Por Julián Chica, Ingeniero Consultor PLM en Ingeniería Asistida por Computador S.A.S.

Manufactura aditiva (AM)

El término proviene del término en inglés “additive manufacturing (AM)” y se acuña a cualquier proceso de manufactura que mediante una adición “capa por capa” permita fabricar algún objeto tridimensional. El material utilizado en estos procesos puede ser plástico, metal, concreto o inclusive materiales de última generación. Algunos procesos de manufactura aditiva ya permiten crear tejido humano.

Manufactura aditiva Vs impresión 3D

Esta es una pregunta que todos en algún momento nos hacemos. El término impresión 3D lleva más tiempo en la industria y apareció junto con el término prototipado rápido. Para muchos de nosotros que hemos estado en el área de manufactura por años el término ha estado presente hace un poco más de 15 años cuando comenzaron a aparecer las primeras máquinas de prototipado rápido. El término manufactura aditiva nace en el momento que la impresión 3D pasó de solamente crear maquetas y prototipos a crear componentes finales de productos de producción. Este paso se fue dando en la medida que estos procesos de impresión por capas permitieron usar una gama más amplia de materiales y sobre todo controlar la unión molecular de los mismos permitiendo crear estructuras de resistencias similares y en algunos casos superiores a las logradas en procesos de fundición, extrusión, inyección por nombrar algunos ejemplos. Podemos concluir entonces que el término manufactura aditiva comprende la impresión 3D y en algunos contextos se refieren exactamente a lo mismo.

Procesos de manufactura aditiva

Los procesos de manufactura aditiva cada vez son más y obedecen al deseo de “imprimir” todo tipo de materiales. Muchos materiales ya se han logrado integrar en algún tipo de proceso de manufactura aditiva, muchos polímeros, muchos metales, concreto y hasta tejido humano son algunos ejemplos como mencionaba anteriormente. A continuación, hago un listado de algunos de los procesos más utilizados junto con los materiales procesables en cada uno de ellos (Fragmentos tomados de https://www.ptmexico.com/cdn/cms/Las_7_familias_de_la_manufactura_aditiva.pdf)

  1. Fotopolimerización: un depósito líquido de resina fotopolimérica esta es curada mediante exposición selectiva a la luz UV vía láser o por proyector que activa la polimerización y solidifica las áreas expuestas. Procesos con este principio:
    1. SLA: Sistema de estereolitografía
    2. DLP: Procesamiento digital por luz https://youtu.be/MDILlQ5k5aY
    3. 3SP: Escaneo, giro y fotocurado selectivo
    4. CLIP: Interfaz de producción líquida continua
    5. SDL: Software Defined Light – Curado con láser https://youtu.be/oiFfFKbttXU

SLA Estereolitografía

Los materiales típicos para este proceso son algunas resinas poliméricas fotocurables que pueden ser cargadas con algunos rellenos para hacer más económico el proceso o también para dar colores y texturas.

  1. Fusión de lecho de polvo: materiales en polvo son selectivamente consolidados al fundirlos juntos utilizando una fuente de calor como un láser o un rayo de electrones. Procesos con este principio
    1. SLS: sinterización selectiva por láser
    2. DMLS: sinterización directa de metal por láser https://youtu.be/PHaXX2OoOs4
    3. EBM: Fusión por rayo de electrones
    4. SHS: Sinterización selectiva por calor
    5. MJF: Multi Jet Fusion ejemplo https://youtu.be/sxjsZ5XKmbU

Los materiales han sido trabajados con este tipo de procesos son plásticos, metales, polvos cerámicos y arenas.

EBM (Electro Beam Melting) Proceso de fusión en lecho de polvo para metales

  1. Inyección por aglutinante (binder jetting): en este proceso agentes líquidos de unión son selectivamente aplicados en pequeñas capas de material en polvo para construir piezas capa por capa. Los aglutinantes incluyen materiales orgánicos e inorgánicos. Las piezas metálicas o cerámicas son, por lo general, llevadas a un horno luego de ser impresas. El proceso es único y los materiales que permite aglutinar son de todo tipo pero los más usados son arenas y cerámicos
  1. Inyección de material (material jetting): en este proceso gotas de material son depositadas capa por capa para la fabricación de piezas. Variaciones comunes incluyen chorros de resina fotocurable y curado con rayos UV, así como chorros de materiales fundidos que luego se solidifican a temperatura ambiente. Procesos con este principio:
    1. SCP: Impresión de curvatura suave
    2. MJM: Multijet Modeling Projet

Los materiales típicos en este proceso son fotopolímeros, polímeros y ceras

  1. Laminación de hojas: en este proceso láminas de material son apiladas y laminadas juntas para formar un objeto. El método de laminación puede ser adhesivo o químico (papel, plásticos), soldadura ultrasónica o soldadura con bronce (metales). Las zonas que no se necesitan son cortadas capa por capa y eliminadas luego de que el objeto está terminado. Este proceso puede llegar a ser de los más baratos siempre y cuando no esté relacionado con el proceso de láminas metálicas.

Los materiales utilizados en este proceso suelen ser papel adhesivo, láminas plásticas, láminas metálicas y foil/cintas.

  1. Extrusión de material: en este proceso el material es extruido a través de un cabezal, para formar modelos de múltiples capas. Procesos con este principio
    1. FFF: fabricación por filamento fundido
    2. FDM: modelado por deposición fundida
    3. Concrete 3D Printer: extrusión de mezcla de concreto

Impresora 3D de Concreto

Los materiales para este proceso son filamentos de polímeros termoplásticos o pellets. También polímeros líquidos en jeringas.

  1. Deposición directa de energía: en este proceso polvo o alambre es alimentado en una superficie donde se adhiere mediante una Fuente de energía, como láser o haz de electrones. Es, en esencia, una forma de soldadura. Procesos con este principio:
    1. LMD: Deposición de metal por láser https://youtu.be/bTofP26-HiQ
    2. LENS: Laser Engineered Net Shaping
    3. DMD: Deposición directa de metal

Ejemplo de LMD: Deposición de metal por láser

Los materiales típicos de este proceso son polvos metálicos o cables metálicos con cerámicos.

  1. Híbrido (Hybrid): en este proceso de deposición de metal por láser que es una forma de DED, es combinada con mecanizado CNC, que permite la manufactura aditiva y sustractiva en una misma máquina. Este proceso llamado AMBIT fue desarrollado por Hybrid Manufacturing Technologies. https://youtu.be/gT9CeKURTQ4

Los materiales utilizados son metales en polvo y cerámicos. 

  1. 3D Bioimpresoras: Estas impresoras permiten imprimir capas de células formando celosías (estructuras celdadas) en polímeros biodegradables que luego son pobladas por tejido cartilaginoso y estrutura venosa.

Espero haber podido crear un panorama general de los procesos de manufactura aditiva existentes, algunos de última generación que principalmente son los que han permitido procesar metales. Estén pendientes para la segunda parte de este tema de manufactura aditiva donde estaré abordando el tema “Participación del CAD en procesos de manufactura aditiva”. Allí mostraré como nuevas funcionalidades en los programas de diseño están conectadas y desarrolladas para ser usadas en procesos de manufactura aditiva.

Autor: Julián Chica Gómez, Ingeniero Consultor PLM Julián Chica Gómez, Ingeniero de Diseño de Producto, certificado como Instructor de Autodesk ACI y certificado MCAD Data Management in Windchill. Julián hace parte de nuestro equipo de IAC y Acaddemia en temas relacionados con CAD, CAE, CAM, PDM y PLM.

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