La próxima ola de la revolución industrial

Fabricación aditiva

Montemos la próxima ola de la revolución industrial estableciendo un definición de fabricación aditiva (AM). La definición más simple, pero limitante, sería “la capacidad de imprimir objetos en 3D a través de un diseño generado por computadora”. En muchos escenarios, esta definición es apropiada; sin embargo, creo que podemos ampliar significativamente esta definición. Así es como definiría AM:

La fabricación aditiva es el proceso mediante el cual se renderizan objetos 3D simples o complejos a partir de materiales mediante un diseño generado por computadora, generalmente con la intención de limitar el desperdicio de material, acelerar el tiempo de fabricación y reducir costos.

Tenga en cuenta que esta definición contiene la palabra «material (s)», que es una característica clave en AM. En esta parte de la serie de blogs, me centraré principalmente en el aspecto de materiales de nuestra definición de AM. Cubriré la historia, los tipos de materiales y su uso en AM.

Un paseo rápido por la historia de la mañana

La historia de los materiales utilizados en AM comienza con una de las clases de materiales más ubicuas: plásticos y polímeros. Es común que muchos señalen la estereolitografía (SLA) como el primer enfoque de impresión 3D para polímeros.

Sin embargo, creo que la historia comienza con el inicio de la extrusión de plástico como el precursor del polímero AM convencional, que se remonta a la década de 1820. [1]. Con la extrusión, se fuerza un bloque o filamento a granel a través de una matriz de dimensiones restringidas, por ejemplo, una boquilla, que se deforma o modifica la forma del filamento.

Normalmente, la modificación se realiza mediante fuerza mecánica y / o calentamiento térmico. Esto es muy similar al funcionamiento de la mayoría de las impresoras de fabricación de filamentos fundidos (FFF), como se muestra en la siguiente figura.

Ejemplo de impresión 3D FFF. Imagen proporcionada por Kholoudabdolqader CC BY-SA 4.0 de Wikimedia Commons.

los hallazgos de la historia del origen de los metales AM sus raíces en la pulvimetalurgia y el avance de los láseres. La técnica utilizada para la impresión 3D de metales se conoce comúnmente como sinterización selectiva por láser (SLS) o fusión / sinterización directa por láser (DLM / S) y existe desde la década de 1980. [2].

En este enfoque, se colocan polvos metálicos especialmente refinados en una bandeja y se utiliza un láser para trazar patrones. El calor entregado por el láser es crítico ya que permite la densificación del polvo. Una vez que se completa una pasada, se aplica una nueva capa de polvo y se repite el proceso.

Ejemplo de un proceso SLM / SLS. Imagen proporcionada por Materialgeeza CC BY-SA 3.0 o GFDL, de Wikimedia Commons.

Creo que vale la pena mencionar la fabricación 3D dentro del la industria de semiconductores debido a su similitud e influencia en AM. Los transistores que alimentan la computadora en la que estoy escribiendo se fabrican con luz proyectada sobre películas fotosensibles que se enmascaran para obtener patrones específicos. El área no expuesta puede luego ser atacada selectivamente.

Esta es la base de la fotolitografía y ha sido el caballo de batalla de la industria de los semiconductores durante casi 50 años. [3]. Está estrechamente relacionado con el SLA utilizado en AM de polímeros fotosensibles. La principal diferencia entre el enfoque de la fotolitografía en la industria de los semiconductores y la AM es que es sustractivo.

El libro de cocina de materiales

Desde el punto de vista de la selección de materiales, AM realmente está haciendo un progreso significativo. Los polímeros solían estar limitados a acrilonitrilo butadieno estireno (ABS) y nailon, pero ahora la impresión 3D se puede realizar con polimetacrilato de metilo (PMMA), elastómeros termoplásticos e incluso filamentos de madera.

Los metales están mostrando un crecimiento particular, ya que ahora es posible utilizar metales estructurales ligeros como Ti y Al. El uso de aleaciones de Cu, Ni y CoCr es aún más atractivo ya que la composición se puede adaptar para lograr mejores características del producto (por ejemplo, densidad).

Las piezas de cerámica se han producido utilizando porcelana, vitrocerámica y óxido de aluminio. Las cerámicas refractarias como el carburo de silicio son incluso posibles con la adición de coadyuvantes de sinterización adecuados. Es muy probable que el libro de cocina de materiales continúe creciendo, y estoy seguro de que los chefs de AM (por ejemplo, científicos e ingenieros) harán uso de esas recetas (por ejemplo, materiales).

¿Qué tiene de bueno AM?

Las aplicaciones de AM son considerablemente diversas [4]. Los enfoques de AM basados ​​en polímeros han permitido a los aficionados y pequeños esfuerzos de investigación crear rápidamente prototipos de componentes y evaluar su rendimiento. Esto ha llevado a un diseño iterativo rápido y a un rendimiento de ingeniería mejorado.

El AM de metales ha despegado con equipos como Desktop Metal ™ que permiten la impresión de componentes estructurales complejos que son adecuados para su implementación en el campo. Esto ha encontrado aplicaciones en las industrias aeroespacial y automotriz. [5]. Además, se prevé que la AM eventualmente reducirá los costos de producción.

Las cerámicas imprimibles están encontrando aplicaciones en implantes médicos y dentales personalizables por el paciente. Esto alivia cualquiera de los problemas o complicaciones que surgen de los implantes genéricos. Sin duda alguna, AM seguirá encontrando aplicaciones en muchas tecnologías existentes y futuras.

El ejemplo de fabricación aditiva de componentes complejos utilizando sinterización por haz de electrones en polvo metálico. Imagen proporcionada por ORNL bajo Licencia CC.

Mi perspectiva

Seguramente es el caso de que los científicos e ingenieros de materiales están trabajando hacia nuevas soluciones para hacer crecer la gama de materiales para AM. Soy de la opinión de que si esto realmente prospera, la AM se convertirá en un factor transformador, impulsándonos así a la próxima ola de la revolución industrial.

Referencias:

[1] M. Bauser, G. Sauer y K. Siegert, Extrusion, ASM International, Materials Park, OH, 2006.
[2] Agarwala, Mukesh, et al., Sinterización selectiva directa por láser de metales, Rapid Prototyping Journal, 26-36, 1995.
[3] John H. Bruning, Litografía óptica: 40 años y en activo, Proc. SPIE 6520, Microlitografía óptica XX, 652004, 2007.
[4] Huang, SH, et al., Fabricación aditiva y su impacto social: una revisión de la literatura, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology., 67, 2013.
[5] Desktop Metal ™, comunicado de prensa, Burlington, MA, 19 de marzo de 2018.

* Foto principal: Impresora 3d en HackIllinois 2016. Imagen proporcionada por Rauhul Varma CC BY-SA 4.0 de Wikimedia Commons.

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