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¿Qué es la impresión 3D? Introducción Tipos de técnicas Impresoras FDM Proceso Aplicaciones Tendencias futuras

En

este primer capitulo se define la impresión 3D y se describen las diferentes

tecnologías aditivas de fabricación capa a capa: estereolitografía (STL), sisterizado selectivo por láser (SLS), etc. Se destaca el modelado por deposición fundida (FDM) como procedimiento más extendido en la comunidad Maker (DIY, Do it Yourself). Se identifican las partes de una impresora FDM y las etapas a seguir en el diseño e impresión de un modelo 3D con aplicativos de uso gratuito y fuentes libres. Finalmente, se exponen algunas de las aplicaciones actuales de la impresión 3D y las tendencias futuras.

Capítulo 1 ¿Qué es la impresión 3D? 1.1 Introducción La impresión 3D (3D Printing) es un conjunto de tecnologías de fabricación aditiva en las que el modelo a construir se crea por deposición de material capa a capa a partir de un modelo 3D virtual. La forma en la que se produce la deposición del material define el tipo de tecnología de impresión 3D. Algunas impresoras depositan el material después de su calentamiento (FDM), lo funden (SLS) o lo depositan en forma de láminas delgadas y cortadas (LOM). Los inicios de la impresión 3D se remontan a principios de los años 80 cuando Chuck Hull fundó la compañía 3D Systems y patentó la estereolitografía (stereolltography) en los Estados Unidos. A partir de entonces la evolución durante los últimos 30 años ha sido imparable gracias al vencimiento de las patentes y al aumento de los tipos de materiales disponibles. El movimiento Maker (comunidad RepRap) y la filosofía DIY (Do ¡t yourself) han favorecido que las universidades, las pequeñas empresas y los particulares se fabriquen sus propias impresoras a precios muy bajos. En 2012 se vendieron tantas impresoras en el mundo como en el período comprendido entre 1980 y 2011. Actualmente, las impresoras personales se pueden adquirir a precios inferiores a 1000 euros y en prácticamente cualquier tienda de informática.

Figura 1.1. Im presoras de modelado por deposición fundida (FDM) comerciales Prusa ¡3 (BQ) y BCN 3DR (RepRapBCN), e impresora de bajo coste adaptada a la impresión de chocolate (proyecto realizado por Josep Nualart y Aleix Sala).

La impresión 3D también se conoce con otros nombres, como fabricación instantánea o de sobremesa, fabricación por capas o fabricación de sólidos por formas libres. Algunas de las técnicas más importantes como la estereolitografía (STL), el sinterizado selectivo por láser (SLS) y el modelado por deposición fundida (FDM) pueden imprimir prototipos físicos mediante fotopolímeros, polvos metálicos o cerámicos y termoplásticos, respectivamente.

1.1.1 Estereolitografía (STL) El prototipo físico se construye capa a capa a partir de la solidificación de un monómero fotosensible o resina líquida fotopolimerizable (contenido en una cubeta) por la incidencia de una radiación luminosa (ultravioleta o visible). El láser sigue las secciones capa a capa definidas por el modelo 3D virtual en formato STL y consigue solidificarlo. El polímero suele estar contenido en una cubeta sobre la que se desplaza una plataforma con un movimiento descendiente. El movimiento de la plataforma coincide con el espesor de las capas fotopolimerizadas definidas según la resolución a obtener. La etapa final requiere un postcurado en un horno.

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Capítulo 1 ¿Qué es la impresión 3D? Lentes Espejo

Plataforma descendente Espátula

Plataforma

Figura 1.2. Procedimiento de impresión 3D por estereolitografía (STL).

La estereolitografía consigue piezas con un buen acabado superficial que puede mejorarse con ciertas resinas, con un pequeño espesor de capa definido y con máquinas más precisas. Además, se obtiene buena precisión dimensional y admite geometrías complejas con espesores de pared finos y gran nivel de definición de detalles. Como ventaja también cabe señalar la gran cantidad de materiales o resinas disponibles con excelente resistencia mecánica y térmica. Como inconveniente del procedimiento destaca el uso de resinas caras y tóxicas, la necesidad de un postcurado con la posibilidad de deformación de la pieza y la creación de soportes en las regiones con voladizos que pueden dejar marcas en la superficie de las piezas. Los prototipos creados son frágiles y translúcidos. 1.1.2 Sinterizado selectivo por láser (SLS) El procedimiento de construcción se realiza capa a capa a partir de la fusión, por el aporte energético en forma de calor de un láser, de los granos del material en forma de polvo fino depositado y comprimido por un rodillo. El láser recorre las secciones de cada una de las capas a solidificar y calienta el polvo por encima de su temperatura de sinterización provocando la unión de los granos. Las zonas o regiones por las que el láser no pasa deja el polvo suelto, que se puede desprender fácilmente y se utiliza como elemento de soporte para la sinterización de las capas sucesivas, por lo que la técnica no precisa estructuras de soporte en la construcción de modelos con voladizos. Se puede imprimir en una gran cantidad de materiales: polímeros (PC, PA, PVC, ABS), cerámica y metal. Láser

Rodillo nivelación de material

Lentes

M odelo fabricado

Material no sinterizado Figura 1.3. Procedimiento de impresión 3D por sinterización selectiva por láser (SLS).

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Capítulo 1 ¿Qué es la impresión 3D? Las principales ventajas del procedimiento son su precisión y la reproducción de geometrías complejas sin la necesidad de soportes ni eliminación de material sobrante. Además, no requiere postcurado y las piezas obtenidas tienen buenas propiedades mecánicas. Puede utilizarse con una gran variedad de materiales. Como inconveniente destaca el elevado precio de las impresoras y su lentitud de impresión. También se considera un inconveniente en algunos casos el aspecto poroso de la superficie.

1.1.3 Fabricación mediante balística de partículas (BPM) El material en estado fundido se proyecta en forma de gotas muy pequeñas (pulverizado) siguiendo la sección de cada una de las capas. El impacto de las gotas sobre la superficie consigue la solidificación. El proceso se realiza en vacío o en atmósfera de nitrógeno (N 2 ) para evitar la oxidación. Es un procedimiento económico, ecológico, no requiere soportes ni posprocesado y además dispone de varios materiales y colores. Se emplean materiales de baja temperatura de fusión (termoplástico, aluminio, etc.). Como inconveniente destaca la fragilidad de las piezas obtenidas y la necesidad de una atmósfera inerte en su procesado. Además solo se dispone de un número reducido de materiales.

1.1.4 Fabricación laminada o Lam inated Object Manufacturing (LOM) La obtención del modelo se realiza capa a capa a partir de la adhesión de láminas, unas sobre otras, y el recorte de las mismas mediante haz láser (CO 2 ) o cuchillas siguiendo los contornos definidos por el fichero CAD 3D. Se utiliza papel autoadhesivo plástico o composite alimentado por rollo que se pega a la capa anterior. El papel sobrante se elimina. Es una técnica de impresión 3D rápida que ofrece una buena precisión. Se puede utilizar con un gran número de materiales, no requiere postcurado y tampoco son necesarios los soportes de impresión. Sin embargo, las piezas impresas no tienen un excelente acabado superficial, es difícil definir huecos interiores y se desperdicia una gran cantidad de material.

1.1.5 3D Printing (3DP) El modelo se obtiene a partir de la adición capa a capa de un material en forma de resina o polvo (polímero, cerámico o metal) que se compacta y cohesiona por la deposición de un aglutinante siguiendo las distintas secciones del modelo CAD 3D. Las principales ventajas son la gran velocidad de impresión y la posibilidad de imprimir en varios colores. Como inconvenientes cabe mencionar la poca precisión, la baja calidad superficial media, la necesidad de postcurado y del empleo, en algunos casos, de soportes de Impresión.

1.1.6 Modelado por deposición fundida (FDM) El procedimiento deposita un material fundido (ABS, PLA o PA, entre otros) sobre capas enfriadas con el fin de garantizar su rápida solidificación y su endurecimiento. La deposición del material fundido se realiza a través del cabezal extrusor que recibe el filamento de una bobina. Es uno de los procedimientos de bajo coste más empleados y extendidos en la actualidad. 15

Capítulo 1 ¿Qué es la impresión 3D?

Figura 1.4. Procedimiento de impresión 3D por modelado por deposición fundida (FDM).

Las ventajas del FMD son muchas: gran variedad de materiales disponibles, impresoras económicas y pequeñas (de escritorio o sobremesa), no se producen residuos (tan solo en los soportes de impresión) y la impresión de piezas huecas o muy porosas es rápida. El principal inconveniente es la necesidad de crear soportes o estructuras de apoyo en las caras inclinadas (con voladizo), la baja resistencia de las piezas impresas en el eje Z (dirección de impresión de las capas) y su lentitud cuando se desean obtener modelos macizos y de gran tamaño. Otras técnicas de impresión 3D son: Solid Ground Curing (SGC), Electron Bean Melting (EBM), Shape Melting, inyección sólida por impresión (SPI) y polimerización térmica de líquidos (thermal polymeñzation), entre otras.

1.2 Impresión FDM con fuentes libres La impresión 3D con fuentes libres (Open Source Hardware, OSH) es una de las mejores alternativas para los pequeños usuarios, estudiantes, arquitectos o diseñadores freelance que desean invertir una pequeña cantidad económica en una impresora 3D de modelado por deposición fundida (FDM). Las impresoras 3D con licencia gratuita del movimiento M aker (www.reprap.org) ponen a libre disposición todo el conocimiento tecnológico (Know How) a través de información de diseños existentes, piezas, pequeños componentes normalizados y electrónicos, instrucciones de montaje de los equipos, firmware, etc. También se distribuyen de forma gratuita los programas informáticos que permiten preparar las geometrías en formato STL para su conversión a ficheros G-Code que puedan ser interpretados por las impresoras 3D. El coste final de este tipo de impresoras depende de muchos aspectos: tipo de máquina, prestaciones, tamaño, etc. No es lo mismo comprarla completamente terminada que comprarla por partes y ensamblarla en casa. En estos casos los precios pueden oscilar entre 600 y 2000 euros en función del tipo de impresora. Lo más habitual es comprar montada la parte más delicada que hace referencia a los componentes electrónicos. La mayoría de distribuidores venden componentes preensamblados y asesoran en el proceso de montaje.

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Capítulo 1 ¿Qué es la impresión 3D?

Figura 1.5. Impresora RepRap de deposición fundida (FDM).

Lo primero que se debe decidir es el tipo de impresora que se quiere montar. Actualmente hay muchas variedades y cada día evolucionan mejorando las prestaciones: CupCake, Fab@Home y RepRap son algunos de los modelos más conocidos. Cada uno de ellos tiene más de una evolución o versión distinta. Es recomendable visitar el sitio web www.reprap.org para buscar información sobre los modelos existentes, foros de debate, versiones de las impresoras para imprimir, etc. De esta forma puede conocer qué modelo de impresora es el más adecuado a sus intereses. A partir de este punto puede descargar las piezas de la impresora deseada e imprimirlas en otra impresora (autorreplicación) o com prar un kit con todos los componentes y el manual de montaje e instrucciones de uso. El montaje no es complejo y además, junto con el kit, la mayoría de distribuidores adjuntan planos de montaje de muy fácil interpretación. El firmware y el software empleado para comunicar la impresora con el ordenador y para crear el G-Code interpretable por la impresora también son gratuitos y se puede acceder a ellos desde la página web (véase el Capítulo 5). La mayoría de distribuidores lo entregan con el kit de montaje. El software está disponible para Windows, OS X o Linux. La conexión con el ordenador se suele realizar por puerto serie, Wi-Fi, USB o por tarjetas de memoria SD. 1.3 Construcción de una impresora FDM Las impresoras 3D de extrusión termoplástica o FDM están formadas por motores paso a paso para mover los ejes X, Y y Z, motores para mover el extrusor, correas, poleas, rodamientos, varillas roscadas y lisas, tuercas, tornillos, endtops o topes para los ejes, plancha de madera o vidrio para la base y HotEnd o boquilla para la fusión del plástico (véase la Figura 1.8).

Figura 1.6. M ovimientos principales. Impresora 3D RepRapBCN. Imagen cedida por Fundació Cim.

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Capítulo 1 ¿Qué es la impresión 3D? Marco estructural Define la estructura externa de la impresora 3D y confiere estabilidad mecánica. Se han fabricado en madera, aluminio o acrílico. La mayoría de fabricantes o usuarios ofrecen las piezas que forman la estructura en un mismo fichero CAD en formato DXF para ser cortado con chorro de agua, láser o plasma. Plataforma La plataforma de construcción es la superficie plana sobre la cual se va imprimiendo capa a capa la pieza a obtener. Se fabrica de madera, vidrio y acrílico. Las más avanzadas están calefactadas para mejorar la adhesión o pegado de las diversas capas. La plataforma está guiada por varillas roscadas, poleas y por motores para facilitar su desplazamiento. En algunos tipos de impresora (Deltabot) la plataforma tiene un movimiento descendente (eje Z) y en otras la plataforma permanece siempre fija a la misma altura siendo el extrusor el que se desplaza en el eje Z durante el proceso de impresión. Cabezal extrusor o HotEnd Es una de las partes más delicadas de las impresoras 3D. Se encarga de depositar el plástico fundido sobre la plataforma o las capas ya depositadas a partir de la transformación de un hilo continuo en plástico fundido. Otros sistemas funcionan con jeringuilla calefactada a modo de extrusión. El complejo funcionamiento se debe a que estos cabezales deben calentar el plástico a temperaturas de 190-260 °C y depositarlos en forma de hilo fino de 0,4 a 2 milímetros (el diámetro de la boquilla puede tener 0,4 o 0,5 milímetros). Están fabricados completamente de metal (a// metal), o pueden contener alguna pieza de teflón u otro material plástico. Los primeros pueden calentar por encima de los 250 °C. Controladores de los ejes X, Y y Z, y extrusor (EndStop) Se requieren motores y finales de carrera para controlar el posicionamiento del extrusor durante su movimiento en el plano XY y en Z. Generalmente se trabaja con motores paso a paso, poleas y ejes estriados que permiten mover el extrusor o la plataforma de construcción. Placa madre Se utilizan placas de Arduino o Sanguino con firmware, procesador, conectares y memoria. El objeto de la placa madre es leer el lenguaje G-Code y traducirlo en movimiento de los motores paso a paso, movimiento del extrusor, temperatura de calefacción, velocidad de deposición del hilo, etc.

Figura 1.7. Impresora 3D RepRapBCN. Imagen cedida por Fundació Cim.

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C apítulo 1 ¿Q ué es la im presión 3D?

En algunas impresoras como la RepRap desarrollada por el Centro CIM de la UPC (Universidad Politécnica de Cataluña) existe la posibilidad de introducir los archivos en formato G-Code desde una pequeña tarjeta SD. En otros casos la conexión puede ser por puerto serie, USB o Wi-Fi. Cabezal Extrusor Im presora Deltabot

E q u ip o R e p R a p B C N

GuNDACIÓCim© S A R C fi OMATECM

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Motores

M arco estructural

Plataform a de construcción Entrada tarjetas SD Display digital

Im presora Rostock Motores

Plataform a de construcción

Entrada tarjetas SD

Marco estructural

~ Display digital

Figura 1.8. Impresora 3D RepRapBCN. Imagen cedida por Fundació Cim. w ww .reprapbcn.com .

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Capítulo 1 ¿Qué es la impresión 3D? Sensores de temperatura Es necesario utilizar term istores para controlar la temperatura alcanzada tanto en el HotEnd como en la cama o plataforma calefactada. De la estabilización de la temperatura se encarga la placa de Arduino que es capaz de controlar las variaciones térmicas. Motores paso a paso Los más empleados por el precio y sus prestaciones son los NEMA: robustos, económicos y fáciles de montar. EndStop Los finales de carrera son indispensables para controlar los límites de impresión para cada uno de los tres ejes.

Figura 1.9. Modelos impresos en 3D.

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Capítulo 1 ¿Qué es la impresión 3D?

Figura 1.10. Impresión Bi-Material. Fundació Cim. w ww .reprapbcn.com .

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Capítulo 1 ¿Qué es la impresión 3D? 1.4 Proceso de impresión 3D Las etapas a seguir para imprimir una pieza en 3D son tres: (1) creación o diseño del modelo tridimensional, (2) rebanado o creación del programa ISO (GCode), e (3) impresión. .gcode

Figura 1.11. Etapas del proceso de impresión 3D.

1.4.1 Etapa 1. Diseño 3D El modelo 3D del objeto a imprimir se puede: a) diseñar con programas de diseño 3D, b) descargar desde un repositorio de internet o c) reconstruir a través de ingeniería inversa mediante escáner o reconstrucción de imágenes médicas (DICOM). Diseño 3D La creación de modelos 3D digitales puede realizarse con apllcativos gratuitos como Tinkercad, 123D Design, M eshm ixer, Project ShapeShifíer, SketchUP (Google), SculptFab (SketchFab), Jweel, 3DTin, OpenSCAD, FreeCAD, Sculptris, Cubity Invent, Cubity Sculpt, etc. La mayoría de ellos son aplicativos online, intuitivos y fáciles de usar. Otros son un poco más complejos y requieren su Instalación.

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Figura 1.13. Procedimientos para obtención de diseños 3D.

Después de crear el modelo en 3D o descargarlo desde un sitio web de internet debe asegurarse de que tiene el formato STL, el formato requerido por la mayoría de los rebanadores para la creación del fichero G-Code que reconoce la impresora. 23

Capítulo 1 ¿Qué es la impresión 3D? La mayoría de los sitios web de descarga de modelos digitales ofrecen las geometrías en este tipo de formato. Sin embargo, en algunos casos como GrabCAD y otros repositorios, los modelos pueden descargarse en cualquier extensión: Catia, SolidWorks, AutoCAD, SolidEdge, etc. La ventaja en estos casos es que las geometrías tridimensionales se pueden editar. Los rebanadores o programas que permiten dar las instrucciones a las impresoras 3D no leen directamente este tipo de ficheros, por lo que es necesario guardarlos como ficheros STL. Esta conversión puede realizarse con cualquier programa profesional o desde alguna dirección web de internet previo envío del fichero. Los repositorios como Thingiverse ofrecen los modelos en formato STL listos para ser rebanados. Recuerde que, en estos casos, no podrá modificarlos ni definir tolerancias en los acabados (véase la Figura 1.11). El formato STL es un tipo de formato creado por 3D System (www.3dsystems.com) para su uso en máquinas de prototipado rápido. Los ficheros definen el volumen a imprimir para que pueda seccionarse en capas o láminas imprimibles unas sobre otras. El fichero excluye las texturas, las propiedades físicas, el color, etc. En su creación puede definir la resolución a obtener.

Figura 1.14. Formato STL. Resolución de una esfera.

Los modelos 3D descargados de internet o generados a partir de un software CAD pueden contener errores como, por ejemplo, caras no cerradas, problemas en la unión de las superficies, agujeros en el mallado o normales invertidas, entre otros. En estos casos, aplicativos como Netffab pueden analizar y reparar automáticamente los errores detectados (véase el Capítulo 4).

1.4.2 Etapa 2. Obtención del G-Code La etapa 2 consiste en traducir el fichero 3D en un fichero de texto (G-Code) con la programación adecuada para imprimir la pieza. La información obtenida consiste en un texto con los datos sobre las coordenadas por donde debe pasar el extrusor depositando el material fundido capa a capa. El poslcionamiento del extrusor se define por los motores paso a paso.

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Capitulo 1 ¿Qué es la impresión 3D? El modelo STL a imprimir debe rebanarse o cortarse en múltiples secciones o capas en el sentido del eje Z o eje vertical. Para cada una de las secciones formadas por las capas se deposita un cordón o hilo de polímero fundido que ocupa completamente el área. Una vez terminada la primera sección, y al mismo tiempo que se va solidificando, la boquilla extrusora asciende en altura Z y comienza a imprimir la siguiente sección o capa, y así de forma sucesiva. El lenguaje G-Code define las coordenadas por las que debe pasar la boquilla, su velocidad, la temperatura a la que debe dosificar el plástico, etc. Todos estos parámetros se definen de forma sencilla con software gratuito como Slice3r o Repetier-Host. Cada software tiene sus propias estrategias, aunque la forma de trabajar con todos ellos sea muy semejante (véase el Capítulo 5). El nombre G-Code es la denominación con la que se conocen los lenguajes de programación que se usan en Control Numérico (CNC). El lenguaje se creó en 1950 en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) y actualmente lo emplean empresas como Siemens, Fanuc, Fagor, Fleidenhain, etc. Su estándar internacional de programación es la programación ISO 6983. W/

Figura 1.15. Exportación de ficheros en formato STL desde SolidWorks.

En Internet puede encontrar una gran variedad de rebanadores de libre uso. Algunos de ellos son: Slic3r, Repetier-Flost, CuraEngine, Cura, Cube, KISSIicer, MakerWare, RepiicatorG MakerBot slicer. En el Capítulo 5 se describe el procedimiento para crear los ficheros G-Code con algunos de los mejores rebanadores.

1.4.3 Etapa 3. Impresión La última etapa consiste en enviar las instrucciones del G-Code a la Impresora a través de Wi-F¡, USB, tarjeta SD o cable. Si no dispone de una Impresora, puede enviarlo a alguna dirección web de Impresión online. En este último caso puede Imprimir en cualquier material que puede solicitar en sitios webs como 3D Fiub, i.materialise, Shapeways, Ponoko, Sculpteo, Repro 3D, etc., donde después de aceptar un presupuesto recibirá su modelo impreso unos días después del encargo. Sin impresora

Con impresora

shapeways 3D HUBS Figura 1.16. Impresión online sin impresora (3D Hubs y Shaperways).

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Capítulo 1 ¿Qué es la impresión 3D?

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