Así funcionan las impresoras 3D

La tecnología de la impresión en 3D, es algo que ha estado sonando mucho en los últimos años, pero en realidad no es tan nueva como pensamos. Fue a principios de la década de los 80 cuando la impresión 3D moderna finalmente apareció para solucionar muchas carencias.

Todo esto inicio con Charles W. Hull, quien fue la primera persona en crear una pieza impresa en esta tecnología, específicamente con la técnica qué el bautizó y luego patentó como “estereolitografía”.

Este método de impresión 3D se basa en la creación de objetos mediante solidificación resina gracias a un rayo de luz ultravioleta.

Esta impresora 3D consta de un depósito lleno de líquido fotopolimérico, justo encima de este encontramos un láser que comienza a proyectar un haz de luz sobre este líquido.

En el momento en el que el haz toca el líquido, este se solidifica. Es así como el láser comienza a moverse sobre todo el depósito dibujando capa por capa hasta terminar la figura dentro del líquido.

Una vez que termina todo el proceso, la figura sale del líquido hacia la superficie y luego se comienza un proceso de limpiado.

Entre los materiales más utilizados con este método se encuentra la resina blanca opaca ABS, resina translúcida y Resina blanca ABS con infiltraciones que comúnmente mejoran su mecánica.

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Gracias a la gran innovación que esto significaba, Charles Hull pudo iniciar su propia empresa, y la primera en el mundo de impresión  3D en 1986 llamada 3D Systems.

Un año después, en 1987, el mundo conocería la primera impresora 3D comercial llamada SLA-1, que son las iniciales de stereolithography apparatus, o en español, aparato de estereolitografía.

Charles W. Hull fue el que ganó la patente entre varios que tenían la misma idea

Si bien es sabido que Hull es el padre de la impresión 3D por ser el primero en poner su bandera de conquista en ella, eso no significa que fue el único en haber estado desarrollando esta tecnología.

Alain Le Méhauté, Olivier de Witte y Jean Claude André, son los miembros del equipo francés que también estaban intentando patentar su proyecto, sin embargo, ellos decidieron detener sus intentos ya que consideraban que este tipo de impresiones no tenía futuro en las empresas.

Tres años antes de que Hull hiciera su patente, también en Japón había una persona trabajando en su propio esteriolitógrafo y su nombre es Hideo Kodama, que en vez de trabajar con resinas, usó un polímero termoendurecible.

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Al igual que a la triada francesa, Kodama no pudo alcanzar su objetivo debido a falta de financiación de su proyecto y para el trámite de la patente.

Sin duda, Hull no solo tuvo su brillante mente de su lado, sino también el apoyo económico y las oportunidades que le dieron las personas a su alrededor, lo que nos hace pensar en cómo situaciones externas pueden hacer la diferencia entre el éxito y el fracaso.

La estereolitografía abrió las puertas a otras técnicas de impresión 3D

Las tecnologías de impresión en 3D evolucionaron rápidamente para ajustarse a las demandas industriales y del mercado, y es que al comienzo solamente se contemplaba su uso para la fabricación de pequeñas piezas.

Sin embargo, pronto se dieron cuenta que esta tecnología era capaz de realizar impresiones complejas y bastante completas, así que en vez de hacer una pequeña pieza de una estructura, se pudieron realizar estructuras completas.

Desde luego, esto significó que las impresoras 3D debían evolucionar rápidamente, y más que mejorar lo ya hecho, muchos desarrolladores se encargaron de diversificar las opciones para llegar a esa impresora que pudiese con la carga. Entre estas opciones encontramos:

Sintetizado Selectivo por Láser (SLS)

Este tipo de impresora también tiene sus inicios en la década de los 80, en manos de  Carl Deckard y Joe Beaman de la Universidad de Texas, quienes investigaban los principios de la fusión de polvo.

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La fusión de polvo es una tecnología que permite fabricar con una gran variedad de materiales, lo que lo hace bastante versátil, pues no solo se limita a polímeros, sino otros más resistentes como metales.

Sin embargo, la fusión de polvo aplicado a la impresión 3D si fue limitada al menos en sus inicios, pues solamente podía manipular polímeros a base de nylon, aunque eso fue cambiando en el futuro.

DTM Corporation es la empresa que surgió gracias al éxito de la tecnología de fusión de polvo, que como era de esperarse, se convirtió en parte de 3D Systems.

A comparación de la estereolitografía que necesita un solidificador de resina líquida, el SLS utiliza polvos fusionados para generar capa por capa, solidificándolo gracias al calor de un láser de CO2.

Para esto, en un depósito se coloca el polvo que es calentado a altas temperaturas pero no lo suficiente para derretirlo aún. Aun lado de este depósito, encontramos una placa que desciende como un ascensor.

Un mecanismo recoge el polvo del depósito y lo vierte sobre la placa en las cantidades y proporciones necesarias para generar la base de la figura a imprimir.

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El mecanismo se mueve de reversa hacia el depósito para recolectar más polvo, mientras que la placa desciende unos milímetros para que el mecanismo vuelva a colocar el polvo encima de este, creando la segunda capa y fusionándola con la primera con calor.

El proceso se repite hasta completar la figura, construyéndola desde abajo hacia arriba. Como resultado, se obtiene lo que parece una figura de yeso con polvo a su alrededor que se deja enfriar para pasar al proceso de limpieza donde retiran el polvo excedente.

Impresión 3D por deposición fundida (FDM)

Se dice que esta es una de las técnicas más sencillas porque solamente necesita tres elementos para funcionar: Una placa, un carrete y extrusor (un tubo donde se hace pasar el material para darle alguna forma deseada, como si se tratase de una duya para adornar pasteles)

De hecho, este es el tipo de impresora 3D más conocido, pues es tan simple su uso que se ha vuelto muy comercial para el público en general, llegándolo a ver en sitios como Amazon con precios bastante accesibles.

El FDM no utiliza polímeros líquidos o pulverizados, sino uno sólido que se adquiere en forma de hilo o filamento y se comercializa por carretes de diferentes colores.

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El proceso de impresión por FDM comienza con un proceso de calentamiento a temperaturas tan altas que podría alcanzar los 200°C, especialmente para esos materiales más utilizados como el ácido poliacético (PLA) o el ABS (Acrilonitrilo butadieno estireno).

La cabeza de extrusión toma el filamento y lo hace pasar a través de él calentándolo y fundiéndolo, depositándolo en la placa donde comienza la magia.

El cabezal está montado sobre un riel que mueve horizontalmente, mientras que la placa puede moverse en dos dimensiones al mismo tiempo, logrando un alcance de 3 ejes en su conjunto.

Debido a que se pueden realizar figuras bastante complejas y detalladas como una figura de super héroe por ejemplo, se suele utilizar soportes para ayudar al proceso.

Por ejemplo, cuando se requiere hacer partes de la figura que están suspendidas en el aire, como los brazos o la nariz de una figura humana, al construirse de abajo hacia arriba, prácticamente no hay nada arriba que soporte la primera capa.

Estos soportes suelen estar hechos del mismo material que el filamento o incluso de materiales que se diluyen en agua, pues una vez terminada la figura ya no son de utilidad.

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Otra de las ventajas del FDM y sus materiales en filamentos, es que los cabezales de extrusión pueden combinar filamentos de varios colores.

Materiales

Además de que la lista de materiales es larga, que van desde el ABS y PET, hasta el nylon e incluso cerámica, arcilla y alimentos como el chocolate con el cabezal extrusor indicado para cada tarea. Todo esto gracias a la popularidad que ha alcanzado este tipo de impresora 3D alrededor del mundo.

Y todavía podríamos seguir hablando más de las funciones que le han dado a la impresora por deposición fundida, que ha logrado incluso levantar casas, pero básicamente estas son las bases de una tecnología que podría seguir evolucionando en el futuro.

Lo que sí sabemos es que el modelado en 3D llegó para quedarse, pues se ha convertido en la solución a muchos problemas y necesidades de la actualidad.

Tan solo veamos cómo estas impresoras han podido aportar a situaciones tan difíciles como la pandemia del Covid-19, dándonos caretas de protección a precios bastante accesibles, y que han podido ser fabricados para el personal médico incluso por personas que tienen una impresora FDM para sus pasatiempos.