditivos más tempranas y su misión era reducir el tiempo de entrega y costo de desarrollo de prototipos de nuevas piezas y dispositivos, que antes solamente se hizo con métodos sustractivos taller de herramientas (típicamente lenta y costosa). Sin embargo, como los años pasan y la tecnología avanza continuamente, métodos aditivos se están moviendo cada vez más hacia el final de la producción de la industria manufacturera. Piezas que antiguamente eran la única provincia de métodos sustractivos ahora pueden en algunos casos ser más rentable a través de aditivos queridos.
Sin embargo, la integración real de las tecnologías aditivas más nuevos en la producción comercial es esencialmente una cuestión de complementar los métodos de sustracción en lugar de desplazar por completo. Las predicciones para el futuro de la fabricación comercial, a partir del período de la infancia comenzado ya- de hoy, es que las empresas manufactureras tendrá que ser flexibles, cada vez mejores usuarios de todas las tecnologías disponibles con el fin de seguir siendo competitivos.

Futuro

Se prevé por algunos defensores de la fabricación aditiva que este desarrollo tecnológico va a cambiar la naturaleza del comercio, ya que los usuarios finales podrán hacer gran parte de su propia fabricación en lugar de participar en el comercio para comprar productos de otras personas y las empresas.
Existen impresoras 3D capaz de dar salida en los materiales de color y múltiples ya y seguirán mejorando a un punto donde los productos funcionales podrán emitirse. Con efectos en el uso de energía, reducción de residuos, la personalización, la disponibilidad del producto, la medicina, el arte, la construcción y las ciencias, la impresión 3D va a cambiar el mundo de la fabricación como la conocemos.
Si usted está interesado en más predicciones futuras relativas a la impresión 3D, visita el futuro de Abrir Fabricación.

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