Visión general
Al utilizar materiales en polvo para la impresión 3D, el proceso SLS mencionado anteriormente es relativamente costoso debido al uso de láseres. Sin embargo, emplear un agente aglutinante para adherir las partículas de polvo y colocarlas en capas para formar formas es teóricamente correcto. El 20 de abril de 1993, el profesor Emanuel Sachs y su equipo del MIT obtuvieron una patente estadounidense para las “Técnicas de impresión tridimensional”, conocidas como 3DP.
El invento se inspiró en las impresoras de inyección de tinta muy extendidas en la época, sustituyendo la tinta de los cartuchos por un aglutinante líquido. Al extruir este aglutinante sobre una capa de polvo suelto con el cabezal de impresión, se podían imprimir objetos tridimensionales. De manera similar, utilizando aglutinantes de colores primarios y una combinación de colores digital precisa, fue posible la impresión en polvo a todo color, similar a la impresión en color por inyección de tinta sobre papel.
Este proceso de impresión 3D se parece mucho a las impresoras convencionales y su título de patente, "impresión 3D", es sencillo y fácil de entender. Antes de esto, la tecnología de impresión 3D se conocía como creación rápida de prototipos. Desde entonces, el término "impresión 3D" ha ganado popularidad, y todas las tecnologías de creación rápida de prototipos se denominan comúnmente impresión 3D, y los propios dispositivos se denominan impresoras 3D.
En 2012, la Sociedad Estadounidense de Pruebas y Materiales (ASTM) definió este proceso de impresión 3D como "Binder Jetting" en su estándar de terminología de fabricación aditiva (ASTM F2792-12a).
En teoría, el proceso de granallado se puede utilizar para imprimir en 3D diversos materiales en polvo, como cerámica, metales, yeso, plásticos y arena. En 1995, se creó Z Corporation bajo licencia del MIT, centrándose en la comercialización de voladuras aglutinantes de yeso en polvo.
Desde 1997, han lanzado una serie de impresoras de encuadernación, incluida la monocromática ZPrinter 310 Plus de nivel básico y, en 2005, la primera impresora 3D en color del mundo, la Spectrum Z510, como se muestra en la Figura 5-31 con la impresora en color y modelos impresos. Esto marcó un paso significativo en la evolución de la impresión 3D, haciéndola vibrante y colorida. En 2012, Z Corporation fue adquirida por 3D Systems, que desarrolló aún más la serie de impresoras Color-Jet.
Las especificaciones para la serie Color-Jet que se vende actualmente en el sitio web de 3D Systems se muestran en la Tabla 5-1.
Tabla 5-1: Especificaciones oficiales de 3D Systems para impresoras de la serie Color-Jet.
| Modelo | ProJet260C | ProJet360 | ProJet 460Plus | ProJet660Pro | ProJet860Pro |
| Color | Color básico (CMY) | Monocromo (blanco) | Color básico (CMY) | Colores (CMYK) | Color básico (CMY) |
| Espesor de capa/mm | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 |
| Resolución/ppp | 300×450 | 300×450 | 300×450 | 600×540 | 600×540 |
| Dimensiones de impresión/mm | 236×185×127 | 203×254×203 | 203×254×203 | 254×381×203 | 508×381×229 |
| Velocidad de impresión/(mm/h) | 20 | 20 | 23 | 28 | 5~15 |
| Número de cabezales de impresión | 2 (HP57+HP11) | 1 (HP11) | 2(HPS7+HP11) | 5(HP11) | 5(HP11) |
| Número de boquillas | 604 | 304 | 604 | 1520 | 1520 |
En 1996, Extrude Hone Corporation recibió una licencia del MIT para investigar y comercializar material en polvo metálico formado mediante granallado con aglutinante, introduciendo el primer dispositivo de granallado con aglutinante en polvo metálico del mundo, ProMetal RTS-300, en 1997.
En 2003, ExOne Company surgió de Extrude Hone, enfocándose exclusivamente en la industria de la impresión 3D, y luego lanzó la primera impresora 3D de arenisca del mundo, la S15. Desde entonces, ExOne se ha especializado en la granallado de materiales metálicos y areniscos, convirtiéndose gradualmente en líder en tecnología 3DP. La Figura 5-32 muestra la impresora ExOne Innovent+ y algunos de los modelos metálicos impresos por la empresa.
Fundada en 1999, la empresa alemana Voxeljet también obtuvo una licencia del MIT y se ha dedicado al desarrollo de impresoras 3D de arena para moldes de fundición. La empresa emplea tecnología de chorro de aglutinante para imprimir moldes de arena para su uso en procesos tradicionales de fundición de metales.
En los últimos años, la tecnología de granallado ha atraído cada vez más atención en China, con empresas como Wuhan Yizhi Technology Co., Ltd., Aisikai Technology Co., Ltd., Guangdong Fenghua Zhuoli Technology Co., Ltd. y Ningxia Sharing Group. tomando la iniciativa.
Además, un equipo de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Huazhong ha estado investigando la tecnología de granallado con aglutinantes desde 2012, centrándose inicialmente en la impresión con yeso, polímeros y arena de fundición, y actualmente centrándose en la tecnología de granallado con aglutinantes metálicos. En 2017, en colaboración con Wuhan Yizhi Technology Co., Ltd., lanzaron una impresora de inyección de aglomerante metálico capaz de imprimir con materiales como acero inoxidable 316L, acero inoxidable 420, cobre y aleaciones de titanio.
A continuación se muestra un cuadro comparativo de los detalles técnicos de algunas empresas nacionales e internacionales que desarrollan tecnología de granallado con aglomerantes metálicos.
Tabla 5-2: Cuadro comparativo de detalles técnicos de tecnologías de formación por pulverización de adhesivos metálicos de empresas de investigación y desarrollo nacionales e internacionales seleccionadas
| Empresa | Velocidad de impresión (cm 3 /h) | Sube el volumen | Materiales disponibles | Densidad /% | Resolución /ppp | Espesor de capa /μm |
| Metales digitales | 100 | 203 mm × 180 mm × 69 mm | Acero inoxidable: 316L, 17-4 | 96 | – | 30~200 |
| exón | Hasta 10.000 | 800 mm × 500 mm × 400 mm | Acero inoxidable: 316L, 304 | 96~99 | 600~1200 | 30~200 |
| Mesa metalica | 12.000 | 750 mm × 330 mm × 250 mm | – | 一 | 一 | 50 |
| caballos de fuerza | – | 430 mm × 320 mm × 200 mm | Acero inoxidable: 316L | >93 | 1200 | 50~100 |
| GE | – | – | Acero inoxidable: 316L | – | 一 | – |
| 3DEO | – | – | ES: 17-4 | 99 | – | – |
| Wuhan Yizhi | – | 500 mm × 450 mm × 400 mm | SS:316,420 | 95~99 | 600 | 50~200 |
Proceso y características
(1) Proceso
Al revisar el esquema abstracto de la patente 3DP del profesor Emanuel Sachs, como se muestra en la Figura 5-33, se presenta información importante: "...producir una capa de material en polvo adherido..." indica la creación de una capa de material en polvo adherido a través de una capa. Proceso de acumulación de capas utilizando material en polvo.
Surge la pregunta de cómo se le da forma al polvo: “…depositar un material aglutinante…” sugiere que, en lugar de usar un láser, se distribuye un material aglutinante en áreas seleccionadas de cada capa, uniendo el polvo para darle forma. El resumen también señala que el material puede “…procesarse más, por ejemplo calentándolo…” para aumentar su resistencia.
La Figura 5-34 ilustra el proceso 3DP, que se detalla a continuación:
① Preparación de datos. Obtenga un modelo tridimensional de la pieza y procéselo en cortes bidimensionales.
② Colocación de polvo. El polvo se almacena en una tolva o cilindro de alimentación, con dos métodos de aplicación: la tolva libera una cierta cantidad de polvo en el lecho de polvo desde arriba, conocido como método de alimentación, mientras que el cilindro de alimentación dispensa una cantidad preestablecida de polvo elevando el pistón de alimentación hasta una cierta altura, conocido como método de colocación de polvo, como se muestra en la Figura 5-34 (a) y (b).
Luego, un rodillo extiende y compacta el polvo a lo largo del área de formación del lecho de polvo.
③ Movimiento bidimensional. El archivo de comando controla el cabezal de impresión, cargado con aglutinante, para que se mueva en las direcciones X e Y, rociando el aglutinante para unir el polvo a la forma. Las zonas no pulverizadas quedan sueltas y sirven de soporte para las capas siguientes (para imprimir modelos en color se utilizan tres aglutinantes de colores primarios).
④ Movimiento en la dirección Z. El lecho de polvo desciende una capa en la dirección Z, el área de formación se rellena con una nueva capa de polvo y la capa de polvo se mantiene nivelada.
⑤ Unión entre capas. El cabezal de impresión se mueve bajo los nuevos comandos X e Y, rociando el aglutinante para unir la capa actual de polvo al formulario, mientras también se adhiere a la capa superior, logrando la unión entre capas.
⑥ Repita el proceso anterior hasta obtener la pieza tridimensional final.
El material en polvo no utilizado de la impresión 3DP, que no se precalienta ni se expone a la irradiación láser, se puede reciclar completamente para su reutilización, logrando teóricamente una tasa de utilización del material del 100%. Después de la impresión 3D, las piezas requieren un posprocesamiento adicional, que normalmente implica tres pasos:
Eliminación del exceso de polvo.
Como las piezas quedan completamente enterradas en polvo, es necesario eliminar el polvo residual de la superficie de la pieza en una guantera mediante cepillos, pistolas de aire comprimido, etc., para su reciclaje y reutilización en posteriores impresiones.
Aumento de fuerza.
Las piezas impresas en 3DP suelen contener numerosos poros y son comparativamente débiles, por lo que requieren un posprocesamiento para fortalecerlas. Para piezas impresas con materiales en polvo inorgánicos como el yeso, se seleccionan diferentes infiltrantes de curado instantáneo según el uso previsto para penetrar en las piezas.
Por ejemplo, los infiltrantes adecuados para modelos de color pueden mejorar la resistencia, el color y la estabilidad del color; los infiltrados binarios para modelos funcionales pueden aumentar significativamente la solidez del modelo; y se pueden utilizar infiltrantes respetuosos con el medio ambiente para impregnación o pulverización para aumentar la dureza y el módulo de la superficie.
Las piezas impresas con polvo metálico a menudo requieren pasos de posprocesamiento adicionales, como desengrasado, sinterización a alta temperatura, prensado isostático en caliente, infiltración de cobre o impregnación para aumentar la resistencia y densidad de la pieza.
Acabado de superficies.
Normalmente, se utiliza una combinación de chorro de arena, pulido, pintura y mecanizado para mejorar aún más la calidad y precisión de la superficie de la pieza, así como su suavidad y color.
(2) Características del proceso
El proceso 3DP tiene cinco ventajas notables:
Capacidad de impresión en color.
3DP puede realizar impresiones a todo color, expresando perfectamente la creatividad del diseño de productos a todo color, y se usa ampliamente en creatividad cultural, cine, animación y otros campos.
Amplia gama de materiales y piezas funcionales metálicas.
El proceso 3DP puede imprimir con prácticamente cualquier material en polvo, incluidos polvos metálicos, ampliando significativamente sus aplicaciones funcionales.
No hay necesidad de soportes.
El polvo no ligado sirve como soporte natural, eliminando la necesidad de soportes auxiliares adicionales, lo que significa una alta eficiencia de impresión y bajos costos de material durante el proceso de impresión.
Adecuado para la fabricación de estructuras complejas.
El proceso 3DP prácticamente no impone restricciones a la complejidad de las piezas, lo que permite la producción de diversas formas complejas, como piezas porosas, piezas huecas y piezas ajustadas. Es adecuado para el desarrollo de nuevos productos o para la producción de piezas individuales y lotes pequeños.
No requiere láser, bajo costo.
Por un lado, el proceso 3DP no utiliza láseres, lo que reduce los costos de operación y mantenimiento de los equipos; por otro lado, sus cabezales de granallado pueden realizar escaneo matricial en lugar de escaneo de puntos láser, lo que resulta en una alta eficiencia de impresión y un bajo costo.
Sin embargo, el proceso 3DP también tiene ciertas limitaciones y desventajas, como las siguientes:
Malas propiedades mecánicas de las piezas.
La resistencia y la tenacidad son relativamente bajas y generalmente solo son adecuadas para exhibidores de muestras o moldes de fundición (como moldes de arena). Las pruebas funcionales no son factibles y las piezas impresas en metal requieren sinterización e infiltración de cobre adicionales en un horno de sinterización para lograr la resistencia y densidad finales.
Menor calidad superficial.
Como las piezas se forman mediante unión de polvo, la superficie tiene una cierta textura granulada, lo que dificulta que las piezas impresas mediante técnicas de fotopolimerización queden lisas.
Almacenamiento ineficiente de materiales a granel.
Dado que se utiliza el almacenamiento en lecho de polvo y se considera la actividad superficial de los materiales en polvo, el almacenamiento de material a granel es grande y desafiante. El mecanismo de alimentación de la tolva, aunque supera en cierta medida los problemas de almacenamiento, no cambia el principio fundamental del almacenamiento en lecho de polvo.
