A lo largo de los últimos 30 años la tecnología 3D ha cautivado a los entusiastas de la tecnología y la programa, del diseño y de la ingeniería, a emprendedores y científicos, que han visto en ella las características necesarias para dar rienda suelta a su imaginación y hacer posible lo que hace algunas décadas parecía cosa de ciencia ficción. Sin embargo, la técnica desarrollada entorno a la impresión 3D se ha perfeccionado tanto a lo largo del tiempo (véase nuestro artículo anterior), que es difícil sintetizar en un solo texto qué realidades son posibles por medio de su explotación, sin embargo, habiendo asumido el reto, se presentan a continuación los alcances de la impresión 3D, al menos, a la fecha de escrito este artículo.

La primera área de la impresión 3D que se va a explorar son las geometrías complejas, pero ¿qué son? Estamos usando el término geometrías complejas para definir formas que son muy complejas, con diseños intrincados y que seguramente causarían problemas cuando se fabrican de manera tradicional. Las formas complejas se utilizan a menudo como ejemplo para explicar por qué la impresión 3D es una buena solución para la fabricación. La razón es que la complejidad no significa necesariamente más dificultad para el proceso de impresión 3D real en la máquina. La fabricación aditiva es una solución segura para diseños que tienen ángulos complejos intrincadamente detallados que requieren medidas y ejecución precisas. La impresión 3D completa la tarea a un costo menor que la fabricación tradicional y, en algunos casos, puede ser la única forma de crear el objeto deseado. Ser capaz de generar con precisión el modelo para la impresión 3D que se adapte a las necesidades del usuario será probablemente el factor que más tiempo consuma en su proyecto.

La naturaleza como fuente de inspiración para la impresión 3D

La naturaleza siempre ha sido una inspiración para muchos ingenieros a lo largo de la historia. Sin embargo, hoy en día la impresión 3D les permite desarrollar fácilmente formas que imitan algunos de los comportamientos más increíbles de los materiales orgánicos. Para ilustrar esto, el Biometric Grill desarrollado por Audioquest para sus auriculares Nighthawk es el ejemplo perfecto. Este ejemplo utiliza los puntos fuertes de la impresión 3D para crear un objeto que no se puede producir de otra forma. Skylar Gray, diseñador y director de producción de audífonos en AudioQuest, dice que la parrilla biométrica está inspirada en la estructura de las alas de mariposa que contienen una estructura de celosía que difunde la luz, y el propósito del diseño de celosía inspirado en la parrilla es difundir el sonido con el máximo de calidad posible. La función de la parte impresa en 3D es cancelar los sonidos que pueden distorsionar la calidad de la música. La celosía contiene 3 rejillas separadas e intrincadas que solo se pueden fabricar mediante impresión 3D, utilizando la tecnología SLS y la función Batch Control, NightHawk ahora ofrece sus auriculares a los clientes a través de distribuidores autorizados.

En términos de diseños complejos, la preocupación suele ser la siguiente: “Mi diseño es complejo y quiero que se respete la integridad del diseño. ¿Qué tan precisa es la fabricación aditiva? “

Esta preocupación común y comprensible fue evaluada recientemente por DMACE Sphere Challenge de DARPA. Puso a prueba tanto el diseño complejo como la precisión. En este desafío, 180 esferas de titanio impresas en 3D se sometieron a pruebas destructivas para determinar los parámetros de las propiedades mecánicas. Cada esfera se colocó en una máquina en el laboratorio de ORNL y se trituró. Este desafío fue fundamental para demostrar que los componentes con geometría compleja fabricados mediante fabricación aditiva pueden modelarse computacionalmente y predecir su rendimiento. La mezcla de materiales fuertes pero livianos como el titanio y los modelos computacionales permitidos en la fabricación aditiva han provocado que industrias como la aeronáutica y la exploración espacial utilicen esta forma de fabricación.

Por su parte, en términos de la industria aeroespacial, la impresión 3D se ha convertido en una solución esencial para la creación de prototipos, herramientas y fabricación de piezas. Los ingenieros han confiado en la fabricación aditiva desde hace un tiempo. En este sector de la fabricación aditiva, el peso se traduce directamente en dólares y, como es evidente, encontrar el material adecuado, con el equilibrio óptimo de resistencia y ligereza es esencial para el resultado final. En la mayoría de los casos, agregar un miligramo adicional aumentaría notablemente el costo del lanzamiento de un satélite o de un transbordador.

Fabricación inteligente

Es por eso por lo que, empresas como Airbus y Altair, están utilizando tecnología de fabricación aditiva y metodología de optimización de topología para fabricar componentes más ligeros y rígidos para su uso en satélites. Por lo general, las impresiones 3D no se fabrican 100% sólidas, por lo que pueden suponer una gran pérdida de material si no se realizan de manera adecuada, así como una pérdida de tiempo y dinero. Entonces, si no son huecos y no son 100% sólidos, es entendible que el público general se pregunte … ¿qué hay dentro?

La mayoría de los diseñadores 3D eligen realizar este conocido patrón de nido de abeja con estilo de celosía porque garantizará que la impresión sea fuerte y no tomará toda una vida para imprimir. En términos de geometrías complejas, estamos comenzando a ver un influjo en la utilización del patrón de panal para algo más que el relleno, por ejemplo, recientemente el control sobre la topología de estas estructuras ha permitido a los investigadores demostrar la verdadera ventaja de introducir una geometría celular controlada. a piezas con aplicaciones de soporte de carga.

En otro sentido, la “estructura alveolar de rigidez negativa” se desarrolló como parte de un proyecto que investiga las estructuras absorbentes de energía. Cuando se expone a cargas cuasiestáticas, se encontró que la absorción de energía recuperable es posible sin sacrificar la alta capacidad de absorción de energía de los panales regulares. Esto significa que cuando las estructuras alveolares de rigidez negativa SLS se comprimieron hasta un punto de densificación, recuperan su forma y dimensiones originales cuando se retira la carga. Estas estructuras podrían encontrar aplicaciones en dispositivos de protección contra impactos como cascos o parachoques de automóviles y embalajes reutilizables.

Es de este modo que es posible encontrar más y más aplicaciones prácticas para la impresión 3D. Por ejemplo, usando nailon 11 con sinterización selectiva por láser, los investigadores de UT Austin han impreso estructuras de panal de abejas que pueden diseñarse para una respuesta mecánica específica. La estructura absorbe considerablemente más energía de impacto que una estructura sólida del mismo peso debido a su intricado diseño. Esto es valioso en aplicaciones que requieren resistencia ligera y absorción de impactos, que presumiblemente incluye el blindaje de vehículos.

La impresión 3D, ¿a punto de convertirse en una presencia cotidiana?

Uno de los ejemplos más prolíficos de los beneficios de la fabricación aditiva es el desarrollo de productos de consumo mediante la personalización masiva. Sin estar limitadas por los requisitos de herramientas y recursos humanos, las empresas ahora pueden producir diariamente miles de piezas personalizadas para los clientes de forma económica. Al desarrollar un proceso que integra los datos del cliente en una parte física, los consumidores ahora tienen acceso a productos de ajuste personalizado asequibles.

Una de las aplicaciones de desarrollo de productos personalizados a través de la impresión 3D de mayor éxito en el mercado se encuentra en la industria dental. Desde 1998, Invisalign ha estado utilizando la tecnología de impresión 3D de estereolitografía (SLA) en el proceso de fabricación de sus bandejas de alineación de dientes. En este proceso, se toma una impresión de los dientes, que luego se escanea y digitaliza. Los algoritmos generan los moldes para las bandejas de alineación en el plan de tratamiento, que luego se imprimen en 3D. Estos moldes impresos en 3D se utilizan para termoformar las bandejas de alineación, que se procesan y se envían al cliente. Con esta tecnología, esta empresa es capaz de fabricar 40.000 piezas al día, algo inimaginable para muchos de sus competidores.

Por su parte, ofrecer un producto único para los clientes y diseñado especialmente para ellos convierte a un producto en un servicio. La personalización masiva es la solución para esta tarea y ahorra tiempo, dinero y, en la mayoría de los casos, material. SOLS está trabajando para ofrecer a los clientes aparatos ortopédicos personalizados. Utilizando la tecnología de escaneo 3D, SOLS 3D escanea el pie del cliente en varios escenarios con y sin soporte de peso para recopilar los datos necesarios y generar un modelo 3D personalizado. Luego, los modelos se imprimen utilizando tecnología de sinterización selectiva por láser y se entregan al cliente en tan solo 6 días.

Hasta donde llega

De manera similar a como se toma una impresión de los dientes para el proceso Invisalign, se toma una impresión de silicona del canal auditivo, que se escanea y digitaliza en 3D. Posterior a ello, se utiliza el software CAD para generar el modelo a imprimir. GN ReSound utiliza tecnología SLA de proyección de máscaras para fabricar audífonos personalizados en las que se alojan los componentes electrónicos del audífono. En este proceso se utiliza la línea EnvisionTEC de impresoras digitales de carcasas, con la alta resolución necesaria para la geometría compleja de la oreja y con un rendimiento lo suficientemente alto como para fabricar 30 carcasas en 90 minutos.

Los audífonos personalizados son una industria que es de las más recientes en el juego de la impresión 3D, pero hay una empresa de nueva creación que está revolucionando la accesibilidad de los productos personalizados para el consumidor promedio. Utilizando el modelado por deposición fundida de plástico ABS, Normal está fabricando auriculares impresos en 3D a medida. Con solo una imagen 2D tomada por el cliente en su propio teléfono inteligente en la aplicación Normal, esta empresa es capaz de fabricar un par de auriculares personalizados en tan solo 48 horas. Los auriculares normales se venden al por menor a $4,000 pesos, aproximadamente.

Škoda Auto en Francia lanzó una campaña especial con la ayuda de Sculpteo a principios de este año. Esta campaña fue para clientes que han llevado un automóvil Škoda para una prueba de manejo. Por un tiempo limitado Škoda permitió a sus clientes personalizar e imprimir en 3D su propia Fabia en miniatura. Es la primera vez que una marca utiliza la impresión 3D para una campaña de este tipo.

Un área de la fabricación aditiva que parece muy prometedora son los conjuntos integrados, esto con el fin de reducir el tiempo de impresión de los objetos simplemente integrando un plan de ensamblaje en el modelo 3D antes de imprimir, esto reducirá los elementos que necesita imprimir y le ahorrará tiempo en el proceso de impresión.

Perspectivas de futuro en la impresión 3D

Con las tolerancias adecuadas, las piezas con bisagras y uniones funcionales, tejidos estilo eslabones de cadena y otros tipos de componentes móviles se pueden fabricar en una sola impresión sin la necesidad de un ensamblaje posterior a la impresión. Vinculada estrechamente con el rediseño de ingeniería, esta ventaja de fabricación también puede reducir la cantidad de componentes necesarios para cualquier aplicación, lo que reduce el tiempo y el costo general de fabricación del producto. En 2014, a los estudiantes del Gran Desafío de Fabricación Aditiva de Virginia Tech se les asignó la tarea de diseñar un vehículo aéreo y/o terrestre impreso en 3D para completar una serie de obstáculos.

El objetivo del desafío era demostrar la utilidad de la fabricación bajo demanda en ubicaciones remotas a partir de material de impresión 3D sin procesar y en ausencia total de un conjunto de productos electrónicos. Un grupo de estudiantes miró hacia el origami en busca de inspiración en el concurso de diseño en la Universidad. El diseño ganador del equipo “Lobstrosity” fue un aquadcopter con bisagras totalmente integradas en el diseño de los cuatro brazos del vehículo. Al incorporar las bisagras en los brazos unibody plegables, toda la altura de construcción de la impresión se limitó a solo 9 mm. La restricción de la altura de construcción limitó el tiempo de impresión de todo el quadcopter a solo 3 horas y 22 minutos en una impresora Stratasyst PolyJet. Las cuatro estructuras planas se doblaron alrededor de un eje central y se cerraron de forma segura para servir como los brazos del quadcopter. El diseño ganó el primer lugar en la competencia, además de recibir elogios por “mejor uso de la fabricación aditiva” y “mejor desempeño”.