Tendencias en el desarrollo de la impresión 3D
(1) Aspecto de datos
La tecnología de impresión 3D es un proceso de fabricación digital, y las tendencias de desarrollo de datos se reflejan en dos áreas:
En primer lugar, la evolución de los métodos de estratificación. Las primeras técnicas de estratificación digital y la planificación de rutas determinan directamente la eficiencia y precisión de las estratificaciones físicas posteriores.
Actualmente, la impresión 3D emplea principalmente corte plano simple, pero universidades como la Universidad de Dayton y la Universidad de Stanford han llevado a cabo investigaciones sobre procesamiento de datos centrándose en métodos de capas, tratando de pasar del corte plano bidimensional tradicional al corte de superficie curva con forma. .
En China, este plan de investigación se incluyó en los “Grandes Proyectos Especiales sobre Fabricación Aditiva y Fabricación Láser” del Ministerio de Ciencia y Tecnología en 2018.
En segundo lugar, la diversificación de las fuentes de datos. Los modelos 3D para impresión se pueden obtener mediante modelado 3D o métodos de ingeniería inversa, incluso utilizando datos de tomografías computarizadas y cámaras digitales para reconstruir modelos, cada vez más utilizados en la impresión 3D. Sin embargo, existe cierta distorsión de los datos y se necesita más investigación.
(2) Aspecto Material
El avance de la impresión 3D depende cada vez más del desarrollo de materiales, con dos tendencias importantes:
En primer lugar, materiales de ingeniería de tejidos. Basado en biomateriales vasculares y cargados de células, la construcción de tejidos y órganos vivos es la dirección más crucial para el desarrollo de materiales de impresión 3D y el campo de aplicación más esperado.
En segundo lugar, materiales funcionales especiales. Los materiales con propiedades eléctricas y magnéticas específicas, como los superconductores y los medios de almacenamiento magnéticos, así como los materiales funcionales de gradiente, también son el foco de la investigación y el desarrollo de materiales en la impresión 3D y representan aplicaciones de vanguardia en el campo industrial.
(3) Aspecto Estructural
La estructura mecánica de las impresoras 3D también es fundamental, determinando la precisión, la eficiencia y la gama de aplicaciones, con dos importantes tendencias de desarrollo:
En primer lugar, el aumento de tamaño. La limitación del tamaño de impresión siempre ha sido un punto débil de los equipos de impresión 3D.
Aumentar el tamaño de la estructura mecánica de las impresoras 3D manteniendo la precisión puede aumentar la capacidad de fabricación general, evitar la segmentación del modelo para mejorar la eficiencia de la impresión y ampliar significativamente el campo de aplicación. Un análisis de las líneas de productos de las principales empresas en los últimos años revela una tendencia hacia mayores tamaños de producción.
Investigaciones más detalladas muestran que el tamaño máximo de impresión de varios tipos de impresoras 3D de estas empresas está restringido a 1 metro. Algunas empresas en China están intentando desarrollar impresoras a gran escala y ya han recibido respuestas favorables del mercado.
En segundo lugar, la integración con los métodos de producción tradicionales. Esto incluye una integración efectiva y profunda con métodos tradicionales como moldeo, fundición, forja y mecanizado electroquímico de precisión.
Los “Grandes Proyectos Especiales sobre Fabricación Aditiva y Fabricación Láser” del Ministerio de Ciencia y Tecnología en 2018 incluyeron estos proyectos de investigación, con el objetivo de promover el desarrollo habilitante de la impresión 3D en la industria manufacturera tradicional y ampliar las aplicaciones de la propia impresión 3D.
(4) Modelos de fabricación
En primer lugar, la aparición de modelos de “fabricación distribuida”. A medida que la impresión 3D se vuelve más asequible y tecnológicamente accesible, se encamina hacia una adopción generalizada, con el potencial de que cada hogar posea y utilice una impresora 3D, convirtiéndola en una herramienta y plataforma para la innovación social, el crowdfunding y el crowdsourcing. Esto está dando lugar a una nueva forma de comportamiento social y al advenimiento de la “fabricación distribuida”.
En esencia, la producción distribuida reinventa todo el proceso de producción, alterando profundamente la cadena de oferta y demanda, incluidos los patrones de consumo.
En segundo lugar, está surgiendo una filosofía de diseño que prioriza la función. La fabricación tradicional, limitada por la complejidad de las piezas, requería que los diseñadores consideraran la viabilidad y el coste. Sin embargo, el diseño de impresión 3D puede ignorar la complejidad del producto y centrarse únicamente en las funciones necesarias, lo que lleva a la creación de productos industriales antes inimaginables.
A medida que se acumulen, revolucionarán la producción, especialmente de componentes complejos y precisos en industrias como la aeroespacial, la construcción naval y la automotriz.
La filosofía de diseño de “función primero” para la impresión 3D amplía las posibilidades creativas e innovadoras para los diseñadores de productos, liberándolos de los procesos y recursos de fabricación tradicionales, y persigue la creación ilimitada bajo el paradigma de que “diseño es igual a producción” y “diseño es igual a producto”.
Por lo tanto, se pueden emplear diseños estructurales ideales sin preocuparse por los problemas de mecanizado, resolviendo desafíos de fabricación para componentes sofisticados, complejos y de precisión. Debido a la alta integración del diseño, la fabricación y el análisis digitales en la impresión 3D, esta filosofía también acorta significativamente el ciclo de desarrollo de nuevos productos y reduce los costos de I+D, permitiendo "diseñar hoy, producto mañana".
En tercer lugar, se promueve intensamente la “micro y nanofabricación”. A medida que las aplicaciones de la impresión 3D se extiendan desde la macro a la micro y nanofabricación, esta forma de fabricación desempeñará un papel importante. Actualmente, los procesos microelectrónicos utilizados para fabricar sensores requieren la producción de moldes y el procesamiento de obleas, lo que supone una inversión de miles de millones, si no decenas de miles de millones, de dólares para una línea de producción.
Para sensores personalizados que requieren sólo unos pocos cientos de unidades, una inversión inicial tan grande hace que la producción a pequeña escala sea inviable. La impresión 3D puede satisfacer plenamente las demandas de esta micro y nanofabricación. Investigadores de la Western University de Canadá han desarrollado un dispositivo implantable que monitoriza las condiciones cardíacas de los pacientes, fabricado mediante tecnología de impresión 3D.
Este sistema implantable inalámbrico integra un sensor de presión arterial y un monitor de presión cardiovascular (incluido un stent), con un volumen de apenas 2.475 cm³ y un peso de poco más de 4 gramos.
(5) Autoevolución
En el futuro, la impresión 3D evolucionará hacia la impresión 4D y 5D. Basados en la impresión 3D, estos métodos tienen en cuenta los cambios a lo largo del tiempo, lo que permite que los modelos alteren gradualmente su forma y función, dando lugar a lo que se conoce como impresión 4D y 5D.
En primer lugar, la impresión 4D permite que los modelos impresos cambien de forma con el tiempo. Normalmente, el modelo puede ser plano cuando se imprime, pero se deformará gradualmente bajo la influencia de la temperatura, los campos magnéticos y otros factores ambientales. Las ventajas incluyen la simplificación del proceso de impresión 3D y la fácil integración de modelos impresos en los dispositivos.
En segundo lugar, la impresión 5D permite que los modelos cambien tanto de función como de forma con el tiempo después de ser impresos. Los experimentos con huesos impresos en 5D ya han tenido éxito en animales. Si esta tecnología madura y se generaliza, su impacto social será mucho mayor que el de la producción inteligente, la impresión 3D o la impresión 4D.
(6) Perspectivas de solicitud
Está claro que la impresión 3D tiene un mayor potencial para aplicaciones totalmente personalizadas o de lotes pequeños.
En primer lugar, el campo de la biomedicina es un excelente ejemplo de aplicaciones personalizadas. En 2016, la Guía para promover el desarrollo saludable de la industria farmacéutica emitida por la Secretaría General del Consejo de Estado destacó la necesidad de promover la aplicación de tecnologías de bioimpresión y chips de datos en productos implantables.
El “Decimotercer Plan Quinquenal” para el Desarrollo Estratégico Nacional de Industrias Emergentes, publicado por el Consejo de Estado, destacó el uso de la fabricación aditiva (impresión 3D) y otras nuevas tecnologías para acelerar la innovación y la industrialización en la reparación de tejidos y órganos, así como como en la medicina implantable. dispositivos.
El 9 de febrero de 2021, el Ministerio de Industria y Tecnología de la Información emitió un borrador del Plan de Desarrollo de la Industria de Equipos Médicos (2021-2025), que fomenta el desarrollo de nuevos productos de “Impresión 3D + Atención Médica”. Aboga por el avance de la personalización personalizada en dispositivos médicos, equipos de rehabilitación, implantes y reparación de tejidos blandos y enfatiza la aplicación de la tecnología de impresión 3D en diversos sectores.
El plan también exige la aplicación de materiales avanzados y tecnologías de impresión 3D para mejorar la biocompatibilidad y las propiedades mecánicas de productos como stents vasculares, implantes ortopédicos e implantes dentales.
Apoya la colaboración entre industrias, integrando equipos médicos tradicionales con nuevas tecnologías como 5G, inteligencia artificial, Internet industrial, computación en la nube e impresión 3D para promover el desarrollo de equipos médicos inteligentes originales y promover servicios médicos y de atención médica inteligentes en la nube.
Esto muestra que desde la perspectiva de la política nacional, “Impresión 3D + Medicina” es un tema de investigación importante en los últimos años, que ha recibido atención y apoyo significativos y demuestra un inmenso potencial de desarrollo. También refleja el compromiso de China con la salud y el bienestar de su pueblo.
En segundo lugar, la industria aeroespacial representa una producción de pequeños lotes. Los componentes aeroespaciales normalmente se producen en cantidades más pequeñas que los productos comerciales y tienden a tener estructuras complejas hechas de aleaciones costosas, de alta resistencia y difíciles de procesar.
Claramente, la impresión 3D está preparada para tener un impacto considerable en este sector. Tanto a nivel nacional como internacional, existen grandes expectativas puestas en la impresión 3D en estos dos campos, como lo demuestra claramente el plan de investigación “Principales Proyectos Especiales de Fabricación Aditiva y Fabricación Láser” implementado durante el periodo del “XIII Plan Quinquenal”.
(7) Ciencia fundamental
Claramente, basándose en los principios básicos de la fabricación aditiva, la investigación teórica fundamental continúa impulsando el desarrollo de la tecnología de impresión 3D. Las siguientes cinco áreas científicas están atrayendo gradualmente una amplia atención por parte de los académicos, tanto a nivel nacional como internacional.
El primero es el estudio de la solidificación fuerte sin equilibrio en la conformación de metales. El tiempo de interacción entre el material y la fuente de energía es extremadamente corto durante el proceso de impresión 3D, lo que lleva a ciclos instantáneos de fusión-solidificación.
Para los materiales metálicos, tales mecanismos de solidificación en desequilibrio no pueden explicarse completamente mediante las teorías tradicionales de solidificación en equilibrio; por lo tanto, establecer una teoría de solidificación metálica en condiciones fuertes de desequilibrio es una cuestión científica importante que debe abordarse en el campo de la impresión 3D.
En segundo lugar está el desarrollo de nuevos mecanismos para la impresión 3D en condiciones extremas. A medida que continúa creciendo la urgente necesidad de la humanidad de explorar el espacio exterior, la tecnología de impresión 3D se aplica cada vez más en el campo de la exploración espacial.
Incluso existe el deseo de lograr la impresión 3D in situ en el espacio exterior, por lo que es especialmente importante estudiar los mecanismos de la impresión 3D en condiciones tan extremas y la vida útil y los mecanismos de falla de los componentes en estos entornos de servicio.
El tercero es el mecanismo para imprimir estructuras y materiales degradados en 3D. La impresión 3D es una tecnología de fabricación que integra estructura y función, lo que permite cambios continuos de gradiente en la composición del material y la combinación de múltiples estructuras dentro del mismo componente. La realización de tales proyectos plantea desafíos para la mecánica de materiales y la mecánica estructural.
Cuarto, la impresión 3D personalizada de tejidos y órganos y los principios de regeneración funcional. Ya sea para mantener la vitalidad de las entidades vivientes durante el proceso de fabricación o para estudiar los mecanismos para recrear las funciones de los órganos durante su uso, esta investigación aún está en sus inicios y requiere los esfuerzos colectivos de expertos y académicos de múltiples disciplinas y campos.
Quinto, los mecanismos de control de la impresión 3D integraron forma y propiedad. La impresión 3D está pasando de la fabricación con forma controlada a la fabricación integrada con formas y propiedades controladas. Por ejemplo, al imprimir piezas metálicas, no solo se puede imprimir la forma de las piezas, sino que las complejas estructuras internas se pueden controlar con alta precisión y resistencia, acercándose o superando a las piezas forjadas.
En el futuro, la impresión de palas para motores de aviones podría dar lugar a la formación de cristales en forma de columnas, que se apilan en una dirección predeterminada por los diseñadores, dando como resultado un producto final con un rendimiento general superior en comparación con el forjado.
En resumen, se espera que el papel futuro de la impresión 3D experimente cambios significativos, evolucionando de una forma complementaria en la producción a una columna vertebral de la producción inteligente. Redefinirá los procesos de fabricación, impulsando a los profesionales a reevaluar las prácticas existentes en el campo con una mentalidad de impresión 3D.
Si bien el volumen de piezas producidas mediante la impresión 3D puede no igualar al de la fabricación de moldes y el mecanizado CNC, el valor que crea puede superar con creces estos métodos tradicionales. Por tanto, las tendencias y perspectivas de aplicación de la impresión 3D son muy prometedoras.
