Impressió en 3D

Timelapse d'una impressora tridimensional en acció

La impressió en 3D, també anomenada fabricació additiva, és la construcció d'un objecte tridimensional a partir d'un model CAD o d'un model digital 3D. Es pot fer en una varietat de processos en què el material es diposita, uneix o solidifica sota control informàtic, amb el material que s'afegeix (per exemple, plàstics, líquids o grans de pols que es fusionen), normalment capa per capa.

A la dècada del 1980, les tècniques d'impressió 3D es consideraven adequades només per a la producció de prototips funcionals o estètics, i un terme més apropiat per a això en aquell moment era prototipatge ràpid. A 2019 , la precisió, la repetibilitat i la gamma de materials de la impressió 3D han augmentat fins al punt que alguns processos d'impressió 3D es consideren viables com a tecnologia de producció industrial; en aquest context, el terme fabricació additiva es pot utilitzar com a sinònim d' impressió 3D. Un dels avantatges clau de la impressió 3D és la capacitat de produir formes o geometries molt complexes que d'altra manera serien inviables de construir a mà, incloent-hi peces buides o peces amb estructures internes de gelosia per reduir el pes i alhora crear menys residus de material. El modelatge per deposició fusionada (FDM), que utilitza un filament continu d'un material termoplàstic, és el procés d'impressió 3D més comú en ús A 2020

Terminologia

El terme paraigua fabricació additiva (AM) va guanyar popularitat a la dècada del 2000, inspirat pel tema de la suma de materials (de qualsevol manera). En canvi, el terme fabricació subtractiva va aparèixer com a retrònim per a la gran família de processos de mecanitzat amb l'eliminació de material com a procés comú. El terme impressió 3D encara es referia només a les tecnologies de polímers en la ment de la majoria, i el terme AM era més probable que s'utilitzés en contextos de treball amb metalls i producció de peces d'ús final que entre els entusiastes dels polímers, la injecció de tinta o l'estereolitografia.

A principis de la dècada del 2010, els termes impressió 3D i fabricació additiva van evolucionar en sentits en què eren termes paraigua alternatius per a tecnologies additives, un utilitzat en llenguatge popular per les comunitats de consumidors-fabricants i els mitjans de comunicació, i l'altre utilitzat més formalment pels productors de peces d'ús final industrials, fabricants de maquinària i organitzacions de normes tècniques globals. Fins fa poc, el terme impressió 3D s'havia associat a màquines de baix preu o capacitat. La impressió 3D i la fabricació additiva reflecteixen que les tecnologies comparteixen el tema de l'addició o unió de materials al llarg d'un envoltant de treball 3D sota control automatitzat. Peter Zelinski, editor en cap de la revista Additive Manufacturing, va assenyalar el 2017 que els termes encara són sovint sinònims en l'ús casual, però alguns experts de la indústria manufacturera intenten fer una distinció en què la fabricació additiva comprèn la impressió 3D més altres tecnologies o altres aspectes d'un procés de fabricació.

Altres termes que s'han utilitzat com a sinònims o hiperònims han inclòs la fabricació d'escriptori, la fabricació ràpida (com a successor lògic a nivell de producció del prototipatge ràpid) i la fabricació a demanda (que fa ressò de la impressió a demanda en el sentit d'impressió 2D). El fet que l'aplicació dels adjectius ràpid i a demanda al substantiu fabricació fos novedós a la dècada del 2000 revela el model mental prevalent de l'era industrial anterior durant la qual gairebé tota la fabricació de producció havia implicat llargs terminis de lliurament per al desenvolupament laboriós d'utillatges. Avui dia, el terme subtractiu no ha substituït el terme mecanitzat, sinó que el complementa quan es necessita un terme que cobreixi qualsevol mètode d'eliminació. L'utillatge àgil és l'ús de mitjans modulars per dissenyar utillatges que es produeixen mitjançant mètodes de fabricació additiva o impressió 3D per permetre la creació ràpida de prototips i respostes a les necessitats d'utillatges i fixacions. L'utillatge àgil utilitza un mètode rendible i d'alta qualitat per respondre ràpidament a les necessitats dels clients i del mercat, i es pot utilitzar en hidroconformat, estampació, emmotllament per injecció i altres processos de fabricació.

Història

Dècades del 1940 i del 1950

El concepte general i el procediment que s'ha d'utilitzar en la impressió 3D van ser descrits per primera vegada per Murray Leinster al seu conte de 1945 "Things Pass By": "Però aquest constructor és eficient i flexible. Alimento plàstics magnetrònics (el material amb què es fan cases i vaixells avui dia) en aquest braç mòbil. Fa dibuixos a l'aire seguint els dibuixos que escaneja amb fotocèl·lules. Però el plàstic surt de l'extrem del braç de dibuix i s'endureix a mesura que arriba... seguint només els dibuixos"

Dècada del 1970

El 1971, Johannes F. Gottwald va patentar el Liquid Metal Recorder, patent nord-americana 3596285A un dispositiu de material metàl·lic d'injecció de tinta contínua per formar una fabricació metàl·lica extraïble sobre una superfície reutilitzable per a ús immediat o recuperada per imprimir de nou mitjançant la refusió. Aquesta sembla ser la primera patent que descriu la impressió 3D amb prototipatge ràpid i fabricació controlada de patrons sota demanda.

Dècada del 1980

Els primers equips i materials de fabricació additiva es van desenvolupar a la dècada del 1980.

L'abril de 1980, Hideo Kodama, de l'Institut Municipal de Recerca Industrial de Nagoya, va inventar dos mètodes additius per fabricar models de plàstic tridimensionals amb polímer termoestable fotoendurible, on l'àrea d'exposició UV es controla mitjançant un patró de màscara o un transmissor de fibra d'escaneig. Va presentar una patent per a aquest traçador XYZ, que es va publicar el 10 de novembre de 1981. (JP S56-144478). Els resultats de la seva recerca com a articles en revistes es van publicar a l'abril i al novembre de 1981. Tanmateix, no hi va haver cap reacció a la sèrie de les seves publicacions. El seu dispositiu no va ser molt avaluat al laboratori i el seu cap no va mostrar cap interès. El seu pressupost de recerca era de només 60.000 iens o 545 dòlars anuals. L'adquisició dels drets de patent per al traçador XYZ es va abandonar i el projecte es va cancel·lar.

Dècada del 1990

Els processos de fabricació additiva (AM) per a la sinterització o fusió de metalls (com ara la sinterització làser selectiva, la sinterització làser directa de metalls i la fusió làser selectiva) solien tenir els seus propis noms individuals a les dècades del 1980 i del 1990. En aquell moment, tota la metal·lúrgia es feia mitjançant processos que ara s'anomenen no additius (fosa, fabricació, estampació i mecanitzat); tot i que es va aplicar molta automatització a aquestes tecnologies (com ara la soldadura amb robot i el CNC), la idea d'una eina o capçal que es movia a través d'un envoltant de treball 3D transformant una massa de matèria primera en una forma desitjada amb una trajectòria d'eina s'associava en la metal·lúrgia només amb processos que eliminaven metall (en lloc d'afegir-lo), com ara el fresat CNC, l'electroerosió CNC i molts altres. Tanmateix, les tècniques automatitzades que afegien metall, que més tard s'anomenarien fabricació additiva, començaven a qüestionar aquesta suposició. A mitjans de la dècada del 1990, es van desenvolupar noves tècniques per a la deposició de materials a la Universitat de Stanford i Carnegie Mellon, incloent la microfosa i els materials polvoritzats. Els materials de sacrifici i de suport també s'havien tornat més comuns, permetent noves geometries d'objectes.

Dècada del 2000

A principis dels anys 2000, les impressores 3D encara s'utilitzaven principalment en les indústries manufacturera i de recerca, ja que la tecnologia era relativament jove i massa cara perquè la majoria dels consumidors la poguessin aconseguir. La dècada del 2000 va ser quan es va començar a veure un ús a major escala de la tecnologia a la indústria, més sovint en les indústries de l'arquitectura i la medicina, tot i que normalment s'utilitzava per a models i proves de baixa precisió, en lloc de la producció de béns manufacturats comuns o la creació de prototips pesats.

Dècada del 2010

A mesura que els diversos processos additius maduraven, va quedar clar que aviat l'eliminació de metall ja no seria l'únic procés de treball del metall realitzat a través d'una eina o capçal que es movia a través d'un envoltant de treball 3D, transformant una massa de matèria primera en una forma desitjada capa per capa. La dècada del 2010 va ser la primera dècada en què les peces metàl·liques d'ús final, com ara els suports del motor i les femelles grans es cultivarien (ja sigui abans o en lloc del mecanitzat) en la producció de treballs en lloc de ser mecanitzades obligatòriament a partir de barra o placa. Encara és cert que la fosa, la fabricació, l'estampació i el mecanitzat són més freqüents que la fabricació additiva en el treball del metall, però la fabricació additiva ara comença a fer progressos significatius, i amb els avantatges del disseny per a la fabricació additiva, és clar per als enginyers que encara hi ha molt més per venir.

Dècada del 2020

A partir del 2020, les impressores 3D han assolit el nivell de qualitat i preu que permet a la majoria de la gent entrar al món de la impressió 3D. El 2020 es poden trobar impressores de qualitat decent per menys de 200 dòlars americans per a màquines de nivell bàsic. Aquestes impressores més assequibles solen ser impressores de modelatge per deposició fusionada (FDM).

Beneficis de la impressió 3D

La fabricació additiva o impressió 3D ha guanyat ràpidament importància en el camp de l'enginyeria a causa dels seus nombrosos beneficis. La visió de la impressió 3D és la llibertat de disseny, la individualització, la descentralització i l'execució de processos que abans eren impossibles mitjançant mètodes alternatius. Alguns d'aquests beneficis inclouen permetre una creació de prototips més ràpida, reduir els costos de fabricació, augmentar la personalització del producte i millorar la qualitat del producte.

Principis generals

Modelatge

Model CAD utilitzat per a la impressió 3D

Els models imprimibles en 3D es poden crear amb un paquet de disseny assistit per ordinador (CAD), mitjançant un escàner 3D o mitjançant una càmera digital simple i un programari de fotogrametria. Els models impresos en 3D creats amb CAD provoquen relativament menys errors que altres mètodes. Els errors en els models imprimibles en 3D es poden identificar i corregir abans d'imprimir. El procés de modelatge manual de preparació de dades geomètriques per a gràfics per ordinador en 3D és similar a les arts plàstiques com l'escultura. L'escaneig 3D és un procés de recopilació de dades digitals sobre la forma i l'aspecte d'un objecte real i de creació d'un model digital basat en això.

Es poden generar models 3D a partir d'imatges 2D preses en un fotomató 3D.

Els models CAD es poden desar en el format de fitxer d'estereolitografia (STL), un format de fitxer CAD de facto per a la fabricació additiva que emmagatzema dades basades en triangulacions de la superfície dels models CAD. STL no està adaptat per a la fabricació additiva perquè genera fitxers de grans mides de peces i estructures de xarxa optimitzades per topologia a causa del gran nombre de superfícies implicades. Un format de fitxer CAD més nou, el format de fitxer de fabricació additiva (AMF), es va introduir el 2011 per resoldre aquest problema. Emmagatzema informació mitjançant triangulacions corbes.

Impressió

Abans d'imprimir un model 3D des d'un fitxer STL, primer s'ha d'examinar per detectar errors. La majoria d'aplicacions CAD produeixen errors als fitxers STL de sortida, dels tipus següents:

• forats
• cares normals
• autointerseccions
• closques de soroll
• errors de múltiples
• problemes de voladís

Un pas en la generació STL conegut com a "reparació" soluciona aquests problemes en el model original. Generalment, els STL que s'han produït a partir d'un model obtingut mitjançant l'escaneig 3D sovint tenen més d'aquests errors ja que l'escaneig 3D sovint s'aconsegueix mitjançant adquisició/mapatge punt a punt. La reconstrucció 3D sovint inclou errors.

Un cop finalitzat, el fitxer STL ha de ser processat per un programari anomenat "slicer", que converteix el model en una sèrie de capes primes i produeix un fitxer de codi G que conté instruccions adaptades a un tipus específic d'impressora 3D (impressores FDM). Aquest fitxer de codi G es pot imprimir amb un programari client d'impressió 3D (que carrega el codi G i l'utilitza per instruir la impressora 3D durant el procés d'impressió 3D).

La resolució de la impressora descriu el gruix de la capa i la resolució X-Y en punts per polzada (dpi) o micròmetres (μm). El gruix típic de la capa és d'uns 100 µm (250 DPI), tot i que algunes màquines poden imprimir capes de fins a 16 µm (1,600 DPI). La resolució X–Y és comparable a la de les impressores làser. Les partícules (punts 3D) tenen una mida d'entre 0.01 a 0.1 µm (2,540,000 a 250,000 DPI) de diàmetre. Per a aquesta resolució d'impressora, especificar una resolució de malla de 0.01–0.03 mm i una longitud de corda ≤ 0.016 mm genera un fitxer de sortida STL òptim per a un fitxer d'entrada de model determinat. Especificar una resolució més alta dóna com a resultat fitxers més grans sense augmentar la qualitat d'impressió.

Time-lapse de 3:30 d'un vídeo de 80 minuts d'un objecte que es fabrica amb PLA mitjançant la deposició de polímer fos

La construcció d'un model amb mètodes contemporanis pot trigar des de diverses hores fins a diversos dies, depenent del mètode utilitzat i de la mida i la complexitat del model. Els sistemes additius normalment poden reduir aquest temps a unes poques hores, tot i que varia molt depenent del tipus de màquina utilitzada i de la mida i el nombre de models que es produeixen simultàniament.

Acabat

Tot i que la resolució i l'acabat superficial produïts per la impressora són suficients per a algunes aplicacions, els mètodes de postprocessament i acabat permeten avantatges com ara una major precisió dimensional, superfícies més suaus i altres modificacions com la coloració.

L'acabat superficial d'una peça impresa en 3D es pot millorar mitjançant mètodes subtractius com el poliment i el granallat amb microesferes. Quan es polixen peces que requereixen precisió dimensional, és important tenir en compte el volum del material que s'elimina.

Alguns polímers imprimibles, com l'acrilonitril butadiè estirè (ABS), permeten allisar i millorar l'acabat superficial mitjançant processos químics de vapor basats en acetona o dissolvents similars.

Materials

Detall de l'nl (Stoofbrug) a Amsterdam, el primer pont metàl·lic imprès en 3D del món

Tradicionalment, la impressió 3D se centrava en polímers per a la impressió, a causa de la facilitat de fabricació i manipulació de materials polimèrics. Tanmateix, el mètode ha evolucionat ràpidament no només per imprimir diversos polímers sinó també metalls, xocolates i ceràmica, fent que la impressió 3D sigui una opció versàtil per a la fabricació. La fabricació capa per capa de models físics tridimensionals és un concepte modern que "prové de la indústria CAD en constant creixement, més concretament del vessant del modelatge sòlid del CAD. Abans de la introducció del modelatge sòlid a finals dels anys vuitanta, els models tridimensionals es creaven amb marcs i superfícies de filferro". però en tots els casos les capes de materials estan controlades per la impressora i les propietats del material. La capa de material tridimensional està controlada per la velocitat de deposició establerta per l'operador de la impressora i emmagatzemada en un fitxer informàtic. El primer material patentat imprès va ser una tinta de tipus hot melt per imprimir patrons mitjançant un aliatge metàl·lic escalfat.