ANÁLISIS TÉCNICO-ECONÓMICO DE TÉCNICAS DE FABRICACIÓN ADITIVA PARA APLICACIÓN EN DIFERENTES SECTORES INDUSTRIALES.

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1 ANÁLISIS TÉCNICO-ECONÓMICO DE TÉCNICAS DE FABRICACIÓN ADITIVA PARA APLICACIÓN EN DIFERENTES SECTORES INDUSTRIALES. Autor: Manuel Porras Rodríguez Director: Silvia Fernández Villamarín Madrid Agosto 2012

2 ANÁLISIS TÉCNICO-ECONÓMICO DE TÉCNICAS DE FABRICACIÓN ADITIVA PARA APLICACIÓN EN DIFERENTES SECTORES INDUSTRIALES. Autor: Porras Rodríguez, Manuel. Director: Fernández Villamarín, Silvia. Entidad Colaboradora: ICAI Universidad Pontificia Comillas. RESUMEN DEL PROYECTO El objetivo de este proyecto es dar a conocer las tecnologías de fabricación aditiva presentes hasta el momento y realizar un análisis de la elaboración de un objeto teniendo en cuenta el proceso de fabricación convencional frente al aditivo teniendo en cuenta criterios de ecodiseño. En primera instancia se ha realizado un estudio de las tecnologías aditivas describiendo su evolución desde el momento de su aparición en 1987 hasta nuestros días, recorriendo las innovaciones más importantes en tecnologías y materiales por parte de las empresas punteras en este sector. La fabricación aditiva se basa en la reproducción de un modelo digital 3D en materiales plásticos, metálicos o cerámicos (también en papel, aunque no se contempla para aplicaciones como la descrita en este proyecto por sus propiedades). Esto se consigue mediante la descomposición del modelo 3D en capas muy finas que se irán fabricando una encima de otra hasta completar el objeto. A continuación se describen las fases por las que se rige un proceso habitual de fabricación aditiva. Asimismo se presenta una descripción de los diferentes tipos de fabricación aditiva siguiendo una clasificación que delimita las tecnologías encasillándolas según la fuente que aporta la energía (pudiendo ser punto a punto (0D), en línea (1D) o en capa (2D)) y la aportación de material (punto, línea o lecho). Se incluye un apartado en el que se explican las ventajas y limitaciones de este tipo de procesos frente a los convencionales (moldeo, arranque de material y conformado), siendo la característica más relevante la facilidad en la reproducción de 2

3 piezas con geometrías complicadas y la desventaja más patente la velocidad de fabricación. Para la ilustración de este proyecto se ha concebido un radiador de tipo panal de abeja. Las razones por las cuales se ha escogido este tipo de intercambiador de calor se resumen en la difícil geometría que presenta así como la laboriosidad del proceso mediante tecnologías convencionales. Como su nombre indica, este radiador tiene la estructura de un panal de abeja, las celdillas son conductos por los que circula el aire libremente y entre celdilla y celdilla existe un espacio hueco por el que circula el refrigerante, agua en este caso. Esta geometría se consigue fabricar mediante dos métodos convencionales diferentes, a saber: - Modificando los extremos de unos tubos convirtiéndolos en hexágonos para su posterior ensamblaje en estructura de panal y soldándolos entre sí garantizando de esta manera que el agua no discurra fuera de los conductos internos. - Deformando una chapa imprimiendo la forma hexagonal sucedidamente y uniendo varias de estas chapas para formar los recintos hexagonales completos. Posteriormente se procede a un soldado de las junta para, al igual que en el caso anterior, garantizar que no haya pérdida de agua. - Por parte de la fabricación aditiva, se ha aprovechado su ventaja principal y se han incluido aletas al diseño original, un total de seis aletas por hexágono, lo que hace al radiador mucho más eficiente. Se incluye asimismo una estimación del precio de realización del radiador de panal y se elabora un comentario de carácter comparativo a la vista de los resultados obtenidos, tanto económicamente como medioambientalmente. 3

4 PROJECT ABSTRACT The objective of this project is to introduce additive manufacturing technologies to date and present an analysis of the development of an object given the manufacturing process compared to conventional additive considering ecodesign criteria. In the first instance has made a study of additive technologies describing its evolution from the time of its appearance in 1987 until today, covering the most important innovations in technology and materials from the leading companies in this sector. Additive manufacturing is based on making a 3D digital model in plastic, metal or ceramic (also on paper, but not considered for applications as described in this project for their properties). This is achieved by the decomposition of the 3D model in very thin layers that will be fabricating one above another to complete the object. The following describes the stages through a process governed usual additive manufacturing. It also presents a description of the different types of additive manufacturing delimiting following a classification classified according the technology that provides the energy source (which may be point to point (0D) at line (1D) or layer (2D)), and providing material (point, line or bed). It includes a section that explains the advantages and limitations of this type of process versus conventional (molding, material removal and forming), being the most relevant characteristic ease in reproducing complex part geometries and disadvantage more patent manufacturing speed. For illustration of this project has been designed a honeycomb radiator. The reasons why this type has been chosen heat exchanger are summarized in geometry that presents difficult and laborious by the conventional technologies. As the name suggests, this radiator has the structure of a honeycomb, the cells are channels through which air circulates freely between cell and there is a hollow space cell by circulating coolant, water in this case. This geometry is achieved by manufacturing two different conventional methods, namely: - Modifying the ends of tubes making them for subsequent hexagons honeycomb structure assembly and welding them together thus ensuring that the water not flow outside of the internal passageways. 4

5 - Deforming a printing plate in hexagonal shapes and joining several of these plates to form complete hexagonal enclosures. Then proceed to a soldier gasket, as in the previous case, to ensure that no leakage of water. - On behalf of additive manufacturing, has leveraged its main advantage and fins have been included to the original design, a total of six fins per hex, which makes much more efficient radiator. It also includes an estimate of the price of the radiator honeycomb embodiment and a review is made of a comparative nature in view of the results obtained, both economically and environmentally. 5

6 DOCUMENTO Nº1, MEMORIA 6

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8 DOCUMENTO Nº1, MEMORIA. ÍNDICE PÁGINAS 1.- INTRODUCCIÓN Y PLANTEAMIENTO Introducción Objetivo Motivación DESCRIPCIÓN DE LAS TECNOLOGÍAS Introducción Visión histórica Fases Clasificación de técnicas aditivas Ventajas Limitaciones Fabricación híbrida DESCRIPCIÓN DEL ANÁLISIS A REALIZAR Introducción Procesos a ejecutar Operaciones a realizar CRITERIOS DE ECODISEÑO Introducción Factores motivantes El sistema de ecoindicadores (ecoindicator99) Ecodiseño del radiador de panal BIBLIOGRAFÍA

9 ÍNDICE DE IMÁGENES PÁGINAS Ilustración 1. Concepción de modelo 3D Ilustración 2 triangulación de superficie...32 Ilustración 3. Emplazamiento de piezas y soportes Ilustración 4 elipse seccionada (a menor espesor de capa mayor precisión geométrica) 34 Ilustración 5 Laser cladding. Cortesía de GNClaser...40 Ilustración 6 Diferentes inyectores laser cladding...40 Ilustración 7 FDM selectivo. Cortesía de custompartnet Ilustración 8. Cabezal de Polyjet y esquema (derecha). Cortesía de undoprototipos.com y objet.com Ilustración 9. Proceso SLA. Costesía de custompartnet.com...46 Ilustración 10 Figura humana en máquina Materialise...47 Ilustración 11. Esquema SLS. Cortesía de custompartnet.com...49 Ilustración 12 Bloque motor fabricado por SLS...50 Ilustración 13. Proceso de fabricación de una capa mediante MultiBeamTM (precalentamiento, perfilado y finalización)...52 Ilustración 14. Proceso de fabricación DMLS...54 Ilustración 15 Proceso de 3DP. Cortesía de custompartnet.com...56 Ilustración 16. Sistema MicroLightSwitches. Cortesía de Huntsman.com...57 Ilustración 17.Perfactory, cortesía de EnvisionTec.com...59 Ilustración 18.PerfactoryXede, cortesía de EnvisionTec.com...60 Ilustración 19. Proceso LOM, cortesía de custompartnet.com...61 Ilustración 20. Figura "Radiolara" mediante D-SHAPE, cortesía de d-shape.com...62 Ilustración 21. Estructura fractal, cortesía de treehugger.com...65 Ilustración 22. Aligeración de turbina, cortesía de mfginamerica.com...66 Ilustración 23. Objetos multimaterial, cortesía de objet.com...67 Ilustración 24. Mecanismo de ruedas engranadas. cortesía de usminc.com...69 Ilustración 25. Intercambiador de panal cerámico Ilustración 26. Radiador de panal Fiat. Cortesía de Ilustración 27. Maquinaria para el doblado de la chapa...82 Ilustración 28.Cizalla para el corte de la chapa...82 Ilustración 29. Unión de chapas por parejas Ilustración 30. Apilado de las chapas formando el conjunto Ilustración 31. Conjunto después del soldado por inmersión

10 ÍNDICE DE TABLAS PÁGINAS Tabla 1. Visión histórica AM...30 Tabla 2. Clasificación AM...38 Tabla 3. Procesos partiendo de tubos...86 Tabla 4. Procesos partiendo de plancha Tabla 5. Procesos AM...87 Tabla 6. Relación aspecto e impacto ambiental...91 Tabla 7. Ecoindicadores de materiales Tabla 8. Ecoindicadores de procesos productivos Tabla 9. Ecoindicadores de energías Tabla 10. Ecoindicadores de transporte Tabla 11. Ecoindicadores de desecho y reciclaje Tabla 12. Tabla tipo ecoindicadores Tabla 13. Ecoindicador radiador a partir de tubos Tabla 14. Ecoindicadores radiador a partir de plancha Tabla 15. Ecoindicadores radiador AM

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12 1.- INTRODUCCIÓN Y PLANTEAMIENTO Introducción. Se entiende la fabricación como la producción de objetos gracias a la ayuda de medios mecánicos. Con la llegada de la Revolución Industrial a finales del siglo XVIII se cambió por completo la forma de ver la manufacturación; se pasó a dejar la artesanía apartada para poder utilizar procesos de mecanización y fabricación en serie gracias, por ejemplo, a la aplicación de la máquina de vapor en la producción. Se considera además que ésta es la primera revolución industrial, basada en la adquisición de energía a través del carbón, una Segunda a finales del siglo XIX con la utilización del petróleo y la electricidad, e incluso una Tercera cuando se habla del uso de energía nuclear combinada con las anteriores (mediados siglo XX). El resto de innovaciones se podrían considerar como una revolución tecnológica (robotización, energías renovables, ). Existen hoy en día gran cantidad de medios mecánicos diferentes que trabajan de formas completamente distintas entre ellos. Básicamente se podrían clasificar en tres grandes grupos, a saber: por mecanizado de material, por conformación de material y por adición de material (objeto este último del estudio llevado a cabo). Se entienden los dos primeros como los procesos de fabricación convencionales ya que son los que más tiempo llevan instaurados en nuestra sociedad. La fabricación por mecanizado de material es aquella en la cual se parte de un trozo de material o una pieza sin terminar y el modelado se realiza mediante la sustracción de material. Esta fabricación se puede llevar a cabo mediante diferentes procesos que se pueden agrupar en procesos de arranque de viruta y procesos de abrasión. En función de las herramientas usadas se realizarán diferentes operaciones (pulido, taladrado, desbastado, fresado, torneado ). La fabricación por conformado de material se refiere a la obtención de geometrías en una pieza mediante la deformación de la misma. En este sector se puede incluir el moldeo ya que no es más que la deformación de material mediante calor para poder rellenar un molde, aunque también puede considerarse una categoría 12

13 a parte. Al igual que en la fabricación por mecanizado se pueden distinguir diferentes procesos según las tecnologías utilizadas; de esta forma, se puede hablar de fundición, pulvimetalurgia, moldeo por inyección, soplado (en procesos de moldeo) y laminación, forja, extrusión, estirado, conformado (en procesos de deformación plástica). La fabricación aditiva, o Additive Manufacturing (AM), se entiende como una fabricación en la cual se hace uso de una serie de tecnologías que, en un proceso automático, producen objetos tridimensionales directamente desde un modelo digital mediante la deposición de material de una forma muy precisa. Una característica de este tipo de tecnologías es la innecesaridad de un utillaje especializado durante el proceso de fabricación. Existe una amplia variedad de tecnologías en este campo; no se puede estar ante una nueva Revolución Industrial ya que no se debe entender como tal al no variar las fuentes de sustracción de energía; pero sí se trata de una revolución tecnológica, ya que se tiene la posibilidad de realizar piezas de geometrías con altísimo grado de dificultad prescindiendo de utillajes; idílicamente, esta manera de entender la fabricación se podría ver como una tecnología que reproduce cualquier objeto que se desee siempre que éste se pueda dibujar Objetivo. El objetivo principal de este proyecto es dar a conocer las ventajas que presentan estos métodos de fabricación de carácter novedoso frente a los convencionales, ya que su implantación garantiza un valor añadido a los objetos fabricados, supone una fabricación prácticamente sin residuos (no se parte de un exceso de material), aumenta en un alto grado la concepción de diseños novedosos con geometrías hasta ahora inalcanzables o muy costosas, y otras ventajas que se enumerarán más adelante. Se concebirá una pieza (en este caso un intercambiador de calor de tipo panal de abeja) que se proyectará teniendo en cuenta su fabricación mediante métodos convencionales y mediante métodos aditivos de forma simulada. Se finalizará con un 13

14 apartado de conclusiones en el cual se dejarán patentes las ventajas y desventajas que presentan estos métodos de fabricación. Se tendrán en cuenta los siguientes aspectos: - Coste de fabricación. - Funcionalidad. - Valoración con criterios de ecodiseño Motivación. Este proyecto se centra en las posibilidades de los procesos de fabricación aditivos ya que es una opción a tener en cuenta a la hora de fabricar un determinado objeto que se tiene en mente. La fabricación aditiva elimina barreras que se presentan en otros procesos sobre todo en el ámbito de la geometría; de esta forma, piezas que se fabrican mediante otros métodos para poder realizar un conjunto final, podrían ser suprimidas para, directamente, realizar el conjunto final. Se abre ante nosotros un amplio abanico de simplificación y diseño en la fabricación, tanto de prototipos como de piezas finales. También se debe tener en cuenta la posibilidad de realizar fabricaciones híbridas para poder aprovechar las ventajas que presenta cada tipo de proceso ya que, aunque revolucionarios, los procesos aditivos no se caracterizan por su velocidad, pudiendo ser preferible partir de una pieza previamente mecanizada por ejemplo. En nuestro caso particular no existe la posibilidad de contemplar una fabricación híbrida del conjunto, sería contraproducente. Además de la facilidad para llevar a cabo este radiador de panal de abeja con tecnologías aditivas, también se aprovecharán las ventajas que presentan estas tecnologías mediante la inclusión en el diseño convencional de unas aletas para mejorar el funcionamiento del intercambiador, aspecto que no supondría un gran sobrecoste en términos generales, pero que supone una gran diferencia en términos de eficiencia del intercambiador. Por otra parte, si se echa un vistazo al cariz que va tomando la mentalidad de la sociedad actual, se observa que cada vez cobran más importancia los diseños personalizados, objetos que marquen la diferencia frente al resto; y, mediante este 14

15 tipo de tecnologías y la implantación del escaneado 3D, se pueden conseguir artículos fabricados específicamente para las necesidades o el gusto de un individuo sin que ello suponga un sobrecoste apreciable en el valor final del producto. Se hace referencia a este aspecto ya que cada vez se va extendiendo más esta mentalidad que casi parece dar más valor al diseño que a la funcionalidad. En este caso en particular se ha escogido el radiador de panal de abeja para automóviles ya que es un artículo prácticamente descatalogado en el sector debido a la complejidad constructiva que presenta (barrera que no preocupa especialmente a la hora de fabricar mediante métodos aditivos). 15

16 2.- DESCRIPCIÓN DE LAS TECNOLOGÍAS Introducción. La fabricación aditiva (AM) se ha clasificado como unos de los tres procesos de fabricación, esta clasificación que se propone diferencia los procesos sustractivos, los procesos de conformado (donde se han introducido las técnicas de moldeo así como las que son denominadas usualmente como conformado) y los procesos aditivos. Se debe aclarar que existen más procesos a parte de estos que se clasificarán como procesos de unión (aquí se introducen los ensamblajes, soldaduras, pegados, etc). Existe una gran variedad de técnicas diferentes dentro de los procesos aditivos, pero todos ellos permiten la obtención de piezas desde un archivo CAD 3D; quizás por esta variedad se han dado múltiples nombres a las técnicas aditivas, como Direct Manufacturing, Additive Layer Manufacturing o e-manufacturing entre otros. Los procesos de AM no son destacados por su alta velocidad de fabricación y, por lo tanto, no se instauran para grandes volúmenes de producción. Se deben usar teniendo en cuenta dónde supone una ventaja su aplicación, no siendo necesaria una fabricación íntegra en AM pudiendo complementar ésta con otros procesos de fabricación. Se presenta a continuación una visión general de algunas diferencias en el proceso de fabricación según su procedencia: En procesos convencionales la fabricación de una pieza compleja exige un aumento de la complejidad en el proceso de fabricación lo que se traduce en un sobrecoste. En el caso de procesos aditivos un aumento de la complejidad de la pieza no se tiene por qué traducir en un aumento de dificultad en el proceso de fabricación; generalmente un aumento de la complejidad se refleja en ahorro de material y por lo tanto de tiempo. Las complejidades añadidas a un diseño se transforman en dificultades a nivel CAD de la pieza. Si se echa un vistazo a procesos de moldeo existen factores a tener en cuenta como los ángulos de desmoldeo, huecos interiores en piezas, líneas de partición, acabados superficiales, situación de canales, mazarotas, Todos estos factores han 16

17 de estar definidos claramente en un proceso de moldeo siguiendo las pautas pertinentes; si se llevan estos problemas al ámbito de la fabricación aditiva se observa que no ha de prestarse atención a ninguno de esos factores. En la fabricación de un elemento en ocasiones se precisa de la unión de varias piezas para conformar el producto final; muchos de estos elementos se fabrican a parte por la imposibilidad de su integración, desde un principio, al conjunto. La fabricación aditiva permite fabricar eso que se ha considerado como un conjunto como si fuese una pieza individual. Estas son algunas particularidades de los métodos de fabricación aditivos en comparación a los métodos convencionales. En el capítulo siguiente se ahonda más en detalles específicos de cada método. Estos procesos de fabricación aditiva surgen primeramente con el nombre de Prototipado Rápido (Rapid Prototyping, RP) ya que en un primer momento se concibieron estas tecnologías con el fin último de la realización de prototipos. En 1987 se da a conocer el primer proceso de AM, un proceso de rapid prototyping de estereolitografía (SL) propiedad de una empresa norteamericana llamada 3D Systems. Esta estereolitografía se realiza gracias a la solidificación de capas de resina fotosensible por la mediación de un láser. Una vez comercializado el primer sistema de prototipado en EE.UU., surgieron empresas japonesas (NTT y Sony/D-MEC) que también tenían algo que decir en este asunto con sus propias máquinas de estereolitografía en los años 1988 (NTT) y 1989 (Sony/D-MEC). Estas novedades no llegaron a calar en Europa hasta que en 1990 la empresa alemana EOS (Electro Optical Systems) desarrolla su sistema Stereos. Posteriormente se inician las aplicaciones de nuevas tecnologías, FDM (Fused Deposition Modeling, de la empresa americana Stratasys) en la que se realiza la extrusión de un filamento que se funde en un cabezal de fusión, SGC (Solid Ground Curing, de la israelí Cubital), que trabaja con resina fotosensible pero solidifica cada capa en una sola operación gracias a una máscara de tinta electrostática en un vidrio, y LOM (Laminated Object Manufacturing, de la estadounidense Helisys), la cual trabaja cortando hojas de papel 17

18 con un láser (actualmente trabaja con termoplásticos también); todas ellas surgen en En 1992 brotan los sistemas de sinterización SLS (Selective Laser Sintering, de la empresa americana DTM), este método funde polvos metálicos mediante un láser, pudiendo de esta forma obtener matricería directamente. A partir de 1992 se empiezan a desarrollar nuevas tecnologías de forma bastante continua. En el siguiente apartado se recoge información de avances en el sector aditivo desde su nacimiento hasta nuestros días Visión histórica. Año Tecnología/máquina Procedencia Características/aclaraciones 1987 Estereolitografía 3D Systems primera máquina SL, resina fotosensible (SL) (EEUU) a UV 3D Systems (EEUU) primeras resinas acrílicas, en colaboración con Ciba Estereolitografía DuPont (SL) (EEUU) máquina SL 1988 Estereolitografía NTT/CMET (SOUP) (Japón) máquina SL Estereolitografía Sony/D-MEC (SCS) (Japón) máquina SL Asahi Denka Kogyo (Japón) primera resina epoxy para CMET 1990 Electro Optical estereolitografía Systems (Stereos) (Alemania) resina fotosensible a luz visible 1991 Fused Desposition Modeling (FDM) Solid Ground Curing (SGC) Laminated Object Manufacturing (LOM) Selective Laser Sintering (SLS) Stratasys (EEUU) Cubital (Israel) Helisys (EEUU) primera máquina extrusión de hilo, termoplástico primera máquina de solidificación por máscara, polímeros líquidos sensibles a UV corte y pegado de hojas de papel DTM (3D Sys., primera máquina de sinteriazado EEUU) selectivo con láser 1992 Teijin Seiki basado en tecnología "Somos" de Soliform (CMET, Japón) DuPont (fusión de polímeros con láser) Allied Signal resinas vinílicas para SL 1993 Direct Shell Soligen inyección de polvos cerámicos con 18

19 Production Casting (DSCP) Estereolitografía ModelMaker (EEUU) 3D Systems (EEUU) Denken (Japón) Sanders Prototype (EEUU) aglutinante, inventado por el Instituto Tecnológico de Massachusetts primera resina epoxy de 3DSys en colaboración con Ciba primera máquina de bajo coste y ubicable en una mesa de trabajo deposición de céridos mediante una cabeza de inyección estereolitografía Meiko (Japón) pequeña máquina destinada a joyería corazón de impresora láser, toner, y una Kira Corp. Solid Center cuchilla x-y para imitaciones de madera (Japón) con papel EOSINT (SLS) Personal Modeler 2100 Estereolitografía Modeling (Somos) Fused Desposition (Genisys) Actua 2100 Z402 Laser Additive Manufacturing (LAM) FDM Laser Engineered Net Shaping (LENS) ProMetal RTS-300 Electro Optical Systems (Alemania) BPM Tech. (EEUU) Aaroflex (EEUU) Stratasys (EEUU) 3D Systems (EEUU) Z Corp (EEUU) AeroMet (EEUU) Beijing Yinhua Rapid Prototypes (China) Optomec (EEUU) Extrude Hone (Ex One, EEUU) Primera máquina europea de tecnología SLS cesa a finales de 1997, desposición de materiales céreos mediante cabeza impresora comercialización de máquinas con la tecnología DuPont en EEUU basado en procesos aditivos descubiertos por IBM comercialización de máquinas, inyección de materiales céreos máquina con sistema de inyección MIT, materiales basados en almidón o yeso con aglutinante líquido laser de alta potencia con polvos de aleaciones de titanio gran aumento de venta de productos FDM basado en polvos metálicos con tecnología de los Laboratorios Nacionales Sandia basado en tecnología MIT Estereolitografía (Somos) DSM (EEUU) compra maquinaria Somos de DuPont Controlled Metal Buildup (CMB) Röders (Alemania) basado en la tecnología del Instituto Láser de Fraunhofer Selective Laser Fockele und fusión selectiva de polvos de acero 19

20 Melting (SLM) Laminated Object Manufacturing (LOM) Rapid Tool Maker (RTM) 3D color printer Quadra PatternMaster Direct Metal Deposition (DMD) Z402C Prodigy (FDM) OptoFrom desktop machine Ultrasonic Consolidation FDM Titan Schwarze (Alemania) Toyoda Machine Works primera máquina LOM en Japón (Japón) Sanders Design vende tecnología a Alemania (EEUU) Buss Müller Technology impresión 3D en color, tecnología de (BMT, polvos+aglutinante Alemania) Objet inyección y solidificación de UV Geometries fotopolímeros usando 1536 boquillas (Israel) (precursor de polyjet) Sanders máquina usada para producir patrones Prototype precisos de cera (EEUU) Precision proceso de revestimiento láser para Optical fabricar/reparar piezas con metal en Manufacturing polvo (EEUU) Z Corp (EEUU) primera impresora 3D a color comercial Stratasys produce piezas en plástico ABS (EEUU) Sanders cambia nombre debido a confusión con Prototype es Sanders Design Solidscape Teijin Seiki (CMET, Japón) 3D Systems (EEUU) Solidimension (Israel) Solidica (EEUU) Aaroflex and Cubital Stratasys (EEUU) cambia nombre a CMET tras la adquisición de su tecnología tecnología francesa, usa cerámicas, metales y otros materiales en forma de pasta fotosensible lamina finos folios de PVC, no consiguen vender máquinas hasta 2004 mediante presión y ultrasonidos se realiza una soldadura capa a capa; cada capa se mecaniza con una fresadora CNC desaparecen del mercado producción en policarbonato, ABS, polifenilsulfona y mezcla policarbonato/abs compran completamente DTM y RPC (pequeña empresa suiza) 3D Systems (EEUU) Perfactory machine Envision Tec polímeros acrílicos y procesado láser 20

21 Z810 Quadra Tempo DirectSteel 20V-1 EOSINT 380 Estereolitografía GS1500 RTS300 Rapid Solidification Process (RSP) Dimension Perfactory y Bioplotter FDM, estereolitografía y sinterizado láser Phenix 900 DMD (Alemania) Z Corp (EEUU) Objet Geometries (Israel) Electro Optical Systems (Alemania) Electro Optical Systems (Alemania) Concept Laser GmbH (Alemania) Uniontech (China) Generis GmbH (Alemania) ProMetal (EEUU) RSP Tooling LLC (EEUU) Stratasys (EEUU) EnvisionTec (EEUU) Wuhan Binhu Mec. & Electrical (China) Phenix Systems (Francia) Precision Optical Manufacturing digital (DLP), solidifica la capa entera de una vez fabricación 500x600x400 mm usando seis cabezas impresoras de 300 chorros cada una versión mejorada de la anterior Quadra polvo metálico de 20 micras en capas de 20 micras sinterizado láser de mayor velocidad YAG (itrio-aluminio-granate) láser funde polvos de acero inoxidable venta de máquinas en China técnica de inyección que funde núcleos de arena para la fabricación de moldes para fundición primera RTS300 en Europa preoceso de rociado metálico descubierto por INEEL (Laboratorios de Idaho) deposición de ABS (sucesora de Prodigy) comercialización de máquinas comercialización de máquinas usa la fase sólida de sinterización para realizar piezas de metal y cerámica comercialización de maquinaria VLM300 Menix (Corea) usa un hijo incandescente para el corte de polyestireno con ángulos para minimizar escalonamientos NextDay Materialise Máquina de estereolitografía 2003 Zprinter 310 Z Corp (EEUU) similar al 3D con base de polvo de otras compañías; sustituye a la Z400 21

22 2004 T612 InVision 3D Wizaray EOSINT M270 TrumaForm DMD 505 Triplets (FDM) Vanquish RX-1 InVision HR Sinterstation HiQ Formation Viper HA (SL) Sony Precision Tech America (EEUU) Solidscape (EEUU) Stratasys (EEUU) 3D Systems (EEUU) Chubunippon (Japón) Electro Optical Systems (Alemania) Trumpf (Alemania) Stratasys (EEUU) Envision Tec (Alemania) DSM (EEUU) ProMetal (EEUU) 3D Systems (EEUU) Solidica (EEUU) 3D Systems (EEUU) gracias a un acuerdo entre 3D Systems y el departamento de justicia se venden estereolitográficas Sony en América del Norte Sustituye a la PatternMaster por su mayor velocidad y capacidad volumétrica se une con Objet Geometries (Israel) para la venta de maquinaria "Objet Eden"en norteamérica hasta 2007 máquina similar a las objet, chorro y solidificación de fotopolímeros máquina de bajo coste para hacer piezas acrílicas de 100x100x100 mm como mucho láser de fibra parecido al de CO2, usado en EOSINT M250 5 ejes, láser de 250 W y un cable de fibra óptica para direccionar la luz sobre puro metal en polvo, participación de POM; "triplets" se refiere a 3 máquinas FDM Vantage de diferente gama que trabajan con ABS y policarbonato incorpora DLP (Digital Light Processing, de Texas Instruments) para solidificar fotopolímeros en una sola operación nuevos compuestos (nanocompuestos, de alta elongación, gomas, pirorretardantes y resistentes a altas temperaturas pequeña máquina (40x60x25 mm de trabajo con metal) destinada a educación e investigación InVision con alta resolución destinada a joyería nuevos controles y opciones de escaneo térmico para la mejora de la fabricación rápida (RM) resina para estereolitografía: Bluestone nanocomposite nueva versión de la máquina de consolidación por ultrasonidos destinada al sector dedicado a la mejora de audición 22

23 EOSINT P385 M1 Objet Geometries (Israel) Electro Optical Systems (Alemania) Concept Laser GmbH (Alemania) Next Factory (Italia) Vero FullCure 800, plástico de altas prestaciones de color opaco trabaja con plástico en capas muy finas fusión láser para metales DigitalWax 010 y 020 usa un láser para materiales fotopoliméricos no necesita unidad de T66 Benchtop y Solidscape acondicionamiento de aire, por lo que es T612 Benchtop (EEUU) más ligera que el anteriores modelos Spectrum Z510 Z Corp (EEUU) impresión 3D en color de alta calidad, tiene gran volumen de trabajo Sinterstation Pro máquina de gran capacidad de 3D Systems sinterizado láser con conducción de (EEUU) polvos y reciclaje SEMplice Aspect Inc. (Japón) máquina de sinterizado láser Valspar Corp. (Suiza) compra la tecnología de DSM Somos Contex Scanning Tech. adquiere Z Corp. (Dinamarca) Objet introducen la línea de materiales Geometries flexibles FullCure Tango para PolyJet (Israel) systems RedEye Stratasys (EEUU) servicio para proveer a clientes (online) Objet Eden500V Geometries formato agrandado PolyJet (Israel) Zprinter 310 Plus Z Corp (EEUU) actualización de la Zprinter 310 Viper pro SLA más grande que la Viper con sistema 3D Systems modular que permite funcionar con uno (EEUU) o dos recipientes de resina Perfactory SLM Realizer 100 VX800 3D Systems (EEUU) Envision Tec (Alemania) MCP (Inglaterra) Voxeljet Tech GmbH nueva poliamida (DuraForm EX) para la Sinterestation actualización de la Perfactory fundido láser selectivo para medio/micro aplicaciones sistema de polvo termoplástico que usa tecnología 3DP (usada por Zcorp, 23

24 Eden 350/350V/250 InVision DP Vantage X (Alemania) AeroMet (EEUU) Speed Part (Suecia) Stratasys (EEUU) Soligen (EEUU) Objet Geometries (Israel) 3D Systems (EEUU) Stratasys (EEUU) proveniente de MIT) cesa sus operaciones (al parecer hacer partes de titanio para el sector aeroespacial no era rentable) lámparas infrarrojas proyectan luza a través de una máscara para sinterizar polvos (10 segundos por capa) firma un acuerdo con Arcam (Suecia) para ser el único distribuidor de EBM (fusión por haz de electrones)en norteamérica cesa el negocio tras 12 años actualización de las Eden incluye un escáner 3D así como la máquina para el sector dental actualización de la anterior Vantage EOS(Alemania) introducción de materiales de acero y cromo-cobalto Dimension 1200 Stratasys actualización de la anterior Dimension 3D printer ProtoGen OXT y O-XT Acura 60 TrumaForm LF Formiga P100 EOSINT P390/P730 estereolitografía Desktop Factory (EEUU) DSM (EEUU) 3D Systems (EEUU) Trumpf (Alemania) Stratasys (China) Electro Optical Systems (Alemania) Electro Optical Systems (Alemania) Next Factory (Italia) Meiko (Japón) máquina a un precio de unos 5000 de luz halógena y tambor de pintura para plástico en polvo NanoTool, nanopolímeros de alta resistencia al calor trabajo con SL sobre materiales parecidos al ABS con alta precisión trabaja con un fotopolímero parecido al policarbonato construcción en lecho de polvo por la fusión selectiva con un disco láser de Trumpf apertura de una oficina de la empresa americana en Shanghai sinterizado láser diseñado desde cero máquinas de alto rendimiento máquina con mejoras en velocidad y capacidad cesa sus operaciones 24

25 LENS Tecnología para la reparación (y Optomec fabricación) de piezas y herramientas (EEUU) prolongando su vida útil Maxus Máquina FDM, trabajo en ABS Materialise Titan (EEUU) Máquina FDM menor que la Maxus, pero más precisa V-Flash 3D usa una nueva tecnología de 3D Systems transferencia de película y fotografías (EEUU) flash Dimension Elite Stratasys nueva versión de la Dimension nuevas máquinas T66: D66 para el D66/R66 Solidscape sector dental, R66 para el sector de joyería primera impresora 3D a color con Zprinter 450 Z Corp (EEUU) precio inferior a $, extracción y reciclado de polvos automático DMX-SL 100, material de altaq resistencia a impactos DSM (EEUU) WaterClear Ultra, material con propiedades parecidas al ABS, Mammoth EOSINT P800 Dental Lab DP System Huntsman (EEUU) 3D Systems (EEUU) Advanced Laser Materials (EEUU) Materialise (EEUU) EOS+Trumpf EOS (Alemania) EOS (Alemania) 3D Systems (EEUU) resistencia al agua y claridad mejorada 71640, resina para lásed HeCd que ofrece baja viscosidad y resitencia a impactos Acura 55, resina que imita el ABS poliamida para sinterizado láser de propiedades piroretardantes (propiedades similares al Nylon 11) composite poliamida con alto grado de reciclaje Máquina con capacidades superiores a 2 metros Acuerdo para unir fuerzas en lo que se refiere a sinterizado láser. Nueva poliamida de alta resistencia a impactos, PrimePart DC; e Inconel 718 resistente a altos esfuerzos Uso de EOSINT P 390 para fabricar el motor de un avión no pilotado mediante sinterizado plástico. Primera máquina AM de sinterizado láser con materiales como PEEK HP3 o cerámica de vidrio Nueva máquina para el sector dental 25

26 2008 ProJet CPX3000 Nueva impresora 3D de alta resolución para patrones en cera. ipro(tm) 9000 XL (SLA) Nueva máquina SLA con mayor capacidad y precisión. ipro(tm) 8000 SLA Máquina más asequible con parecidas prestaciones a la 9000 XL Nueva máquina para trabajar en Dimension 1200 es ABSplus, un 29% más rápida y un 50% más de capacidad ABS-M30i, nuevo termoplástico de alta resistencia y biocompatible Gran venta de máquinas a Peugeot Brasil Stratasys Nueva máquina que presume de un FDM 900mc 99.9% de precisión respecto del modelo CAD Smoothing Station Sistema semiautomático que consigue rugosidades de entre 30 y 60 μm Presentación de prototipo de una chopper a escala real fabricado íntegramente con FDM Zprinter 650 Z Corp (EEUU) Remodelación de la anterior, mayor velocidad, precisión y gama de colores DSM (EEUU) Nuevos compuestos biomédicos Dyneema Purity y Arnitel para unión de tendones/articulaciones Nueva resina negra y composite flexible Araldite Digitalis Huntsman (EEUU) MEMS (micro-electro mechanical system), tecnología que incorpora MLS (MicroLightSwitching ) Connex 500 Nueva máquina ligada a SolidWorks con operaciones multimaterial Eden 350/500 Objet Geometries (Israel) Remodelación de maquinaria con tecnología Optimax, menos fallos, mayor automatización y durabilidad Alaris 30 Nueva máquina de reducidas dimensiones y económica DDP Máquina para el mercado dental, Digital Enviosion Tec Dental Printer (Alemania) Materiales para machos de colada sin porosidad D76 Solidscape Nueva máquina para el mercado dental Digital Dental P ExOne (EEUU) Máquina destinada al sector dental Mammoth Materialise Aumento de capacidad y mayor (EEUU) precisión (0.1 mm por capa), nuevo 26

27 EOSINT M 270 V-Flash spro 60 SLS ProJet MP3000 ProJet 5000 uprint FORTUS Zprinter 350 Connex350 Perfactory Xede Aureus D76+ prexacto EOSINT P395 y P760 EOS (Alemania) 3D Systems 3D Systems 3D Systems (EEUU) Stratasys Zcorp DSM Objet (Geometries) (Israel) Envisiontec Solidscape Materialise EOS (Alemania) material Protogen White Remodelación de la antigua M270, fabricación de calidad con titanio Material IN 718, resiste altas temperaturas, grandes esfuerzos y posee propiedades criogénicas DuraForm FR100, material fuegoretardante (rango V0) Nueva máquina para uso particular (10000$) Nueva máquina para uso profesional MQast, plataforma digital para pedido de piezas en Al o acero inox. Por parte de particulares Nueva máquina para el sector dental Máquina con formato ampliado Impresora 3D personal valorada en $, trabaja con ABSplus (40% más resistente que el habitual) Renombramiento de la antigua gama de maquinaria industrial FDM ULTEM, nuevo termoplástico resistente a esfuerzos, químicos y altas temperaturas Nueva máquina monocroma de bajo coste, 20000$ Stanyl ForTii, poliamida flamaretardante y termo-resistente FullCure 85VeroGray mejora del anterior material FullCure 800 Versión más pequeña de la Connex nuevos materiales de diferentes propiedades para usar con Connex (multimaterial) Remodelación de la antigua Perfactory Máquina de fotopolimerización para alta resolución y baja productividad D76 mejorada con SCP (smooth curvature printing) Nueva familia de maquinaria dental con tecnología SCP Xtreme, material resistente a impactos. Mejoras de las P390 (mejor calidad) y P730 (doble láser de sinterizado), fabricación plástica 27

28 EOSINT M270 Dual EOSINT M280 ProJet DP3000 RapMan 3.0 HP Zprinter 150 y 250 Zprinter 310+ ZBuilder Ultra Objet24 y 30 Eden 260V S-Max EOSINT P800 ProJet 6000 ProJet HD3000+ EOS (Alemania) 3D Systems (EEUU) Stratasys ZCorp Objet (Israel) Objet ExOne Materialise EOS 3D Systems Aplicación nitrógeno o argón en el sinterizado en metales (8 materiales a elegir) AlSi10Mg, aleación de aluminio para la M270 PA2200, material para implantes óseos Mayor velocidad, repetibilidad y capacidad que su antecesora NickelAlloy IN625, aleación de altas prestaciones y PrimePart ST, plástico de flexibilidad variable Actualización de mayores prestaciones que la anterior DP Pequeña y simple máquina de prototipado rápido en ABS Stratasys fabrica impresora 3D para la compañía HP Pequeña máquina de carácter profesional desde y (multicolor) Máquina de impresión 3D para el sector educativo, Máquina de altas competidora con la inyección en plástico; más barata y equiparables resultados. Máquinas para piezas en sucedáneo de plástico ABS por Destinada al sector dental con precisión de 24micras Máquina de grandes dimensiones, modelado en arena Nuevo compuesto NeXt de gran resistencia a impactos PA 2221, polímero que hace reducir el consumo de material en un 30% frente a similares Capaz de trabajar con polímeros de alto rendimiento gracias a sus sinterizado a 385ºC Primera máquina crossover, manejabilidad de una impresora 3D y resultados profesional SLA Volumen de construcción mayor, precisión de 16 micras Acura CastPro, material para procesos de moldeado 28

29 Actualización de la 3.0 por un precio de RapMan $ 3D Systems Adquisición de la línea de SLA de Huntsman Nueva máquina FDM de concepto FORTUS 250mc crossover Stratasys Policarbonato (PC10) para soportes, mejora su extracción Zprinter 650 ZCorp Mejor resolución e incorporación de color negro a su cabezal, cuatricromía Connex500 Nueva máquina multimaterial de características mejoradas Eden 350V Capeado de 16 micras, permitiendo una fabricación continua sin supervisión de 72h Capaz de ofrecer 14 diferentes acabados Objet Connex260 en una misma pieza, menor tamaño que la 500 MED610, nuevo material biocompatible transparente RGD525 material para aplicaciones en temperaturas de hasta 100ºC Ultra 2 Máquina de carácter industrial para EnvisionTec múltiples aplicaciones pluscast, material específico para Solidscape operaciones de moldeo Stratasys adquiere Solidscape LENS 850R Optomec Fabricación en metal. ExMicro Orion ExOne Para recubrimiento de superficies y fabricación en metal Materialise Tusk SolidGrey3000 alta rigidez y resistencia a impacto CPM (Cookson precious metal) se alía EOS con EOS para fabricación con metales preciosos, joyería. Adquiere la empresa ZCorp 3DTouch Máquina con display táctil de fácil uso, 3000 con 1, 2 o 3 cabezales Cube Pequeña impresora 3D multicolor con 3D Systems tecnología wifi para uso personal Cabezales MJM (MultiJetModelling) y ProJet nuevos materiales y 8 configuraciones, pantalla táctil ZPrinter 850 Con mayor volumen y velocidad Mojo 3D Stratasys Máquina low-cost por 9900$ de alta precisión 29

30 2012 Objet 30Pro Perfactory Micro Objet Envision Tec Adquiere Stratasys Máquina económica multimaterial (7 diferentes) precisión de 28micras Pequeña máquina con resolución de 1 micra Tabla 1. Visión histórica AM Fases. Aunque existe gran variedad de procesos diferentes en la fabricación aditiva, todos ellos siguen un mismo patrón en cuanto a sus fases. En una visión rápida se podría dividir el proceso en dos fases fijas y una ocasional a saber: 1. Fase de digitalización: correspondiente a las operaciones realizadas con el fin de conseguir el modelo.stl para que se pueda proceder a la comprensión por parte de la máquina de AM, todo el proceso de creación de la pieza en modelo CAD 3D. También se agrupan aquí las tareas de ingeniería inversa si se ha requerido. 2. Fase de fabricación: se correspondería con el proceso en el que la máquina está haciendo físicamente las capas del producto. También se considera parte de esta fase las labores de emplazamiento de la pieza y, si procede, concepción y/o fabricación de soportes. Esta fase puede ser directamente la última si la pieza no precisa de una retirada de soportes o un acabado superficial mejor al ofrecido por la máquina. 3. Fase de acabado: se agrupan aquí los procesos de finalización de la pieza que agrupa tanto labores por exigencias de acabado superficial como la extracción de los soportes. En algunas ocasiones incluso un vaciado y un posterior rellenado con un material como cobre u operaciones térmicas para una mejora de las propiedades de la pieza. 30

31 Seguidamente se redacta de forma más detallada lo que sería el proceso de fabricación, se pueden entender las fases como las tres citadas anteriormente o como las expuestas a continuación: - Primeramente se pasa por la fase de concepción del producto como en cualquier otro proceso productivo. En este caso la concepción del producto se ha de plasmar no en un plano en 2D como es habitual sino en un modelo de CAD en tres dimensiones. Este modelo 3D es la figura final y se genera con un software como puede ser Rhinoceros, AutoCAD, Catia, etc. Pero también se puede realizar este paso con un proceso de ingeniería inversa. Estos procesos parten de una pieza física para hacerle un escaneado tridimensional que se transforma en una nube de puntos y, mediante métodos de ingeniería inversa, finalmente en un modelo CAD. Ilustración 1. Concepción de modelo 3D. - Una vez obtenida de una u otra forma el modelo CAD se transforma éste en una malla formada únicamente por triángulos que se ajusta a las superficies concebidas; este proceso hace que la información en un principio ajustada a tangencias, radios, límites, etc. se transforme en una información matemática que sólo contempla esos triángulos interrelacionados y la posición de sus vértices (cualquier plano se puede definir por tres puntos, de ahí el modelo triangular). Este formato se 31

32 conoce como.stl (proveniente la abreviatura de Stereolithography, estereolitografía, el que se puede considerar como precursor del resto de métodos de fabricación 3D) y puede trabajar bajo un formato binario o ASCII; el código ASCII tiene el inconveniente de que ocupa un mayor espacio. En este tipo de formatos también es posible incluir la información de color. Ilustración 2 triangulación de superficie Debido a la gran cantidad de triángulos que se generan en el archivo formato.stl el tamaño del fichero se amplía considerablemente, por lo que un fichero.stl puede ser miles de veces mayor que el CAD original. Esta cuestión está directamente relacionada con la precisión que se requiera; mayor precisión, mayor número de triángulos y, en definitiva, un mayor tamaño del archivo. También está relacionada, obviamente, con la complejidad presente en el modelo CAD. Es una tarea imprescindible comprobar y corregir la malla de triángulos para evitar posibles errores en la fabricación. Un punto a tener en cuenta al trabajar con este tipo de formatos es que la modificación de parámetros es bastante complicada ya que toda la información geométrica se ha perdido para cambiarla por información matemática, para ello es preferible regresar al fichero CAD 3D. Actualmente hay software capacitado para realizar y modificar diseños de una forma parecida a la que se encontraría en un software de CAD 3D. - En la siguiente fase se emplaza virtualmente el objeto en un espacio, que es la réplica del volumen de trabajo que tiene la máquina de AM, hasta orientar la pieza correctamente. Una vez orientada la pieza se puede proceder al posicionamiento de estructuras de soporte en zonas que sean de voladizo ya que no se puede hacer que solidifique el material en el aire. Es uno de los problemas que tienen alguno de los 32

33 procesos de AM. Generalmente se dispone de software dedicado al diseño de estos soportes, los cuales se integran en el fichero.stl original para poder proceder a la siguiente fase. Ilustración 3. Emplazamiento de piezas y soportes. - A continuación se puede dar el paso de capear toda la pieza a partir del modelo.stl, aquí se obtienen capas tanto de la pieza como de los soportes. Estas secciones se realizan a un espesor de capa determinado según la precisión que se necesite; este rebanado o slicing se hace en la totalidad de la pieza desde la posición inferior (posición definida en el paso anterior). Como en otras fases de fabricación aquí también intervienen determinados software concebidos para esta tarea. Es en esta fase donde se fundamentan los procesos de fabricación aditiva, gracias a este paso se consigue simplificar una geometría 3D en un apilamiento de geometrías 2D (aunque obviamente la capa tiene un cierto grosor, puede considerarse despreciable frente al resto de medidas) es la transformación de una ardua tarea en una sucesión de tareas sencillas (ya que la complejidad geométrica se reduce a la creación de contornos cerrados en los que hay o no material). Se debe aclarar que en el transcurso de esta operación se pierde cierta información asociada a la geometría; esto es debido al grosor de capa. El hecho de 33

34 realizar una capa implica que el borde de cada capa sea vertical, por lo tanto cualquier geometría que no sea completamente vertical respecto al corte no se reproducirá con su forma original sino que se formará mediante un escalonado de capas. Este escalonamiento será tanto más acusado cuanto menos inclinación respecto a la horizontal presente el plano. Ilustración 4 elipse seccionada (a menor espesor de capa mayor precisión geométrica) - La última fase en la fabricación es la realización de las operaciones por la máquina de AM, este proceso se realiza de diferentes formas según la tecnología aditiva elegida, pero todas ellas siguen el mismo proceso a la hora de fabricar: se crea la capa y a continuación se adhiere a ella la inmediatamente superior una tras otra hasta la completa fabricación del objeto. -Tras este proceso se retira la pieza junto con los soportes fuera de la cuba de fabricación. Los soportes se cortan o arrancan y, de haber lugar, se recoge el material de aporte no empleado. Una vez limpia la pieza se puede llevar a cabo un postprocesado en que se le dará el acabado superficial requerido, un tratamiento térmico, un infiltrado de material de aporte, según los requerimientos especificados por el cliente o uso final Clasificación de técnicas aditivas. Como en cualquier ámbito, cuando se habla de una clasificación hay que fijar una característica en la que centrarse para poder diferenciar los aspectos a catalogar teniendo un mismo criterio. Una forma de clasificar los procesos de fabricación aditiva podría ser teniendo en cuenta el material que se usa, separando de esta forma materiales poliméricos, céridos, metales, 34

35 También se realiza en ocasiones una clasificación en la que se tiene en cuenta el propósito de las piezas que se fabrican, es decir, su aplicación; de esta forma se diferenciarían los procesos destinados a la realización de moldes (RC, Rapid Casting), prototipos (RP, Rapid Prototyping), punzones o cavidades para máquinas (RT, Rapid Tooling) y productos finalizados (RM, Rapid Manufacturing). Esta clasificación algunas veces se ve modificada introduciendo el Rapid Casting en la categoría de Rapid Tooling. Otra forma más de llevar a cabo la clasificación es desde el punto de vista de cómo se lleva a cabo el aporte de material. Esta clasificación es de las más utilizadas al hablar de procesos de fabricación aditiva. - Lecho en polvo: - Sinterizado Láser Selectivo (SLS) o EBM (electro beam melting) - Sinterizado térmico de polímeros. - Impresoras 3D (3DP). - Lecho Líquido: - Estereolitografía (SL). - Inyección: - Deposición de hilo fundido (FDM). - Polyjet. - Boquilla: - Revestimiento láser (Laser Cladding). También existen métodos de fabricación aditiva no contemplados aquí ya que trabajan con la adición de láminas de papel o cartón que se van cortando y pegando. A parte de estas clasificaciones hay una que llama especialmente la atención ya que tiene en cuenta dos puntos de vista diferentes para la agrupación de los procesos de fabricación aditiva. Se tiene en cuenta por una parte el método de aporte de material, y por el otro, la forma de aporte de energía. Esta forma de clasificar los procesos puede dar una información extra que no se contempla en otros tipos de clasificación referida a la rapidez del proceso. En primer lugar se clasificarán en punto, línea y lecho según el método de aporte de material: 35

36 - Punto: en este caso se usan sistemas que aportan el material punto a punto. Se podría asemejar a un plotter; el mecanismo que aporta el material se mueve gracias a un sistema de dos ejes que se desplaza en la zona de trabajo, pudiendo describir trayectorias rectas o curvas en un plano xy. - Línea: estos sistemas van aportando el material en líneas o conjuntos de puntos alineados gracias a inyectores con múltiples canales. El aplicador efectúa barridos a lo largo de la zona de trabajo depositando material donde se requiere (selectivamente) gracias a la coordinación de esa multitud de canales que funcionan independientemente. - Lecho: se trata de una aportación de material en exceso; se añade material en una cantidad igual al espesor de capa que rellena toda la superficie de trabajo para, posteriormente, ser consolidado únicamente en las posiciones requeridas. Estos sistemas disponen de un recoater, que puede variar siendo una cuchilla, una tolva, un rodillo,, gracias al cual se aportan y/o alisan las capas de material sobrante. Son denominados habitualmente sistemas de lecho completo. Como se ha indicado anteriormente se tendrá en cuenta la forma de aporte de energía. El aporte de energía es de vital importancia ya que tras la fabricación de una capa se lleva a cabo una segunda, tercera, etc. hasta acabar la pieza por completo; esas capas han de estar sólidamente unidas ya que las características mecánicas de la pieza dependen en gran medida de ello. Además la calidad final también está estrechamente relacionado con este aporte energético, así como otro tipo de características como porosidad, resistencia eléctrica, - Sistemas 0D: la energía está condensada en un único punto. De esta forma la consolidación depende de un solo punto que tiene que moverse por toda la superficie que está destinada a formar la pieza propiamente. - Sistemas 1D: en este caso la energía se transmite en forma de líneas que van variando su longitud según se va haciendo el barrido. - Sistemas 2D: se trata de la consolidación del material de una misma capa de un solo golpe, en una sola operación. Se pueden diferenciar dos tipos de sistemas 2D, a saber: en un sistema de lecho completo la energía se presenta en forma de máscara; en cambio, en un sistema en el que se ha depositado el material selectivamente se aplica a toda la capa, ya que no hay material sobrante como en lecho completo. 36

37 Este aporte de energía se suele realizar de dos formas diferentes: mediante calor, que permite la fusión de metales y termoplásticos así como la polimerización de ciertos plásticos, o mediante radiación ultravioleta, con lo que se consigue un proceso de curado de materiales fotosensibles (generalmente polímeros). Existe un elemento común a todos los sistemas, éste es el encargado del movimiento de la superficie de trabajo una distancia igual al espesor de capa. El material que corresponde a la primera capa del objeto se adhiere sobre una plataforma en sistemas de aporte selectivo, en sistemas de aporte masivo (lecho) se cubre la plataforma enteramente. Esta plataforma de construcción desciende el espesor correspondiente a la capa después de realizar la primera. Debido a esta característica las piezas tendrán unas dimensiones máximas correspondiendo con el área de la plataforma así como la carrera máxima que ésta puede recorrer. Se trata de un elemento que debe disponer de una altísima precisión ya que un error minúsculo puede repercutir de manera bastante visible en el resultado final de la pieza (cuantas más capas, mayor error se recoge) y además está el factor del peso de la pieza, más acentuado en sistemas de lecho completo ya que todo el volumen de trabajo está lleno de material, llegando en algunos casos a representar un peso de varias toneladas. Como se mencionó antes, mediante la combinación del método de aporte de material y el método de aporte de energía se puede uno hacer a la idea de la rapidez del proceso; lógicamente un aporte de material punto a punto será más lento que uno en línea y lecho, y un aporte de energía punto a punto (0D) será más lento que uno de línea (1D) o de máscara (capa completa, 2D) Lógicamente si se realiza un aporte de material en lecho completo no se puede realizar un aporte de energía desfocalizado; en cambio, la realización de la capa por medio de un aporte de material de manera selectiva hace que se pueda utilizar una fuente de energía desfocalizada. El coste de una máquina de AM está directamente relacionado con la fuente de energía a utilizar así como con los sistemas de posicionamiento; y, por otra parte, la precisión y reproducción geométrica de la pieza tienen que ver con la calidad de los sistemas que posicionan el material en la situación deseada y los que aportan la energía necesaria en cada posición. Por lo tanto a mayor calidad de máquina mayor calidad en los resultados, como era de esperar. 37

38 Aporte de energía Análisis técnico-económico de técnicas de fabricación aditiva para aplicación en Según esta clasificación doble se puede realizar un cuadro como el mostrado a continuación para encuadrar las diferentes tecnologías aditivas. Se aclara que en este informe se tendrán en cuenta los procesos principales de AM. Aporte de material Punto Línea Lecho 0D (punto) SLA, SLS, Laser EBM,DMLS, Cladding, - (SLM, Laser FDM Cusing) 1D (línea) - Polyjet 3DP, MLS 2D (capa entera) - - DLP, SMS Tabla 2. Clasificación AM A continuación se exponen uno a uno los procesos mencionados en el cuadro: - Laser Cladding (revestimiento láser, punto 0D): este tipo de tecnologías se pueden ver como una evolución de los procesos de soldadura. La fabricación del objeto se lleva a cabo mediante una boquilla que alimenta la instalación con el material a fundir (pudiendo ser en forma de polvo o de varilla) de forma que se posiciona en el lugar requerido según los criterios de diseño. En ese mismo punto se aplica la energía en forma de láser o plasma intensa y concentradamente. Al ponerse en contacto el material con la energía proveniente de la fuente éste se funde sobre la base (primera capa solamente) o la capa anterior y se solidifica de forma prácticamente inmediata. Al tener tanta intensidad la fuente de energía se debe proteger el resto de la estructura construida para evitar deformaciones; esto se consigue gracias a la proyección de una atmósfera de gas inerte en las inmediaciones del punto de fusión. Este proceso fue concebido en un primer momento para la 38

39 reparación de piezas de gran tamaño, también es usada para mejorar las propiedades mecánicas así como para dar una mayor resistencia a la corrosión a piezas metálicas. Estos procesos no siempre se componen de las mismas partes móviles por lo que cabe diferenciar tres tipos: Cabezal móvil y mesa fija: dispone de un cabezal que puede moverse en determinadas direcciones, pero presenta limitaciones a la hora de realizar geometrías difíciles. Cabezal fijo y mesa móvil: se trata de un cabezal de alimentación en posición vertical hacia abajo fija, con lo que la mesa de construcción está anclada a un cabezal móvil que permite describir las diferentes geometrías. Se trata de un sistema en el que la parte móvil además es la que sujeta todo el peso de la pieza por lo que la mesa ha de tener alta precisión y resistencia. Cabezal y mesa móviles: es la composición más acertada para la realización de piezas con intrincadas geometrías, más esto se traduce en un aumento de la complejidad en el ámbito de programación ya que son dos partes móviles a controlar. En estos casos se debe hacer un estudio para decidir de cuánta movilidad se precisa por parte de la mesa y cuánta por parte del inyector. Las limitaciones que se encuentran en este tipo de procesos son las mismas que se encuentran en un proceso de soldadura habitual ya que básicamente es una soldadura punto a punto automatizada. Estos procesos se encuadran en fabricación aditiva ya que, aunque no se realizan capas de adición iguales o similares una encima de otra, sí es cierto que el proceso consta de la adición de material en los lugares donde se requiere y que el aporte de material se realiza por capas aunque no sea de una forma continua. El laser cladding es la mejor forma de realizar revestimientos en una superficie sin importar su geometría, ya que aumenta la vida útil de la pieza en 6 o 7 veces la original. 39

40 Las partes de piezas realizadas mediante este tipo de procesos no tienen ninguna fisura ni porosidad, al fundirse adquieren una gran compactación. A continuación se muestra una imagen de un proceso habitual de laser cladding en el que se está añadiendo un reborde al eje de un engranaje cónico helicoidal. Ilustración 5 Laser cladding. Cortesía de GNClaser En la siguiente ilustración se muestran diferentes formas de aporte de material según una varilla (wire) en el apartado a); mediante chorro de polvo en el apartado b); chorro de polvo y doble inyector simétrico al láser c); y un cabezal con sistema de refrigeración e inyector de gas inerte d). Resulta lógico pensar que el cuarto sistema es el que proporciona unos resultados de mayor calidad, ya no solo por poseer un inyector cónico coaxial al láser, sino porque además dispone de un sistema de refrigeración para evitar el calentamiento y obstrucción de los inyectores, así como otro conducto para inyectar gas inerte y evitar la propagación del fundido en las áreas próximas al punto exacto. Ilustración 6 Diferentes inyectores laser cladding 40

41 - FDM, Fused Deposition Modeling (modelado por deposición de fundición, punto 0D): en este método se pasar un hilo de termoplástico por el interior de un inyector calefactable (generalmente se usa ABS, pero es posible la fabricación con termoplásticos diferentes variando la temperatura del cabezal así como con determinadas ceras, como son las destinadas a la formación de patrones). Este proceso se comercializó por primera vez en 1991 por parte de la casa Stratasys que alimentaba su máquina con ABS. El termoplástico en cuestión avanza a lo largo de la boquilla calentándose hasta llegar a su fusión, seguidamente se deposita sobre la mesa o capa anterior adhiriéndose a ella por estar fundido y solidificándose por la mera diferencia de temperaturas. Una característica de este tipo de procesos es la posibilidad de elegir colores diferentes; existen máquinas con diferentes cabezales, cada uno de ellos con una carga de hilo plástico de diferente color y/o propiedades. En el caso del FDM existe la posibilidad de que en ocasiones sean necesarias estructuras de soporte por la presencia de voladizos. Estos soportes obviamente están realizados con el mismo material que el resto de la pieza, esto hace que al realizar la extracción de dichos soportes queden marcas en la pieza definitiva. Como se ha mencionado antes, existen máquinas de FDM en las cuales se puede realizar una pieza con materiales diferentes; por ello el ingenio ha dado con una solución para esos soportes: en vez de realizarlos con el mismo material se fabrican con uno de propiedades diferentes. De esta forma se realiza una fabricación selectiva y la eliminación de material de soporte es más fácil. Un aspecto a tener en cuenta a la hora de realizar estructuras de soporte es que si se fabrica un soporte en una cavidad éste ha de ser extraído posteriormente, por lo que si se realiza una oquedad interior el soporte se quedará en su interior. Se ilustra en la siguiente página lo descrito: 41

42 Ilustración 7 FDM selectivo. Cortesía de custompartnet. Como muestra el esquema la máquina dispone de dos bobinas diferentes (la de color claro corresponde al material en el que se realizarán las partes de soporte y la de color oscuro se identifica con el material de fabricación de la pieza propiamente dicho). Como se observa se dispone de un cabezal de extrusión doble en el que se integran los dos hilos de material que son dirigidos mediante unas ruedas conductoras hacia el licuador (liquifier, lugar donde se producen las altas temperaturas para la fusión del material de aporte) para finalmente salir por el inyector. El punto débil de estos procesos es el hecho de que son bastante lentos en comparación a otras técnicas de fabricación aditiva; también la calidad superficial está limitada si se asemeja a otros procesos. Las piezas finalizadas tienen un tacto más bien rugoso. - Polyjet (línea 1D): en el caso de la máquina Polyjet se hace uso de una serie de resinas líquidas que son sensibles a la radiación ultravioleta. Esta tecnología fue desarrollada en Israel en el año 2000 bajo en nombre de Quadra por la empresa 42

43 Objet Geometries, el nombre hace pensar en el número cuatro, el número de inyectores que posee precisamente. La novedad es la inclusión de 384 boquillas en cada inyector. Cada boquilla deposita resina líquida fotosensible. Dispone de un cabezal móvil según los ejes xy de alta precisión, lleva a cabo una impresión similar a la que se da en una impresora de chorro de tinta convencional: un movimiento de derecha a izquierda y varios barridos de arriba a abajo; la mesa de fabricación también dispone de alta precisión ya que cada capa de material tiene un espesor aproximada de unos 16 micrómetros. Este cabezal móvil está equipado con unos emisores de luz ultravioleta a cada lado del cabezal con lo cual instantes después de realizar la deposición de material éste solidifica. Además de este gran número de boquillas también dispone de otras boquillas integradas en el cabezal principal con material que se usará para las estructuras de soporte. Estas boquillas realizan la deposición de material al mismo tiempo que el resto por lo que la capa fabricada se puede componer de resinas diferentes. Los materiales usados para realizar las estructuras de soporte suelen tener un grado de dureza bajo (materiales blandos) para que su extracción sea más fácil, ya sea mediante un método manual o con chorro de agua. Como se ha dicho anteriormente estos procesos de incorporación de soportes con materiales diferentes al del modelo permiten que prácticamente no se advierta la anterior presencia de soportes en la pieza. 43

44 Ilustración 8. Cabezal de Polyjet y esquema (derecha). Cortesía de undoprototipos.com y objet.com. En el esquema de la derecha se pueden apreciar los dos tipos de material empleados ( support material referido al material de soporte, y model material referido al material de la pieza en sí). Este proceso consigue un acabado de gran calidad pudiendo realizar paredes de un grosor aproximado a 0.5 milímetros. Es debido a esta gran precisión por lo que se utiliza para realizar piezas de pequeño tamaño y/o gran nivel de detalle, asimismo tiene gran repercusión en la fabricación de patrones para moldes. El acabado que presentan las superficies es ligeramente rugoso. Se debe de informar de la aparición en 2008 de una máquina de fabricación multimaterial. Presentada por la misma casa (Objet Geometries) la novedosa Polyjet Matrix introduce una diferencia que radica en lo siguiente: las combinaciones de materiales descritas anteriormente se referían a los de la pieza final y las estructuras de soporte; en este caso se habla de que la pieza final disponga de varios materiales en su composición a parte del destinado a estructuras de soporte. Esta tecnología no solo proporciona una composición multimaterial sino que además permite la mezcla 44

45 de estos diferentes materiales en proporciones variables, esta diferenciación permite un cambio progresivo en las propiedades de la pieza final según los requerimientos especificados. Se podría usar un material rígido en una zona destinada a soporte, y un material flexible en una zona que esté expuesta a golpes por ejemplo. De igual forma es posible que interese realizar partes del objeto con materiales transparentes y otras opacas. Todo ello se realiza sin la necesidad de adherentes ni sistemas de sujeción entre los distintos materiales. - SLA, Stereolithography (estereolitografía, lecho 0D): es considerada esta tecnología como la pionera en cuanto a lo que el prototipado rápido se refiere. Hubo una primera patente en el año 1986, elaborada por Chuck Hull; pero la primera máquina fue lanzada por 3D Systems, empresa norteamericana, en Mediante esta tecnología se puede trabajar con resinas en estado líquido (pudiendo variar su composición para variar las propiedades del objeto final según la necesidad). Este tipo de resinas han de ser fotosensibles a la luz ultravioleta ya que el fraguado se realiza mediante el uso de un láser. El láser posee movilidad en un plano xy, de forma que va dibujando, por decirlo así, las zonas que deben convertirse en parte de la pieza. Este proceso se lleva a cabo, recordando la clasificación, mediante aporte de material en lecho completo; esto quiere decir que toda la superficie no afectada por el haz láser seguirá presentando las propiedades habituales del polímero. En este caso el polímero se encuentra en una cuba de fabricación en estado líquido. En el fondo de la cuba se encuentra, al igual que en los anteriores procesos de fabricación, la plataforma de construcción que descenderá una distancia equivalente al espesor de capa (las capas suelen presentar un grosor de unas 100 micras). Tras el descenso de la plataforma de fabricación se debe rellenar el espacio que ha quedado vacío con más material de aporte, por lo que existe un nivelador o recoater que se encarga de, una vez rellenado con polímero líquido el espacio, eliminar el exceso de material. Este exceso se crea debido a la viscosidad de las resinas líquidas, la eliminación de este paso supondría una mala reproducción del modelo CAD 3D concebido en un primer momento. A continuación se presenta un esquema de un proceso de estereolitografía típico. El rayo láser pasaría a través de unas lentes para conseguir la potencia deseada 45

46 y llega hasta un espejo. El espejo es la parte móvil del sistema de solidificación, que oscila describiendo las trayectorias en el plano de fabricación previamente enrasado por el recoater (Sweeper). Tras finalizar la pieza generalmente se limpia con alcohol la superficie para eliminar restos de resina líquida. Posteriormente se suele realizar un curado con luz UV ya que la pieza se encuentra en estado verde, no posee las propiedades mecánicas requeridas. Ilustración 9. Proceso SLA. Costesía de custompartnet.com Es la tecnología más antigua y la más difundida igualmente. Este tipo de máquinas permiten la fabricación de piezas con geometrías de alta complejidad y pequeño espesor en multitud de resinas diferentes, éstas presentan por tanto distintas propiedades (biocompatibilidad, opacidad, flexibilidad, ). El acabado superficial de las piezas es equiparable al que se conseguiría con un centro de mecanizado. Un punto desventajoso para estos procesos tiene que ver con la naturaleza de estas resinas ya que su exposición continuada determinadas fuentes de radiación, como por ejemplo la solar, hace que se produzca un proceso de curado continuo que se hace notar de forma inmediata en las características mecánicas de la pieza. Para evitar posibles fallos en el proceso de fabricación de un objeto las principales características 46

47 que se deben tener en cuenta a la hora de escoger el fotopolímero se podrían resumir en las siguientes: Alta reactividad a la radiación láser. Viscosidad estable y controlable. Limitada volatilidad. Limitada toxicidad. Baja contracción. Bajo nivel de energía de activación. Alta reactividad a la radiación láser. Buenas propiedades mecánicas después de la polimerización. Dependiendo de la geometría de la pieza es posible que se precise de estructuras de soporte como sucede en otros procesos. El sistema de lecho completo hace que los soportes sean del mismo material que el resto de la pieza por lo que la extracción de los mismos deja una marca que hay que lijar posteriormente. Otro aspecto importante en estos procesos, ya que no se llega a un curado completo de las piezas, es el conocimiento de la cantidad de material que pueden soportar las capas inferiores sin deformarse. El tamaño de la pieza está restringido al tamaño de la cuba, pero en la actualidad existen máquinas, como la Materialise proveniente de Bélgica, con un entorno de trabajo de 2100 x 700 x 800 mm. Ilustración 10 Figura humana en máquina Materialise. 47

48 - SLS, Selective Laser Sintering (sinterizado láser selectivo, lecho 0D): esta tecnología tiene su primera aparición corre por parte de la Universidad de Texas a finales de los ochenta (aunque la patente pertenece a Ross Housholder y está fechada en 1979). Gracias a la Universidad de Texas se funda la empresa DTM Corporation que comercializa su primera máquina en 1992 (esta empresa será posteriormente absorbida por 3D Systems). Esta tecnología se desarrolla en Europa, y más concretamente en Alemania, en 1994; la empresa EOS GmbH (Electro Optical Systems) lanza al mercado su primera máquina SLS, la EOSINT-P. Desde su aparición en 1989 no ha parado de crecer; su primer lanzamiento fueron unas resinas fotosensibles en 1990, y, actualmente, esta empresa puede considerarse líder mundial en el campo del sinterizado. Es un proceso es muy parecido a la estereolitografía. Se utilizan polímeros en polvo que son sensibles a la luz proveniente de un láser, este láser suele usar CO 2 es ajustado para fundir el material. El rayo láser, al igual que ocurría en el proceso de estereolitografía, es dirigido hacia el punto exacto de fusión por medio de un espejo que oscila según la posición demandada, dibujando cada capa. La cuba de fabricación dispone de otras dos cubas más a cada lado rellenas con material de aporte; cada vez que la plataforma de fabricación (Build piston) desciende el nivel correspondiente a una capa, la plataforma de aporte (powder feed piston) se eleva para que un recoater cilíndrico (Leveling roller) extienda una nueva capa de polvo polimérico sobre la cuba de fabricación. La doble plataforma de aporte es una idea para que el posible material de aporte sobrante tras el barrido del recoater vaya directamente a formar parte del material de aporte del lado opuesto; con cada capa fabricada el recoater hace el recorrido en sentido contrario al anterior, aprovechando el material de aporte de cada plataforma. Esquema del proceso en siguiente página, ilustración 12. Tras concluir la fabricación de la pieza la cuba debe pasar por un proceso de enfriamiento que no puede ser brusco de ninguna manera, un enfriamiento brusco produciría deformaciones en la pieza de la misma forma que sucede en una inyección de plástico. Es una desventaja de este proceso de fabricación ya que el enfriamiento puede requerir un tiempo de enfriamiento próximo al que se ha empleado para la fabricación, un duro golpe en detrimento de la productividad del sistema. 48

49 Ilustración 11. Esquema SLS. Cortesía de custompartnet.com Por otro lado, hay que señalar también que el hecho de fabricar con este lecho en polvo hace que sea posible una fabricación aérea. Con esto se quiere decir que, a diferencia de los procesos descritos anteriormente, en SLS no es necesaria la inclusión de estructuras de soporte ya que el propio polvo de polímero es lo suficientemente consistente como para aguantar el peso de una capa. Por lo tanto, gracias a esta característica, se eliminan todos los defectos asociados a la aparición de estructuras de soporte como es el caso de oquedades con geometrías intrincadas; aunque no se puede lograr un espacio interior hueco, ya que éste se encontraría repleto de material polimérico en polvo. Por ello se puede considerar el proceso de SLS como el sistema que reproduce de una manera más fiel el concepto de tecnología de fabricación aditiva en cuanto a ventajas. Esto le confiere un sitio asegurado en aplicaciones reales de fabricación en serie, permite la fabricación de innumerables geometrías como mecanismos, muelles, elementos roscados, En este tipo de procesos se ofrecen grosores de capa de 100 micras, aunque ya existen máquinas, como la presentada por Electro Optical Systems (EOS) en 2010, con una altura mínima de capa de 60 micras. El acabado superficial de las 49