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Impresión 3D - Fabricación aditiva
Evaluación de diferentes procesos de fabricación aditiva con líquidos y pastas

Fabricación aditiva con materiales líquidos

Simon Kasböck, Business Development Additive Manufacturing de Viscotec

19/02/2019
El uso de procesos de fabricación aditiva está aumentando en las aplicaciones industriales, ya que aportan importantes beneficios a los clientes en comparación con los procesos convencionales. La fabricación aditiva se basa en la estructura por capas de un componente. Por lo tanto, el tiempo de fabricación depende del volumen que se aplique al componente. La forma geométrica de las capas individuales tiene una influencia menor. Esto da como resultado una mayor libertad de diseño, sin incurrir en tiempo y costes adicionales a través de pasos adicionales, como el mecanizado.
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Figura 1: Componente de resina epoxi producido mediante el proceso de fabricación aditiva.
Este proceso es particularmente adecuado para la producción de componentes geométricamente complejos, como estructuras biónicas. El proceso desde el archivo CAD hasta el componente terminado está automatizado en gran medida. De esta manera, los modelos iniciales de componentes pueden ser producidos de forma rápida y rentable. Estas y muchas otras ventajas han llevado a que la fabricación aditiva se haya establecido en muchas aplicaciones industriales. En particular, los procesos a base de polvo (como la sinterización selectiva por láser) y de fusión (como el modelado de capas fundidas) se utilizan, por ejemplo, para la producción de prototipos, así como para componentes estándar.
Por el contrario, los procesos de fabricación aditiva se basan en la extrusión de líquidos. Esta área está todavía en su infancia, pero actualmente se está desarrollando rápidamente. En particular, el gran número de nuevos materiales para la impresión en 3D crea un gran potencial de aplicación para esta tecnología. Estos incluyen, por ejemplo, silicona (ver figura 1), resinas o pastas metálicas.
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Simon Kasböck de Viscotec, autor del artículo.

Este artículo examina las tecnologías existentes para la fabricación aditiva de componentes a partir de materiales líquidos. Se presentan las ventajas y desventajas de los procesos individuales, así como los diferentes parámetros de control de cada proceso para modificar la cantidad aplicada.

Métodos para la producción aditiva con líquidos y pastas:

  • Dosificador neumático
  • Drop-On-Demand (válvula de chorro)
  • Procedimiento de pistón sin fin

Dosificador neumático

Con el dosificador neumático (método de tiempo-presión) se somete un recipiente a una presión definida. El líquido es presionado fuera de la salida del material por una fuerza de presión aplicada al pistón (ver figura 2).

El parámetro de control para este sistema es la presión aplicada al líquido. Debido a las fluctuaciones de temperatura o a las propiedades tixotrópicas del fluido, la viscosidad puede cambiar repentinamente. Esta diferencia de viscosidad, para una misma presión, resulta en diferentes cantidades de fluido aplicado.

Por lo tanto, el sistema no se distingue por su estabilidad de proceso y no tiene una alta precisión de repetición.

Las condiciones variables del proceso (por ejemplo temperatura o humedad) requieren un procedimiento de calibración diario. Además, la aspiración deseada del material (‘Retract’) en la impresión 3D no es posible con este método, ya que la presión sobre el fluido sólo puede reducirse y esto no conduce a un flujo inverso del material.

Sin embargo, la implementación del sistema es muy rentable, ya que es un sistema simple con pocos componentes y sin mecánica compleja. Además, el peso del cabezal de impresión es bajo en comparación con otros cabezales de impresión.

El espesor mínimo de capa que se puede alcanzar depende de la aguja a la salida del material y puede ser >0,2 mm en condiciones de proceso ideales.

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Figura 2: Representación esquemática de un sistema de presión de tiempo.

Drop-On-Demand (válvula de chorro)

El sistema drop-on-demand (gota a demanda) utiliza una válvula de chorro para aplicar el líquido. Similar a la tecnología de una impresora de inyección de tinta, esto produce gotitas muy finas que son lanzadas sobre una plataforma de construcción. Hay un espacio de aire entre la válvula y la plataforma del edificio, por lo que no hay contacto entre la plataforma y la válvula. Los parámetros de control para la aplicación del material son el número de gotas por unidad de tiempo y el tamaño de las gotas. La tecnología ‘BubbleJet’ o ‘piezo’ se utiliza normalmente para generar las gotas. En el proceso BubbleJet, una burbuja de vapor local es generada por un elemento de calentamiento, que desplaza el material a través de su cambio de tamaño volumétrico y por lo tanto produce una caída.

Con las válvulas piezoeléctricas, el efecto piezoeléctrico inverso mueve un cilindro que expulsa una gota, como se muestra en la figura 3. La frecuencia de gotitas alcanzable es de unos 23 kHz.

Dependiendo del fluido que se aplique con la válvula de chorro, existen diferentes términos para los procesos:

  • Uno de los primeros procedimientos históricos con una válvula de chorro es el 'Binder Jet'. Se coloca un aglutinante líquido en un lecho de polvo. Entre cada capa, una escobilla de goma se mueve sobre el lecho de polvo y aplica la siguiente capa de polvo al componente y al espacio de montaje. El cabezal de impresión dosifica el ligante en los puntos deseados y, por lo tanto, solidifica el polvo. Con este proceso, los componentes pueden ser producidos de una variedad de materiales en polvo, tales como almidón, yeso, aluminio y plástico. Si el aglutinante está teñido, los componentes con cualquier gradiente de color son posibles. Además, no se requieren estructuras de soporte, ya que el lecho de polvo soporta el componente. Algunos materiales requieren un postratamiento en el horno (sinterización) para lograr una mayor resistencia.
  • Otro sistema bajo demanda es el proceso PolyJet (‘Material Jetting’). En lugar del ligante, se utiliza un polímero fotosensible. El componente está compuesto por el polímero, que se inyecta directamente en el lecho de impresión. Por lo tanto, no se requiere ningún polvo como en el chorro de ligante. Cada capa aplicada debe curarse con luz ultravioleta.
  • Un proceso de reciente desarrollo permite la inyección de siliconas y, por lo tanto, la producción de componentes de silicona según el principio de gota a gota (drop-on-demand). Al igual que con el proceso PolyJet, el componente se cura con luz ultravioleta después de cada capa.
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Figura 3: Diseño esquemático de una válvula de chorro accionada por un sistema piezoeléctrico.
Una gran ventaja de los cabezales de impresión de chorro es su alta resolución, que está relacionada con el tamaño de las gotas. Esto permite obtener espesores de capa mínimos de hasta 16 µm con materiales de baja viscosidad. El resultado es una calidad de superficie muy alta en la que el efecto de capa es apenas perceptible. Si se utiliza silicona de alta viscosidad, la resolución mínima posible es actualmente de 0,1 mm.

Durante la generación de las gotitas, se introduce un alto aporte de energía local en el fluido. La fuerza de cizallamiento resultante puede ser perjudicial para algunos materiales. Todos los sistemas basados en una válvula de chorro tienen una desventaja: el fluido debe ajustarse con precisión al sistema para que la aplicación de gotas funcione como se desee. Esto significa que no se pueden utilizar materiales estándar, pero se deben procesar fluidos especialmente adaptados. Estos materiales especiales son en su mayoría muy costosos.

Procedimiento de pistón sin fin

La bomba de rotor helicoidal, también conocida como procedimiento de pistón sin fin, es una de las bombas rotativas de desplazamiento positivo.

El sistema consiste en un rotor que se construye como una rosca de tornillo redonda con un gran paso y una gran profundidad. El estator elástico tiene doble rosca y doble paso de la longitud del rotor. Esta geometría da como resultado cavidades cerradas con el mismo volumen definido entre el rotor y el estator, que son empujadas hacia adelante por el movimiento del rotor. Gracias a las cavidades cerradas, la bomba es autosellante, por lo que no es necesaria una válvula en la entrada y en la salida. La salida de material es volumétrica y directamente proporcional al ángulo de rotación del rotor.

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Figura 4: Estructura de un sistema de pistón sin fin.

Combinando dos bombas, también se pueden procesar materiales de dos componentes. Ambos materiales son bombeados a un mezclador estático y mezclados. La proporción de mezcla se puede seleccionar libremente y puede ajustarse durante el proceso de producción.

En comparación con los otros cabezales de impresión, el diseño del estator y del rotor da como resultado un diseño relativamente largo. A diferencia del sistema de presión de tiempo, los elevados requisitos de calidad de los componentes de la bomba de rotor helicoidal suponen unos costes relativamente elevados que, sin embargo, se mantienen por debajo de los de un sistema de caída bajo demanda.

Al transportar el fluido en las cavidades, se generan fuerzas de cizallamiento muy bajas, por lo que el sistema también es adecuado para medios sensibles al cizallamiento. Un punto esencial en la fabricación aditiva es la retracción del material (‘Retract’). La dirección de rotación del tornillo se invierte y el material se devuelve a la bomba. Esto crea una rotura de hilo definida. De este modo se evita el goteo indeseado del material.

Otra ventaja importante es la variedad de materiales que se pueden procesar con este principio. Estos incluyen fluidos de baja a muy alta viscosidad, líquidos con un alto contenido de relleno, materiales sensibles a la temperatura y fluidos abrasivos. Ejemplos concretos que ya están en uso son las siliconas, los poliuretanos, las resinas epoxi y las cerámicas.

Gracias a la geometría especial del rotor y del estator, la salida del fluido es libre de pulsaciones, lo que conduce a un ancho constante de las líneas generadas y a un contorno exterior uniforme. 

Resumen

Para finalizar, hay que decir que los distintos procesos de fabricación aditiva con líquidos tienen diferentes ventajas y desventajas. Depende de las propiedades requeridas del componente en cuanto a qué proceso es el más adecuado.

  • Un sistema de presión de tiempo puede ser la solución más eficiente para aplicar líquidos al lecho de impresión con bajas viscosidades y menores exigencias en la calidad de los componentes.
  • Los sistemas drop-on-demand son especialmente adecuados cuando se requiere un alto nivel de detalle.
  • La ventaja de la bomba de rotor helicoidal es la alta precisión de dosificación, el procesamiento de materiales de dos componentes y la amplia gama de fluidos procesables.