LECTURAS DE INGENIERÍA No.26 IMPRESIÓN 3D, UNA

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UNIVERSIDAD NACIONAL AUTONOMA DE MEXICOFACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES CUAUTITLÁNDEPARTAMENTO DE INGENIERÍALABORATORIO DE TECNOLOGÍA DE MATERIALESLECTURAS DE INGENIERÍA No.26IMPRESIÓN 3D, UNA INTRODUCCIÓNRECOPILÓ:Mtro. FELIPE DÍAZ DEL CASTILLO RODRIGUEZCUAUTITLÁN IZCALLI, EDO. DE MÉXICO.2018-1

Compartir el conocimiento abre un mundo deposibilidades nuevas. El aporte de conocimiento y eltrabajo en conjunto está produciendo cambiossignificativos en el software y lo hará también enmundo físico. Se puede estudiar “el caso de laimpresión 3D”, como base para construir otrascosas que no sean impresoras; y teniendo un modeloexitoso, aplicarlo a otros conceptos más complejos;hay mucho por aprender.Adaptado esi%C3%B3n3D

UNAM-FES-CUAUTITLÁNIMPRESIÓN 3DINTRODUCCIÓNLa tecnología de impresión 3D es el proceso por el cual, se hace un objeto tridimensional,casi de cualquier forma, a partir de un modelo 3D, básicamente bajo un proceso de adiciónde material. Es por eso que también se denomina manufactura aditiva. Esto es, El objeto esformado por la superposición de capas de material que se agregan una y una.Figura 1.Sí, es sumar material por capas: Material Material Material Sumar Adicionar ¡Objeto 3D!En el fondo, ¿Es parecido a como se construye una casa?; ¿O un edificio?; ¿O un castillode arena? Paso por paso, ladrillo a ladrillo, pared a pared, piso por piso, balde a balde.¿Cuál es la innovación? Ah, que no hay innovación Que el mundo viene “imprimiendo”hace mucho tiempo y nosotros desde chicos lo venimos haciendo cuando jugamos en laplaya con arena, o los orfebres cuando hacen piezas de cerámica. ¿Entonces?Figura 2.-1-

UNAM-FES-CUAUTITLÁNIMPRESIÓN 3DBueno, se trata de una explicación sencilla, algo aproximado, pero claro; esta explicaciónsencilla se podría mejorar comentando que la impresión 3d tiene algunos elementos que lacaracterizan: Manufactura aditiva Diseños en 3d y datos informáticos. Tecnología. Nuevos materiales. Posicionamiento preciso. Robótica. Sensores de posicionamiento. La conjunción / combinación de estos factores.La impresión 3D se ha visto difundida en los últimos años. Constantemente vemos noticiasresaltando nuevas maravillas de esta tecnología emergente, pero ¿Qué se puede hacer con laimpresión 3D exactamente? ¿Es posible usarla no solo para prototipos,también paraproducción?La invención de la impresión 3D apunta a dos objetivos principales: Reducir el tiemponecesario para obtener la primera versión de un producto y eliminar varias restricciones delos métodos de producción tradicionales. Por ejemplo, la impresión 3D permite producirgeometrías complejas o partes interconectadas sin requerir de ensamblado. También esposible imprimir objetos individuales así como pequeñas cantidades, rápidamente y a bajocosto. Esta tecnología también ayuda a reducir la perdida de material de producción.La impresión 3D puede producir diferentes objetos sin la necesidad de usar herramientasespecíficas o múltiples herramientas. Así es como la impresión 3D aumenta la flexibilidaden el flujo de producción y ayuda a reducir los gastos industriales. Además, debido a que nohay necesidad de montar una línea de producción, también ayuda a reducir los tiempossignificativamente, permitiéndole innovar y fabricar más rápido. Mientras que los métodostradicionales de fabricación están orientados a la producción de miles o millones deunidades, la impresión 3D es el método más idóneo para objetos "a pedido" o personalizados.-2-

UNAM-FES-CUAUTITLÁNIMPRESIÓN 3DEn resumen, la impresión 3D posibilita a cualquier persona a fabricar objetos cuando quierao necesite. Es un proceso de fabricación fantástico para los creativos que desean materializarsu imaginación, brindando la posibilidad de producir y vender sus creaciones salteandovarias de las típicas etapas de producción y distribución. La impresión 3D también es útilpara reproducir objetos que no se consiguen más, por ejemplo para reparar una .La impresión 3D ha estado ganando protagonismo en las noticias en los últimos años. Sinembargo, la fabricación aditiva está lejos de ser una tecnología completamente nueva, ya queviene siendo usada en ambientes profesionales por casi 30 años.Nuevas impresoras 3D aparecen cada vez más seguido en las noticias, principalmente debidoa la gran apertura que estas tecnologías tuvieron hacia el público general. Luego de muchotiempo restringidas a profesionales y al prototipo industrial, hoy en día la impresión 3Dpermite al público general imprimir partes y productos finales.Las impresoras 3D se dividen usualmente en 2 categorías: Impresoras hogareñas eimpresoras profesionales. Esta distinción no es siempre es así: Algunas compañías usanimpresoras hogareñas para las primeras etapas de prototipo así como el público a vecesaccede a impresoras profesionales en talleres de fabricación “FabLabs” o mediante servicioen línea de internet.Sin embargo, hay que tener en cuenta que la tecnología de impresión suele sersignificativamente diferente entre ambas clases de impresoras. La mayoría de las impresorasaccesibles para el público general son del tipo FDM (del inglés "Fused DepositionModeling" o "Modelado por deposición de material fundido", el cual típicamente es unfilamento) mientras que las impresoras profesionales pueden imprimir en múltiplesmateriales y con mayor precisión.-3-

UNAM-FES-CUAUTITLÁNIMPRESIÓN 3DFigura 3. Impresión 3D (http://reprap.org/wiki/File:Esquema FDM Rev03.png)Más allá de las increíbles historias que se ven en las noticias a menudo, la impresión 3D yaha generado un cambio en los procesos de fabricación de varias industrias, medicina dental,aeroespacial, aeronáutica civil y militar, joyería. Cuanto más trabajamos en tecnologías deimpresión 3D, ¡más nos damos cuenta como casi todas las industrias se beneficiaran de laimpresión 3D-4-

UNAM-FES-CUAUTITLÁNIMPRESIÓN 3DCAPÍTULO 1ANTECEDENTES1.1 Historia de la impresión 3DLa tecnología de impresión tridimensional tiene sus inicios a finales de los ochentas, cuandola empresa “Mitsubishi Motors” propone la idea de usar fotopolímeros1 para producir capasque a su vez pudieran ayudar en la creación de figuras, dicha tecnología fue nombrada como“Prototipado Rápido” o “RP” por sus siglas en inglés. Se le conocía así porque el procesoera originalmente concebido como un método más rápido, efectivo y menos costoso para lacreación de prototipos industriales en el desarrollo de nuevos productos.La primera patente para tecnología RP de la que se tiene constancia fue para el Doctor HideoKodama (figura 1.1) del “Instituto Municipal de Búsqueda Industrial de Nagoya” en Japónen el año de 1981. Desafortunadamente para el Doctor Kodama las especificaciones de suinvento no fueron debidamente rellenadas, por lo que no pudo disfrutar de los derechos de sudescubrimiento (lo cual no deja de llamar la atención ya que él era abogado en asuntos depatentes).Figura 1.1. Doctor Hideo Kodama, precursor no reconocido de la tecnología RP.Fuente: www.elfilamento.com1Fotopolímero: Polímero gelatinoso o semi-líquido que se solidifica al entrar en contacto con la luzultravioleta.-5-

UNAM-FES-CUAUTITLÁNIMPRESIÓN 3DEs debido a lo anterior que, para términos prácticos, se considera que los orígenes de laimpresión 3D datan de 1986 cuando la primera licencia para un aparato de Estereolitografíao SLA (proceso mediante el cual se convierte con un láser un fotopolímero líquido enplástico sólido capa por capa), fue aprobada. Ésta perteneció a Charles “Chuck” W. Hull(figura 1.2), quien inventó dicha máquina en 1984. Hull es también el co-fundador,vicepresidente ejecutivo y el jefe del área de tecnología de “3D Systems”, una de las másgrandes y prolíficas empresas que operan dentro del sector de impresión 3D en estos días.Figura 1.2. Charles “Chuck” W. Hull inventor de la Estereolitografía.Fuente: breve-historia-de-la-impresion-3dEl primer sistema comercial de prototipado rápido de dicha empresa fue el “SLA-1” (figura1.3), dicho aparato fue construido en 1986; el cual siguiendo rigurosas pruebas de calidadsalió al mercado en 1988.-6-

UNAM-FES-CUAUTITLÁNIMPRESIÓN 3DFigura 1.3. Máquina SLA-1 inventada por Charles “Chuck” Hull en 1987 y actualmenteexhibida en “National Inventors Hall of Fame” de Virgina, EU.Fuente: www.3dprint.comSin embargo el SLA-1 no fue el único modelo desarrollado por ese entonces: en 1987 CarlR. Deckard, un trabajador de la Universidad de Texas, postuló la patente para el procesoconocido como “Sinterización Selectiva por Láser” o SLS por sus siglas en inglés (SelectiveLaser Sintering); proceso que consistía en el uso de un láser para sinterizar (fusionar ysolidificar) polvo de plástico. La patente fue aprobada dos años después y vendida a DTMInc, empresa que fue posteriormente adquirida por 3D Systems.En el año de 1989 Scott Crump (figura 1.4), co-fundador de Stratasys Inc., registró la patentepara un nuevo proceso al que llamó “Modelado por Deposición Fundida” o FDM por sussiglas en inglés (Fused Deposition Modelling), el cual consistía en la deposición en capas definos hilos de material por medio de una boquilla móvil cuya temperatura debía encontrarsepor encima del punto de fusión de dicho material.-7-

UNAM-FES-CUAUTITLÁNIMPRESIÓN 3DFigura 1.4. Scott Crump, co-fundador de Stratasys Inc. e inventor reconocido de la tecnologíaFDM. Fuente: eleaseid 845980La licencia de esta tecnología fue aprobada en 1992 y aún está en manos deStratasys Inc. pero también es ampliamente utilizada por otros usuarios; tal es el caso de lacomunidad de miembros del proyecto “RepRap” (Replicating Rapid-prototyper) que ladenominaron como “Tecnología de Fabricación con Filamento Fundido” (Fused FilamentFabrication) con la finalidad de disponer de una terminología que pudieran utilizarlegalmente sin limitaciones.El objetivo del proyecto “RepRap” es reducir drásticamente el coste de las máquinas deprototipado 3D con software libre y de código abierto, además de abaratar el precio deobjetos a costes casi de 0,02dolares por centímetro cúbico.Durante el año de 1990 se pudo ver el surgimiento de la primera máquina “Stereos” (figura1.5) de mano de la compañía alemana “EOS GmbH”, cuyo fundador fue el Dr. Hans Langer.El “Sinterizado Directo de Metal por Láser” o DMLS (Direct Metal Laser Sintering)desarrollado por dicha compañía es a menudo confundido con el “Sinterizado Selectivo porLaser” anteriormente mencionado; sin embargo mientras este último utiliza como base elpolvo de plástico, de cerámica o de vidrio, el DMLS hace uso de polvo de metal.-8-

UNAM-FES-CUAUTITLÁNIMPRESIÓN 3DHoy en día, los sistemas EOS son reconocidos a nivel mundial gracias a su alta calidad enlos ámbitos de prototipado e impresión 3D.Figura 1.5. Primera máquina “Stereos” de la compañía EOS GmbH fabricada en1991 Fuente: www.eos.infoOtros importantes procesos de prototipado rápido que surgieron en esa época fueron: “Laminado por Capas” o LOM (Laminated Object Manufacturing): Patentadooriginalmente por Michael Feygin, en el cual, capas finas de material se cortan de lamanera deseada y posteriormente se unen entre sí. “Fotopolimerización por Luz Ultravioleta” o SGC (Solid Ground Curing): Patentadopor Pomerantz et al. Esta tecnología trabaja con resinas fotosensibles a los rayos UV;cada capa se solidifica en una operación a partir de la utilización de máscaras creadascon tinta electrostáticas en una placa de vidrio. “Manufactura con Partículas Balísticas” o BPM (Balistic Particles Manufacturing):Patentado por William Masters. Proceso en el cual uno o varios cabezales móvilesarrojan un chorro de material plástico, cerámico, metal o cera, hacia una superficie;un elevador mueve la pieza a formar verticalmente, mientras que otro cabezal-9-

UNAM-FES-CUAUTITLÁNIMPRESIÓN 3Duniformiza el ancho. La operación se repite en forma parecida a otros procesos,depositando capas de material una sobre otra.Los 90 s y los años 2000 fueron años de una intensa actividad comercial, así como testigosdel nacimiento de grandes compañías: “Sanders Prototypes” (más tarde “Solidscape”) y“ZCorporation” se crearon en 1995, “Arcam” se estableció en 1997, “Objet Geometries” sefundó en 1998, “MCP Technologies” introdujo la tecnología SLM en el año 2000,“EnvisionTEC” se creó en el 2002, “Exone” por su parte se estableció en el año 2005 comouna empresa separada de “Extrude HoneCorporation”, mientras que “Sciaky Inc” fuepionera en los procesos basados en los haces de electrones patentada como tecnología parasoldadura.A mediados de los 90 s el sector comenzó a presentar signos de diversificación con dos áreasespecíficas que están mucho más claramente definidas hoy en día. En primer lugar fue eldesarrollo de la impresión 3D en usos sumamente específicos para grandes empresas quepodían permitirse el lujo de pagar los altos costos de este servicio; estos eran sistemas caros,orientados a producciones de alto valor (de ingeniería y fabricación realmente complejas).La segunda área recae en el esfuerzo de las empresas por intentar expandir ésta tecnología aun nuevo sector de usuarios con recursos más limitados. Es aquí donde surge una guerra deprecios acompañada de mejoras cada vez más y más amplias en resolución de la calidad deimpresión, velocidad y materiales; con lo cual surge una nueva terminología para denominara la tecnología hasta entonces conocida como Prototipado Rápido: Mecanizado Rápido(Rapid Tooling), Moldeado Rápido (Rapid Casting) y Manufacturado Rápido (RapidManufacturing); los cuales más tarde evolucionarían a un término generalizado“Manufactura Aditiva” o “AM” (Aditive Manufacturing).En el 2007 el mercado vio por primera vez un sistema capaz de obtener modelostridimensionales por menos de 10,000 dólares de la mano de la empresa 3D Systems. Esteacontecimiento marcó la diferencia y punto de inflexión para lograr que esta clase deimpresoras pudieran algún día estar al alcance de todos. El fenómeno “RepRap” empezó a- 10 -

UNAM-FES-CUAUTITLÁNIMPRESIÓN 3Dvolverse medianamente popular, comenzando a dar los frutos que el Doctor Bowyer plantóallá por el 2004: Un sistema que permitiera auto-replicar impresoras 3D, abierto a todopúblico.Sin embargo, no sería sino hasta el 2009 cuando aparecería la primera impresora 3D deprecio por debajo de los 5000 dólares; ésta fue la “BfB RapMan 3D” (figura 1.6), la cual hasido seguida muy de cerca hasta el día de hoy por una serie de impresoras con característicassimilares. La dicotomía destacable en este asunto es que mientras el fenómeno “RepRap” hadado lugar a un sector completamente nuevo, el espíritu de esta comunidad consisteprincipalmente en el desarrollo de impresoras de sistema abierto (open source), manteniendoa raya la comercialización.A lo largo del año 2012, y gracias al apoyo de la página de financiamiento “Kickstarted”, sefueron introduciendo en el mercado nuevos procesos de impresión 3D como: "B9Creator",un prototipo open source (diseño, piezas, software y firmware a disposición pública paraquien desee fabricar la suya propia) de alta resolución y bajo coste desarrollado porB9Creations que hacía uso de fotopolímeros endurecidos con luz como material defabricación; así como también “Form 1”, una impresora que utilizaba la tecnología de“estereolitografía” con resinas fotopolímeras de acrilato, disponible en dos tonalidades: claray gris; y que garantizaba una impresión más fácil desde el software hasta la impresión final.Entre otros ejemplos más, los cuales contaron con una gran aceptación por parte del públicoA partir del 2014 se ha visto un crecimiento y consolidación cada vez más significativos enlo referente a ésta tecnología siendo incluso aclamada como la segunda, tercera e incluso lacuarta revolución industrial por algunos. Lo que no se puede negar es el impacto que laimpresión tridimensional está teniendo en el sector industrial y el enorme potencial queconlleva en sí misma.- 11 -

UNAM-FES-CUAUTITLÁNIMPRESIÓN 3DCAPITULO 2MANUFACTURA SUSTRACTIVA Y MANUFACTURA ADITIVALa palabra manufactura se deriva del latín manu factus, que significa hecho mano y se leconoce, en su sentido más amplio, como el proceso de convertir la materia prima enproductos. Incluye tres pasos básicos: (1) el diseño del producto, (2) la selección de lamateria prima y (3) la secuencia de procesos a través de los cuales será manufacturado elproceso.Esta palabra apareció por primera vez en 1567 y su verbo, manufacturar, en 1683. A pesar desu etimología básica, en el sentido moderno, es parte de un todo; una actividad compleja queinvolucra una amplia variedad de operaciones como las siguientes: Diseño del producto. Maquinaria y herramienta. Planeación de procesos. Materiales. Compras. Manufactura. Control de producción. Servicios de apoyo. Marketing. Ventas. Embarques. Servicio al cliente, entre otros.Las actividades de manufactura deben responder a varias exigencias y tendencias:1. Un producto debe llenar completamente los requerimientos de diseño, lasespecificaciones y estándares del producto.2. Un producto debe ser manufacturado usando ambiental y económicamente losmétodos más amigables.- 12 -

UNAM-FES-CUAUTITLÁNIMPRESIÓN 3D3. La calidad debe ser tomada como prioridad en cada etapa, desde el diseño hasta elensamble, en vez de ser probada después de que haya sido fabricado el producto.4. En un ambiente altamente competitivo, los métodos de producción deben ser losuficientemente flexibles como para responder a los cambios en la demanda delmercado: en los tipos de productos, en las cantidades y tasas de producción, así comoen los requerimientos de entrega a tiempo.5. En cuanto a su implementación apropiada, oportuna y económica en unaorganización de manufactura, deben evaluarse de manera constante los nuevosdesarrollos en: materiales, métodos de producción e integración por computadora,tanto de las actividades tecnológicas como administrativas.6. Una organización de manufactura debe tratar de alcanzar constantemente los másaltos niveles de productividad (uso óptimo de los recursos: materiales, máquinas,energía, capital, mano de obra y tecnología). Debe maximizarse la producción porempleado y por hora en todas las fases.7. También debe tomarse en cuenta, como una parte integral en una organización demanufactura, el rechazo de piezas en base cero (y la reducción consecuente deldesperdicio).En el diagrama de la figura 2.1, se muestran los varios pasos involucrados en el diseño ymanufactura de un producto obtenidos del libro Manufactura. Ingeniería y Tecnología. deSerope Kalpakjian y Steven R. Schmid. Ed. Pearson- 13 -

UNAM-FES-CUAUTITLÁNIMPRESIÓN 3DDefinición delproductoDiseño yevaluaciónAnálisis de diseño:códigos, revisiónde códigos yProducción deprototipos: pruebaDibujos deproducción:DiseñoAsistido porComputadoraEspecificación demateriales:selección deProducción piloto.Producción.Inspección yaseguramiento deEmpaque,mercadeo yProductoFigura 2.1. Pasos involucrados en el diseño y manufactura de un productoFuente: Manufactura. Ingeniería y Tecnología. Autor Serope Kalpakjian y Steven R. Schmid. Ed.Pearson- 14 -

UNAM-FES-CUAUTITLÁNIMPRESIÓN 3DComo se puede apreciar en el diagrama anterior, una vez obtenido el análisis de diseño delproducto a elaborar, el siguiente paso en el proceso de producción es efectuar y probar unprototipo (modelo preliminar del producto cuyo fin es probar los diversos aspectos dediseño: características, viabilidad, funcionalidad, rendimiento y producción).En este paso pondremos especial interés ya que su fabricación es el tema a tratar en estainvestigación, por lo que indagaremos en los diferentes métodos que existen hoy día paraproducirlos.3.1. Manufactura SustractivaEn forma tradicional, para fabricar un prototipo se hace uso de diversas herramientas ymáquinas; por lo general necesitándose desde semana

La tecnología de impresión 3D es el proceso por el cual, se hace un objeto tridimensional, casi de cualquier forma, a partir de un modelo 3D, básicamente bajo un proceso de adición de material. Es por eso que tambi