Fabricación Aditiva

TRABAJO EN EQUIPO DE TECNOLOGÍAS DE FABRICACIÓN Fabricación Aditiva Additive Manufacturing Autores: Zamora Jiménez, Antonio Zamora López, Miguel Villena Moreno, Manuel Ortiz Córdoba, Rubén

Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA INDUSTRIAL Curso Académico 2015/2016

Cartagena, Diciembre de 2015

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Contenido ..................................................................................................................................... 7 Resumen. ......................................................................................................................................

Abstract. ....................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... 7 1.

.................................................................................... ...................... 7 Introducción. Fabricación aditiva. ..............................................................

2.

............................................................................................................................. ....................................................... 9 Objetivos. ......................................................................

3.

........................................................................................................................ ....................................................... 9 Metodología. .................................................................

4.

................................................................................................................... 9 Estado del arte. ....................................................................................................................

5.

Ventajas y limitaciones de la fabricación aditiva. .......................................................... 10

6.

...................................................................................................... .......................................... 11 Sectores de aplicación. ............................................................

7.

Procesos de fabricación aditiva basados en tecnología láser. ........................................ 11 7.1.

7.1.1.

Descri Descri pción del proceso. proceso. ..................................................................................... .................................................................................... 11

7.1.2.

Car acterísticas de las pie pi ezas f abri abr i cadas, cadas, ventaj as del del proces pr oceso o y apl i caciones caci ones.. 13

7.1.3.

M ateri ateri ales util izados izados..  .......................................................................................... ......................................................................................... 14

7.1.4.

Al gunos gun os ejemplos ejemplos de piezas piezas produci das por por SLS:  ............................................. 14

7.2.

Descri Descri pción del proceso. proceso. ..................................................................................... .................................................................................... 16

7.2.2.

Post-tr atami ento y acabado de l as piezas. piezas. ......................................................... 17

7.2.3.

Car acterísticas de las pie pi ezas f abri abr i cadas, cadas, ventaj as del del proces pr oceso o y apl i caciones caci ones.. 18

7.2.4.

M ater ater ial es uti li zados zados y ejemplos ejemplos de pieza piezass produci das. das. ..................................... 18

Sinterizado directo de metal por laser (Direct Metal Laser Sintering, DMLS). . 22

7.3.1.

Car acterísticas de las pie pi ezas f abri abr i cadas, cadas, ventaj as del del proces pr oceso o y apl i caciones caci ones.. 23

7.3.2.

M ateri ateri ales. ales. ............................................................... .......................................................................................................... ........................................... 24

7.3.3.

Gu ía de di señ o.  ................................................................................................... 24

7.3.4.

Acabado Acabado y pul ido.  ............................................................................................... 26

Procesos de fabricación aditiva basados en la extrusión. .............................................. 26 8.1.

9.

Estereolitografía (Stereolithography, SLA). ........................................................... 16

7.2.1.

7.3.

8.

......................... 11 Sinterizado selectivo por láser (Selective Laser Sintering, SLS). ..........................

Modelado por deposición fundida (Fused Deposition Modelling, FDM). ............ 26

8.1.1.

Descri Descri pción del proceso. proceso. ..................................................................................... .................................................................................... 26

8.1.2.

M ateri ateri ales y maqui maqui nari a util izados izados.. .......................................................... ................................................................... ......... 29

8.1.3.

Ventaj as y desv desve entaj as del del F DM .  ....................................................................... ...................................................................... 31

8.1.4.

A pli pl i cacion es y piezas piezas obteni das. ........................................................................ 32

Procesos de fabricación aditiva basados en la tecnología de haz de electrones. .......... 33 9.1.

Electron Beam Melting (EBM) o “Haz de ele ctrones”........................................... ctrones”........................................... 33

9.1.1.

Descri Descri pción del proceso. proceso. ..................................................................................... .................................................................................... 33

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9.1.2.

Car acterísticas de las pie pi ezas f abri abr i cadas, cadas, ventaj as del del proces pr oceso o y apl i caciones caci ones.. 34

9.1.3.

M ater ater ial es uti li zados zados y ejemplos ejemplos de pieza piezass produci das. das. ..................................... 35

Bibliografía. .............................................................. ............................................................................................................................... ................................................................. 36

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Resumen. La fabricación aditiva (AM) es un novedoso proceso de fabricación que permite realizar geometrías muy complejas. Consiste en, a partir de un archivo de datos digital en 3D (CAD) construir un objeto sólido mediante la unión precisa de partículas, ya sea mediante láminas, hilos, o fusión de polvo o líquido, capa a capa y de forma continua hasta concluir con una pieza tridimensional. A lo largo de este documento se tratará de explicar las ventajas de éste proceso respecto a otros más tradicionales, abarcando las propiedades, características de las  piezas obtenidas y materiales empleados, así como los sectores de en los que este tipo de procesos son aplicables. Por último, debido al rápido crecimiento que está experimentando este tipo de  procesos, son muchas las distintas tecnologías existentes, así que trataremos de numerar la mayoría de ellas y centrarnos en las que están teniendo un éxito mayor.

Abstract. Additive Manufacturing (AM) is a newflanged manufacturing process that allows to make complex geometries. It consists in, starting with a 3D digital database (CAD) to  build a solid object by accurate particle binding, either from sheets, wire, or liquid or  powder melting, layer by layer and continuously till the end of the manufacturing of the tridimentional piece. Thoughout this document we will try to explain the adventages of these type of  process over other traditional process, covering about the properties and characteristic of obtained pieces, materials used and the sectors where these type of process are applicable. Finally, due to fast grow that these type of process are sustaining, there have appeared a lot of technologies, so we will try to number the majority of then and to center into the technologies that they are being more successful.

1. Introducción. Fabricación aditiva. La fabricación aditiva (o AM, Additive Manufacturing) abarca un conjunto de  procesos de fabricación que se basan en la unión de materiales para realizar objetos a  partir de modelos en tres dimensiones, normalmente, agregando o transformando el material capa a capa. Las tecnologías que permiten fabricar piezas mediante este principio son muy diversas y se muestran en el esquema que hay a continuación.

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Figura 1.1. Esquema de las diferentes tecnologías de fabricación aditiva, según el material utilizado en el  proceso.

Tecnologías de Fabricación Aditiva, por Dr. Guillermo Reyes Pozo, Asociación de Ingenieros de Cataluña.

Debido al gran abanico de tecnologías existentes, van a exponerse en éste documento aquellas que han resultado ser las más exitosas, agrupándolas según la tecnología en la que se basen. En las páginas siguientes se explicarán los fundamentos de éstas tecnologías, así como los materiales que presentan, ventajas frente a otros procesos convencionales o de la misma naturaleza y las características y aplicaciones de las piezas obtenidas. Las tecnologías en las que se ha basado la realización del documento, agrupadas según la tecnología en la que se basan así como el tipo de material que utilizan vienen  presentadas en el siguiente cuadro.

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Figura 1.2. Tabla con las tecnologías de fabricación aditivas más exitosas que han sido analizadas en el  presente documento.

Tecnología empleada

Material según su forma. Polvos  (semiSólidos (amorfo, Líquido cristalinos, (generalmente láminas o hilo)  plásticos, metálicos resinas) y cerámicos) Tecnología láser Sinterizado selectivo por láser (SLS) Estereolitografía (SLA) Sinterizado directo de metal por láser (DMLS) Haz de electrones Haz de electrones Extrusión Modelado por deposición fundida A partir de aquí, desarrollaremos cada una de ellas.

2. Objetivos. Centrándonos en las tecnologías de fabricación con más proyección y éxito, explicaremos sus ventajas, fundamentos y las aplicaciones de las piezas obtenidas, así como sus características más relevantes.

3. Metodología. El método empleado ha consistido en un trabajo de búsqueda de información. Primero se han tratado de agrupar la totalidad de procesos de fabricación aditiva existentes, seleccionando después aquellos que han sido más exitosos, de los cuáles se ha realizado un estudio, no muy en profundidad, pero que busca aclarar las características propias de cada uno de éstos procesos, así como localizar las aplicaciones más destacables de las piezas fabricadas por ellos. Para ello se ha buscado información en webs especializadas y de fabricantes de materiales y sistemas de procesos de tecnología aditiva.

4. Estado del arte. Desde principios de los ’90, se está llevando a cabo una transición tecnológica

hacia lo digital, tanto a nivel personal como profesional o industrial. Las máquinas de control numérico están a la orden del día y los profesos automatizados van desplazando a los manuales. Sistemas de Diseño Asistido por

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Ordenador (CAD), Fabricación Asistida por Ordenador (CAM), empleo de robots y autómatas, inspección sensorizada o la simulación de procesos mediante software son algunos ejemplos de lo que se puede encontrar hoy en día en la factoría. Son estos avances en software y tecnología computacional los que permiten  procesos como la fabricación aditiva. Las técnicas de aplicación de la fabricación aditiva son muy variadas y permiten la obtención de piezas a partir de un archivo de datos digital (CAD), imprimiendo el contenido de forma controlada sobre una superficie, originando el concepto de Impresora 3D.

5. Ventajas y limitaciones de la fabricación aditiva. Las características distintivas de los procesos de fabricación aditiva frente a  procesos tradicionales de fabricación industrial son la complejidad geométrica y la  personificación y versatilidad del proceso de diseño y desarrollo del producto. Debido a sus características únicas y su gran abanico de tecnologías disponibles, los procesos de fabricación aditiva presentan un gran número de ventajas. 

       

Complejidad geométrica y fácil personalización del diseño, ya empezadas las fases del proyecto. Libertad creativa. Adaptación al mercado. Acceso a nuevos nichos de mercado. Posibilidad de fabricación con mecanismos integrados. Reducción de peso y posibilidad de aligerar productos. Reducción de los tiempos de fabricación y mercado. Reducción de costes de procesos intermedios. Posibilidad de efectuar procesos híbridos (versatilidad).

Sin embargo, como todo proceso tiene una limitaciones, en este caso muy marcadas por ser un sector novedoso y con poca experiencia.        



Tecnologías en desarrollo.  Necesidad de procesos periféricos y auxiliares (acabados, sinterizados, etc.). Desconocimiento de los diseñadores industriales. Disponibilidad y coste de la materia prima. Acabado superficial en el mismo proceso de fabricación aditiva. Baja velocidad de fabricación. Calidad del producto y repetibilidad del proceso. Tamaño limitado de piezas, que es función del tiempo de trabajo y del espacio necesario que permite el equipo. Coste de la maquinaria. Página 10

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Existe también una ventaja significativa, que es la posibilidad de permitir que, de forma individual, se pueda fabricar piezas sólidas en 3D mediante procesos de fabricación aditiva de forma sencilla gracias a las características del profeso de trabajar de forma automática a partir de un archivo CAD.

6. Sectores de aplicación. Los distintos sectores de aplicación se detallarán más a delante en función del  proceso de tecnología aditiva empleado, pero podemos generalizar y destacar algunos. La necesidad de piezas únicas en el sector médico sanitario, como la fabricación de piezas dentales o implantes personalizados adaptados a las circunstancias de cada cliente es uno de los grandes beneficiados con la aparición de éste tipo de procesos de fabricación. La necesidad de uso de geometrías complejas y ligeras así como la exigencia del sector aeronáutico hacen que la tecnología aditiva aporte resultados óptimos. Otros sectores industriales también se ven favorecidos, sobre todo por la facilidad de fabricación de modelos para moldes o prototipos funcionales mediante fabricación aditiva.

7. Procesos de fabricación aditiva basados en tecnología láser. Agrupamos aquí el sinterizado selectivo por laser (SLS), estereolitografía (SLA) y el sinterizado directo de metal por láser (DMLS).

7.1. Sinterizado selectivo por láser (Selective Laser Sintering, SLS). 7.1.1. Descripción del pr oceso.

Se trata de un proceso de fabricación aditiva en la cual los componentes son fabricados mediante un proceso de estratificación por capas, basándose en un diseño digital previo en 3D. Figura 7.1. Esquematizado del proceso de fabricación por sinterizado láser.

© Copyright - FORMRISE GmbH.

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La fabricación de objetos mediante SLS requiere el uso de un láser de alta  potencia (como puede ser un láser de CO 2) capaz de fundir el material presentado en finas partículas de polvo. El láser traza el patrón de cada una de las secciones transversales de forma selectiva, de forma que va soldando las pequeñas partículas de polvo, generándose el objeto tridimensional. Cuando el láser termina de trazar una capa, se añade una nueva y se repite el proceso de trazado. Figura 7.2. Esquema del proceso de SLS.

Antigua página web de la Universidad de Valladolid.

Todo este proceso se realiza en una cubeta de polvo que desciende cada vez que se termina de trazar cada una de las capas, una altura equivalente al espesor de la capa realizada previamente. Esto se lleva a cabo una y otra vez hasta que la construcción de la pieza finaliza. El espesor de las capas es del orden de 100 µm. Si el material utilizado es metálico o cerámico es necesario realizar un recubrimiento previo al sinterizado. Al terminar el proceso, la pieza queda oculta bajo todas las capas de polvo. Este debe ser retirado y la pieza debe ser limpiada. Página 12

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Figura 7.3. Limpieza final de una pieza obtenida mediante SLS.

Izquierda: “http://www.cimindustry.com/article/canada/speed -to-market-one-layer-at-a-time” Derecha: “http://www.materialise.com/bl og/3d-modeling-shaping-fashion-melinda-looi-samuel-canning/”

Por último se lleva a cabo el sinterizado de la pieza, en el cual se reduce la  porosidad y se aumenta la densidad final. 7.1.2. Car acterísti cas de las piezas fabr icadas, ventaj as del proceso y aplicaciones.

El sinterizado láser se utiliza para obtener piezas con un alto grado de funcionalidad, permitiendo crear geometrías que con otras tecnologías sería imposible, ahorrando tiempos y costes en el montaje, evitando zonas estructuralmente críticas en  juntas y soldaduras y problemas con tolerancias dimensionales. Las piezas producidas mediante esta tecnología destacan por su alta durabilidad,  pudiéndose fabricar piezas de mayor robustez que las producidas en otros métodos tradicionales como puede ser moldeo por inyección, siendo muy utilizadas en aplicaciones automovilísticas , aeroespaciales, prototipos y modelos para moldes. Como la pieza que se va fabricando queda enterrada en el polvo, no se necesitan soportes de construcción ni post-tratamiento, Otra gran ventaja de ésta tecnología es que las piezas resisten muy bien a la humedad, así que éstas o sus diseños pueden ser almacenados y transportados de forma sencilla y barata, estando listos para su uso cuando se necesite. Las temperaturas soportadas por las piezas producidas son algo mayores que las obtenidas por otros procesos similares como puede ser la estereolitografía (SL o SLA) y las propiedades mecánicas de la pieza son similares al del material inicial. Uno de los principales inconvenientes del SLS es el desperdicio de material, pero sin embargo, el rango de materiales utilizables es mayor que el de otros procesos de fabricación aditiva.

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7.1.3. M ater ial es uti li zados.

Este tipo de impresoras permite el procesado de polímeros, metales y cerámicos. Algunos equipos SLS utilizan polvos formados por un único componente, sin embargo, lo más habitual es el uso de polvos formados por dos componentes distintos, en forma de polvo recubierto o mezcla de polvos. Pueden producirse piezas a partir de un alto rango de materiales de polvo, entre los que se incluyen polímeros como el nailon (puro o con fibras de vidrio u otras fibras), poliestireno o metales tales como aluminio, aleaciones cromo-cobalto-molibdeno, bronces, aceros, titanio y niquel. Durante el proceso de soldadura de las partículas mediante el láser se puede llevar a cabo un fundido completo, parcial o sinterizado en fase líquida. Dependiendo del material que componen los polvos se pueden obtener piezas con la misma densidad que la del material inicial, consiguiéndose así propiedades mecánicas comparables a las obtenidas mediante otros métodos tradicionales de fabricación. 7.1.4. Al gun os ejempl os de piezas produci das por SLS: Figura 7.4. Ramificación de un conducto construido por SLS.

Fuente:” http://www.additive -3d.fr/frittage-laser-selectif.html”

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Figura 7.5. Piezas de ajedrez producidas mediante SLS.

Fuente: http://shapeforger.com/technology/ Figura 7.6. Prótesis robóticas cuyos componentes han sido fabricados mediante SLS.

©Copyright –  3D Systems y Ekso Bionics. Fuente: http://www.3dsystems.com/learning-center/case-studies/3d-systems-and-ekso-bionics-help-manand-machine-walk-one

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7.2. Estereolitografía (Stereolithography, SLA). 7.2.1. Descripción del pr oceso.

El proceso se basa en el principio de foto-polimerización, por el cual un material resinoso forma cadenas de polímeros al incidirle un haz de luz. Los factores que pueden afectar a la polimerización son la intensidad de la luz, la longitud de onda y el tiempo de exposición. De esta forma se pueden fabricar modelos en resinas acrílicas o epóxicas y en ABS (acrilonitrilo butadieno estireno, que es un termoplástico amorfo muy resistente a los golpes). Las piezas que se obtienen pueden ser de tallas y geometrías muy diversas y complejas y con una gran precisión. Al igual que la tecnología SLS, la impresora funciona mediante control numérico a partir de un archivo digital en 3D obtenido mediante un software de diseño o escaneo 3D. El archivo es transmitido a la máquina y esta lo subdivide en varios cortes de un espesor fijo. Figura 7.7. Esquema del proceso de estereolitografía.

http://www.solidsmack.com/fabrication/stereolithogrphy-110-micron-old-world-laboratories-nano-3d printer/

En la imagen puede verse como el laser queda fijo y a partir de un espejo giratorio de alta precisión se controla la posición del haz de luz. El haz de luz utilizado es un láser de luz ultravioleta. El material en estado líquido se encuentra depositado en una  bañera. Cuando el haz de luz traza sobre la superficie de la resina, en función del modelo 3D, la capa de material solidifica y la plataforma móvil se desplaza hacia abajo una profundidad igual al espesor de la capa siguiente para que el láser trace sobre ella una segunda capa. El proceso se repite una y otra vez tantas veces como capas sean necesarias hasta que se obtiene la pieza, que es finalmente emergida del líquido por la  plataforma. Página 16

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7.2.2. Post-tr atami ento y acabado de l as piezas.

Debido a que la solidificación del material ocurre por polimerización (a diferencia de tecnologías como SLS que parten de material en estado sólido en el que se efectúan microsoldaduras de las partículas de polvo), es necesario un post-tratamiento para conseguir que el proceso de polimerización se realice de forma completa y se optimice la resistencia de la pieza. Los tipos de finalizado que se pueden dar a las piezas son los siguientes: Tipo de acabado Estándar

Descripción Retirada de soportes Pulido con arena de grano 220-320 Retirada de soportes

Brillante

Pulido con arena de grano 220-320 Sellar con “Clear Coat”. Retirada de soportes

Imprimado

Pulido con arena de grano 320 Retirada ~100% de marcas externas Aplicar capas múltiples de imprimado Retirada de soportes

Pintado

Pulido con arena de grano 440 Retirada ~100% de marcas externas Imprimado, uso de masilla y pintado Retirada de soportes

QuickClear

Pulido con arena de grano 223-320 Sellar con “Clear Coat” Retirada de soportes

WaterClear

Pulido con arena de grano 420 Retirada ~100% de marcas internas y externas Sellar con “Clear Coat”

Retirada de soportes  Niquelado

Pulido con arena de grano 320 Retirada ~100% de líneas externas Galvanizado con revestimiento de cobre

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Galvanizado con revestimiento de níquel 7.2.3. Car acterísti cas de las piezas fabr icadas, ventaj as del proceso y aplicaciones.

En este caso, a diferencia del SLS, se necesitan unos soportes para la pieza, que son construidos durante el mismo proceso junto a la pieza final. Por ello la dificultad de ésta tecnología es mayor que la tecnología SLS pero sin embargo, que el láser se trate simplemente de luz ultravioleta y que la solidificación se produzca por polimerización es una ventaja ya que, a diferencia del SLS en el cual el láser producía microsoldaduras, en SLA no se aplica calor, de forma que no hay dilataciones ni contracciones, trabajándose a una temperatura ambiental y consiguiéndose mayor precisión en el  proceso. Entre las ventajas del SLA frente al SLS se encuentra la velocidad del proceso de fabricación y la eficiencia, ya que no se desperdicia material (exceptuando el material necesario para los soportes). Figura 7.8. Pieza imprimida con los soportes sin retirar.

https://www.3dhubs.com/milan/hubs/3d-creation 7.2.4. M ateri ales utilizados y ejemplos de piezas producidas.

El SLA trabaja con resinas en estado líquido. Entre los materiales más utilizados se encuentran:

Accura 25: Simula las propiedades y estética del polipropileno, teniendo un color  blanco y una alta flexibilidad y retención de la forma, así como una alta resolución y  precisión. Recomendado para componentes funcionales en ensamblajes y modelos para automoción, componentes electrónicos o piezas con encajes (tapicería, salpicadero y Página 18

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componentes de automóviles, componentes de electrónica de consumo, juguetes, modelos para moldes que trabajen con silicona). Figura 7.9. Pieza de Accura 25 obtenida mediante SLA.

http://www.ideosprint.com/sp/materials/materiales-sla/

Accura 55: Presenta un acabado color blanco. Resistente y rígido, con una alta  precisión con mínima distorsión. Su uso está en componentes internos para automoción, componentes electrónicos y prototipos resistentes y rígidos. Figura 7.10. Carcasa de un taladro doméstico realizado en Accura 55 mediante SLA.

http://www.ideosprint.com/sp/materials/materiales-sla/

Accura 60: Su principal característica es su acabado transparente. Es un material resistente y rígido recomendado para instrumentación médica o utensilios de laboratorio (visualización de fluidos o modelos electrónicos).

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Figura 7.11. Piezas fabricadas en Accura 60 mediante SLA.

http://www.additive-3d.es/estereolitografia.html

Accura Xtreme: Material adecuado para conjuntos funcionales que deben resistir a ambientes hostiles como son las fijaciones a presión y modelos maestros para moldeo en vacío o que necesiten una tenacidad excepcional como piezas de automoción, taladros, grifos y mecanismos para atornillar. Para ello presentan una gran elongación hasta la rotura y alta resistencia al impacto. Las piezas fabricadas mediante SLA con este material presentan un aspecto de pieza moldeada por inyección. Figura 7.12. Fabricado en Accura Xtreme mediante SLA.

http://www.additive-3d.es/estereolitografia.html

Accura ClearVue: Plástico transparente y duradero. Es completamente transparente con total ausencia de color, sin embargo en las zonas en las que se han tenido que seccionar los soportes se pierde la transparencia, pero puede recuperarse con los acabados superficiales adecuados. Es muy resistente a la humedad y es utilizado  para piezas que necesitan una gran transparencia como pueden ser faros y lentes, sistemas para visualizar flujos de fluidos y dispositivos médicos.

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Figura 7.13. Fabricado en Accura Xtreme mediante SLA.

http://www.additive-3d.es/estereolitografia.html

Accura CastPro: Se utiliza como modelo perdido para la realización de moldes de fundición, de forma que se obtienen moldes precisos, siendo compatible con la mayoría de metales. Entre sus características se encuentran una baja viscosidad y una  baja dilatación térmica. Figura 7.14. Modelos para obtener moldes de fundición fabricados con Accura CastPro mediante SLA.

http://www.additive-3d.es/estereolitografia.html

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7.3. Sinterizado directo de metal por laser (Direct Metal Laser Sintering, DMLS). Descripción del proceso. Mientras que el proceso de SLS utiliza como material de base el polvo plástico, cerámico o de vidrio, el DMLS utiliza polvo metálico. Al igual que cualquier otra técnica de impresión 3D (como hemos visto en la tecnología SLS y SLA), la concepción de la pieza comienza con la creación de un modelo 3D con la ayuda de un software de diseño o de escaneado. Posteriormente, el software de la impresora divide el diseño en múltiples capas de espesor fijo. En este caso, el espesor de la capa varía entre 20 y 100 micrómetros. Figura 7.15. Esquema de un proceso de fabricación DMLS.

http://www.3dnatives.com/es/sinterizado-directo-de-metal-por-laser-les-explicamos-todo/

El proceso de impresión capa a capa es similar al SLS, pero con ciertas diferencias además del material empleado. La plataforma donde se realiza la impresión se compone de dos recipientes separados, en el que en cada uno de ellos se localiza un pistón. El primero (izquierda en la figura) se encuentra lleno de polvo metálico, mientras que el segundo (derecha en la figura), se encuentra vacío. Mientras que el pistón izquierdo asciende una longitud igual

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al espesor de capa añadido en cada pasada, el pistón derecho, desciende la misma longitud. La capa de polvo pasa del recipiente izquierdo al derecho mediante un barrido del  brazo de la máquina. El láser empleado se trata de un láser de fibra óptica de alta potencia (de 200 a 400 W) capaz de fusionar el polvo metálico. Una vez que el material está consolidado, se aplica una segunda capa y se repite sucesivamente hasta que se completa la fabricación de la pieza. 7.3.1. Car acterísti cas de las piezas fabr icadas, ventajas del pr oceso y aplicaciones.

La resistencia de las piezas obtenidas hoy en día es comparable a la de las técnicas de fundición o mecanizado. Esta tecnología es muy utilizada en la industria aeroespacial, automovilística y médica (implantes dentales) y de forma general para el prototipado y la fabricación de herramientas. Figura 7.16. Propulsores de sistemas de despegue de cohetes fabricado mediante DMLS por la NASA.

https://www.stratasysdirect.com/case-studies/nasa-sls-propulsion-program/

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Figura 7.17 Prótesis dentales fabricadas mediante DMLS.

http://www.ipmd.net/news/002111.html

Por poner un ejemplo, en la industria médica. Mientras que en un día se pueden realizar 20 piezas dentales mediante procesos de fundición, con la tecnología DMLS  pueden realizarse cerca de 450, consiguiendo propiedades equivalentes a las de una fundición, con piezas que poseen una densidad del 99,5% de la del material empleado. Además las propiedades de las piezas obtenidas mediante DMLS pueden superar las de las piezas obtenidas por fundición, pero sin embargo, son un 5-10% peores a las de los  procesos de corte. 7.3.2. Materiales.

Se utilizan materiales metálicos como el acero, el cobalto-cromo, el aluminio, el titanio e incluso el inconel (superaleaciones base níquel). 7.3.3. Guía de diseñ o.

Durante el proceso, las piezas se encuentran fijas a una placa mediante estructuras de soporte (al igual que en el proceso SLA para material plástico). Una vez completado, se retiran los soportes y la pieza se separa. Para optimizar el proceso y los resultados en cuanto a costes se recomienda seguir una guía de procedimientos. Algunos de éstos son los siguientes: Cuando los salientes de las piezas tienen un ángulo mayor de 35º, pueden ser fabricadas sin requerir ningún tipo de estructura de soporte. Teniendo en cuenta que, cuando las estructuras de soporte sean necesarias, éstas deben estar colocadas de forma que sean fácilmente accesibles para facilitar las tareas de retirada de las mismas.

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Figura 7.18. Los salientes con ángulos por encima de 35º pueden fabricarse sin estructuras de soporte

https://www.stratasysdirect.com/resources/direct-metal-laser-sintering-dmls/

Si trabajamos con DMLS, solo las geometrías relevantes deben ser construidas y debemos evitar trabajar con grandes volúmenes. Figura 7.19. Izquierda: Diseño Original de la pieza. Derecha: Pieza optimizada para reducir tiempos de trabajo.

https://www.stratasysdirect.com/resources/direct-metal-laser-sintering-dmls/

El número de capas necesarias (que es función del volumen de la pieza) es lo que determina los tiempos y costes del proceso y no la complejidad en la geometría. Figura 7.20. Izquierda: Diseño desfavorable. Derecha: Geometría optimizada.

https://www.stratasysdirect.com/resources/direct-metal-laser-sintering-dmls/

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7.3.4. Acabado y pulido.

Las piezas fabricadas con DMLS tienen un acabado superficial muy tosco, además de la necesidad de retirar los soportes, de forma que son necesarias las operaciones de acabado y pulido. Mediante el acabado a mano se retiran los soportes y se pulen algunas de las líneas de unión entre capas. Este procedimiento es el acabado básico que debe realizarse en toda pieza fabricada por tecnología DMLS, pudiendo realizarse luego acabados de mayor calidad.

8. Procesos de fabricación aditiva basados en la extrusión. Se encuadra el modelado por deposición fundida (FDM).

8.1. Modelado por deposición fundida (Fused Deposition Modelling, FDM). 8.1.1. Descripción del pr oceso. Figura 8.1. Proceso de fabricación de una pieza mediante FDM.

http://www.eis.uva.es/~macromol/curso13-14/impresoras3D/MDF.html

Esta tecnología está ideada para el modelado de prototipos y producción a  pequeña escala. El material utilizado se presenta en forma de filamento plástico o metálico que se almacena en rollos. Éste es introducido en una boquilla y sale mediante un proceso de extrusión. El proceso comienza con un modelo digital en 3D y se calculan las trayectorias que deberá seguir la boquilla para depositar el material. Los diámetros de boquillas mas comunes para la impresión de termoplásticos son 0,4, 0,35, 0,3 mm, encontrándose ésta

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a una temperatura de 0,5 a 1ºC por encima de la temperatura de fusión del material,  pudiéndose desplazándose en tres ejes. y se trabaja con una altura de capa de entre 0,1 y 0,5 mm. Estos dos últimos parámetros también influyen el tiempo que tardara en realizar la impresión ya que disminuir el diámetro de la boquilla o reducir la altura de capa significa más tiempo de impresión. La boquilla es desplazada mediante motores  paso a paso o servomotores. Figura 8.2. Boquilla en detalle y en funcionamiento.

La pieza es construida en una cámara que se encuentra a una temperatura inferior a la temperatura de fusión del material empleado para que los hilos de material solidifiquen inmediatamente al salir de la boquilla y adherirse a la capa de abajo. Si fuesen necesarias, se podrían generar estructuras de soporte mediante un carrete de material adicional. Tras finalizar la construcción de la pieza, estos soportes serán retirados. El grosor de la capa indica la calidad de la pieza final pero también exige una mayor dificultad al proceso. La aplicación de las capas sucede de abajo a arriba, existiendo limitaciones en el proceso, especialmente en cuanto al ángulo de pendiente de las estructuras voladizas y por ello es necesario el uso de soportes fácilmente retirables. En esta imagen se aprecia la diferencia de acabados para una boquilla de 0,4 mm y diferentes alturas de capa. Los tiempos de impresión son respectivamente 11, 14, 19, 28 y 56 minutos. Figura 8.3. Diferentes acabados superficiales según el espesor de capa debido al diámetro de la boquilla.

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Estas variaciones en el acabado también influyen en las solicitaciones mecánicas de la pieza y el peso. El extrusor es principalmente metálico porque puede alcanzar hasta 400º según el material que estemos imprimiendo y consta de: Figura 8.4. Extrusoras de una impresora de FDM.

Una boquilla que se calienta mediante una resistencia que va alojada en una cavidad cercana a la punta. Además también tiene un termistor para medir las temperaturas y mantener la temperatura adecuada. Un disipador que va montado a continuación de la boquilla. No nos interesa que la resistencia caliente todo el conducto interno del extrusor porque puede dar lugar a obstrucciones y no es práctico para su mantenimiento. Un tornillo con unos dientes mecanizados y accionado por un servo motor y dos engranajes que hacen de reductores. Mediante este sistema el filamento presionado contra los dientes mecanizados es arrastrado hacia el extrusor. Carro. Es la pieza que hace de bastidor al extrusor y lo une a un eje. Sobre él va montado el extrusor en la parte inferior y la alimentación se hace por la parte superior donde va montado el motor. El movimiento depende del sistema de coordenadas con el que trabaje nuestra impresora. Las más comunes trabajan con un sistema cartesiano de tres ejes. Al trabajar capa a capa la maquina se moverá principalmente en el plano horizontal XY por lo que nos interesa que en estas direcciones se mueva rápido mediante por lo que se suele accionar mediante una correa dentada y poleas. No nos importa tanto la velocidad de desplazamiento en el eje z que se suele accionar utilizando una varilla roscada o un usillo que se mueve más lentamente pero carga hacia los apoyos el peso del eje en el que va montado el extrusor. 

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Figura 8.5. Dos de las estructuras más comunes en impresoras FDM.

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La principal necesidad de la estructura es que sea lo suficientemente robusta para tener una buena estabilidad y que sea accesible para trabajar con comodidad. Los más comunes están fabricados en metal madera o plástico. En el control de la máquina intervienen dos partes: 

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Placa con microcontrolador progamado que se encarga de mover el extrusor, extruir y calentar el cabezal y la cama según las ordenes del programa del microcontrolador o según las especificaciones del archivo de impresión. Parte de software. Necesitamos un programa que nos trasforme el archivo 3D en los “planos” para construir la pieza (Uno de los mas usados es “Slic3r”) Tiene tres

funciones principalmente importantes: - Secciona en capas horizontales la pieza y diseñar el recorrido en cada capa. - Seleccionar el tipo y la cantidad de relleno al igual que el grosor de las paredes entre otros parámetros de la pieza (variables que influirán en sus propiedades mecánicas). - Diseñar, en el caso de voladizos con una inclinación superior a 45º un soporte que le sirva de andamiaje para imprimir posteriormente sobre el y evitar que se deforme la impresión. En el caso del PLA exise una alternativa y es refrigerar mediante una tobera la zona recién depositada a fin de que solidifique lo antes  posible esto se debe a su bajo punto de fusión y velocidad de enfriamiento.

8.1.2. M ater ial es y maqui nar ia uti li zados.

Este tipo de tecnología utiliza materiales termoplásticos. Actualmente los materiales utilizados para este proceso de fabricación son: Acrilonitrilo butadieno estireno (ABS). Muy común en otras tecnologías, como SLS. Poliácido láctico (PLA).   Policarbonato.  Policaprolactona (PCL).  Polifenilsulfona (PPSU). Polieterimida (PEI). La polieterimida "Ultem 9085" es resistente al fuego y a los disolventes.   Ceras. Chocolate y otros alimentos para uso en repostería. Acetato de polivinilo (PVA) utilizado para soportes hidrosolubles.      

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Los más comunes son el PLA y el ABS: El PLA (ácido poli-láctico) es un  polímero permanente e inodoro. Es claro y brillante como el poliestireno (se utiliza para fabricar baterías y juguetes). Resistente a la humedad y a la grasas. Tiene características de barrera del sabor y del olor similares al plástico de

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 polietileno tereftalato, usado para las bebidas no alcohólicas y para otros  productos no alimenticios. Su fuerza extensible y su modulo de elasticidad son comparables también al del  polietileno (E:(2800-3100) MPa). Pero es mas hidrofilico que el polietileno, tiene una densidad mas baja y es estable a la luz UV. 

ABS (acrilonitrilo butadieno estireno) El rasgo más importante del ABS es su gran tenacidad, incluso a baja temperatura (sigue siendo tenaz a -40 °C). Además es duro y rígido (E:(2100-2400) MPa), tiene una resistencia química aceptable, baja absorción de agua, y por lo tanto buena estabilidad dimensional, alta resistencia a la abrasión, y puede recubrirse con una capa metálica con facilidad. El ABS se puede, en una de sus variantes, cromar por electrólisis dándole distintos baños de metal a los cuales es receptivo.

A continuación se muestra una tabla con recomendaciones en lo referente al uso de materiales y las propiedades buscadas en la pieza. Figura 8.6. Materiales recomendados según las propiedades de la pieza deseada.

Una de las ventajas más características de la gran variedad de materiales disponibles es la posibilidad de fabricar piezas en una amplia gama de colores, teniendo excelentes propiedades mecánicas y biocompatibles.

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Siendo posible imprimir incluso con materiales alimentarios, madera e incluso filamentos cerámicos haciendo algunas adaptaciones a la extrusora. Figura 8.3. Rollos de filamento PLA para usar en una impresora FDM.

http://www.impresoras3d3.com/que-es-la-impresion-3d/ 8.1.3. Ventaj as y desventajas del F DM .

Las principales ventajas de este proceso son los bajos costes del modelado y su sencillez de uso. Sin embargo, la calidad de impresión es reducida comparada a la de otras tecnologías como puede ser SLA (estereolitografía) o SLS (sinterizado láser selectivo). El precio de las impresoras FDM puede oscilar entre los 400 y 80000 €

(dependiendo de la sofisticación del sistema), teniendo una adquisición más sencilla que las impresoras de sinterizado láser, que parten de los 80000 € , encontrándose la mayoría de las impresoras FDM en un precio entre los 500 y 3000 €, que serían capaces de

imprimir objetos con una buena calidad pero serían inadecuados para prototipado u artículos terminados. En conclusión, podemos destacar dos grandes ventajas: 

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La accesibilidad. Se podría decir que es una tecnología relativamente sencilla respecto su potencial. El éxito de esta tecnología ha sido en parte gracias al bum de la cultura opensouce que ha hecho accesible el mundo de la electrónica y de la programcion de la impresora. Hay que tener en cuenta que es una tecnología relativamente nueva y está en desarrollo, cada vez la gama de materiales con los que se pueden imprimir es más amplia y con mayores prestaciones. El bajo coste de los materiales para su construcción y de los materiales de impresión. La impresora consta principalmente de estructura, ejes, cama, placa con microprocesador (Arduino), sensores de posición y temperatura, extrusor, cama caliente y servomotores. El precio de los materiales de impresión más comunes como el ABS o el Nailon puede variar desde 20€ a los 80€ el kilo

aproximadamente. También hay materiales mas sofisticados como los que que incluyen grafeno.

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8.1.4. Apl icaciones y piezas obtenidas.

Modelado de conceptos: Permite a las empresas de ingeniería y diseño ampliar su alcance y probar las ideas para, de esa forma, desarrollar únicamente los proyectos adecuados. Figura 8.4. Modelo de mando de videoconsola previo al desarrollo total del proyecto.

http://www.stratasys.com/es/aplicaciones/modelo-conceptual

Los modelos de conceptos impresos en 3D son valiosas herramientas de comunicación dentro de la jerarquía de la empresa. Prototipado funcional: Es una poderosa herramienta que permite observar el rendimiento del producto final. Permite un rápido acceso al mercado, creando prototipos de una forma muy rápida y sencilla que permiten corregir errores y realizar mejoras en las primeras fases del proyecto cuando resultan menos costosas. Utillaje de fabricación: Con la tecnología FDM se pueden producir montajes, fijaciones y patrones de herramientas con bajos costes y de forma rápida. 8.1.5. Conclusiones.

A pesar de tener algunas limitaciones pienso que es una tecnología con mucho  potencial en el ámbito domestico e industrial. Es un gran avance que la gente pueda diseñar una pieza que necesite por ordenador y tenerla en poco tiempo y a un coste mínimo. Además abre las puertas a avances mucho mas interesantes como poder imprimir con grafeno , metales, alimentos e incluso tejido para implantes humanos.

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9. Procesos de fabricación aditiva basados en la tecnología de haz de electrones. 9.1. Electron Beam Melting (EBM) o “Haz de electrones”. 9.1.1. Descripción del pr oceso.

La principal diferencia de los procesos con haz de electrones respecto a los  procesos de fabricación con láser es que la fuente de energía, como el nombre del  proceso lo indica, no es un rayo láser sino un haz de electrones. La tecnología EBM se emplea para la escritura sobre una célula electrosensible o  para crear variaciones superficiales del material. Este método emplea un haz focalizado de alta velocidad de electrones, el cual funde y vaporiza el material. El diámetro transversal típico del haz de electrones está comprendido entre 10 y 200 mm para el punto de focalización sobre la pieza. En los procesos EBM la materia prima se encuentra en forma de polvo en un tanque en el interior de la máquina. Este polvo es luego depositado en forma de finas capas que se precalientan y se hacen fundir en los lugares donde se desea construir la  pieza. Figura 9.1. Esquema de un proceso de fabricación por haz de electrones.

Para realizar dicho proceso, mientras que un filamento de tungsteno se calienta al vacío, un haz de electrones libera partículas elementales cargadas eléctricamente. Estas  partículas son aceleradas y dirigidas por electro-imanes con el fin de ser proyectadas a

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alta velocidad sobre la superficie del polvo, de esta forma se consigue el calentamiento de dichas partículas de polvo. Figura 9.2. Haz de electrones calentando el polvo de cada capa para conseguir una alta temperatura antes de la fusión.

Finalizada una capa, una nueva capa de polvo se extiende sobre la parte superior de la capa anterior y el haz de electrones procede a formar la siguiente sección transversal. Para garantizar el buen funcionamiento del haz de electrones, toda la fabricación se hace al vacío, lo cual presenta también la ventaja de evitar que el polvo no se oxide durante el calentamiento. Una vez la fabricación terminada, el operador retira la pieza de la máquina y luego expulsa el polvo no fundido con la ayuda de una sopladora o un cepillo. Posteriormente se procede a los procesos de terminación (maquinado de superficies en contacto con otras piezas, pulido, etc.). 9.1.2. Car acterísti cas de las piezas fabr icadas, ventajas del pr oceso y aplicaciones. 

Al ser un proceso de fabricación al vacío, se consigue evitar que el polvo no se oxide durante el calentamiento, de esta manera el polvo no fundido puede ser reutilizado casi directamente.

Este hecho es de especial interés en sectores como la aeronáutica, donde frecuentemente tan solo el 20% de la materia comprada se utiliza en la pieza final). 

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El proceso de fusión por haz de electrones (EMB) es ideal para aplicaciones que requieran alta resistencia o altas temperaturas, ya que produce objetos extremadamente densos y fuertes. La velocidad de fabricación es mucho mayor ya que el haz de electrones se  puede separar para calentar el polvo en diferentes lugares al mismo tiempo, lo que permite acelerar la el proceso.

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Mayor productividad que las tecnologías de fabricación aditiva basadas en láser, dado su mayor potencia (3000 W). Precaldeo del polvo antes de la fusión entre 400 y 1000 ºC dependiendo de la aleación, ello implica mejores propiedades mecánicas y microestructurales del material final. Este proceso resulta muy útil para la producción en pequeñas series y para la  producción de estructuras muy complejas. La tecnología EBM no tiene problemas de reflexión en el material fundido como ocurre con las tecnologías láser. Sin embargo este método es un poco menos preciso en el acabado que el que obtendríamos con la formación por láser. Debido a las altas temperaturas alcanzadas en el proceso, el objeto puede estar sujeto a algún estrés térmico o deformación a medida que se va enfriando. Las impresoras de EBM conllevan un alto gasto económico y requieren de un  personal muy especializado para su manejo. También se produce una cierta emisión de rayos X. La radiación X es  biológicamente activa y si sobrepasa una determinada intensidad supone un riesgo para la salud.

Destaca su uso en la producción de máscaras de los circuitos integrados y especialmente para la fabricación de estructuras superficiales, como por ejemplo la óptica binaria. Así mismo, se presenta como un excelente proceso para la industria de componentes médicos como implantes de cirugía u ortopédicos personalizados. 9.1.3. M ateri ales utilizados y ejempl os de piezas producidas.

Inicialmente se empleaban metales ferrosos como aceros y posteriormente se implementaron varias formas de polvo de titanio y cromo cobalto, ya que en dicho  proceso se alcanzaban temperaturas muy altas. En este tipo de tecnología se ha trabajado en el desarrollo de Ti6 Al7 Nb para aplicaciones de salud, y una superaleación de Níquel no convencional para aplicaciones aeronáuticas. Figura 9.3. Izquierda: Implante cráneo-maxilofacial personalizado. Aleta de turbina de baja presión fabricada en titanio.

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