¿Cómo funcionan las impresoras 3D? Además, cómo se utiliza ahora la impresión 3D

Imagine poder utilizar una impresora doméstica para crear su propia decoración, instrumentos musicales o cámaras. ¿O qué pasaría si los fabricantes pudieran imprimir piezas de automóviles personalizables, o si los médicos no tuvieran que preocuparse por las listas de donantes y simplemente pudieran imprimir los órganos que necesitan sus pacientes? Esto y mucho más es posible con la impresión 3D, y está sucediendo ahora. Pero, ¿cómo funcionan las impresoras 3D? ¿Cualquiera puede usarlas?

Si bien los mecanismos pueden ser complicados, la tecnología se está volviendo más asequible y accesible, y es sorprendentemente ecológica. Neil Gershenfeld, director del Centro de Bits y Átomos del MIT, dice que ahora mismo está ocurriendo un "movimiento de creadores". “Si le preguntara a la persona promedio si quiere tener acceso a herramientas de fabricación controladas por computadora, probablemente se encogería de hombros”, dice. “Pero si preguntas si quieres poder hacer muebles personalizados en tu casa y diseñar juguetes para tus hijos. Ese es un mundo completamente nuevo de posibilidades".

Se espera que el mercado de impresión 3D se triplique a casi $ 45 mil millones a nivel mundial para 2026, y la administración Biden está promocionando la impresión 3D, o fabricación aditiva, como una forma de abordar la escasez de la cadena de suministro y ayudar a las familias estadounidenses. “La tecnología de impresión 3D es increíble”, dijo el presidente Biden en mayo de 2022. “Puede reducir los tiempos de entrega de las piezas hasta en un 90 % y recortar los costos de materiales en un 90 % y reducir el uso de energía a la mitad. Todo eso ayuda a reducir los costos de fabricación de bienes aquí en Estados Unidos".

¿Cómo exactamente? Esto es lo que necesita saber sobre la impresión 3D, desde cómo se usa actualmente con robots de la vida real hasta cómo se relaciona con el futuro del reciclaje y la vida sostenible.

¿Qué es una impresora 3D?

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Al final, las impresoras 3D son literalmente solo impresoras. Pero en lugar de imprimir palabras en papel, imprimen objetos en 3D, capa por capa, y pueden fabricarlos con cualquier cosa, desde fibra de carbono y polvo hasta plástico y metal. También pueden combinar diferentes materiales en su producción, por ejemplo, objetos de metal que tienen componentes de plástico, como palas de turbinas eólicas y piezas de motores, lo que elimina la necesidad de múltiples máquinas (y trabajadores) para producir un objeto. En última instancia, esto puede reducir los costos para las empresas, colapsar el marco de tiempo para crear un producto y eliminar el desperdicio.

Y las impresoras 3D no solo están relegadas a las plantas de producción. Los consumidores también pueden hacer un buen uso de ellos en casa. “Es emocionante porque pone la fabricación en manos del usuario”, dice David Bourell, profesor de ingeniería mecánica y ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad de Texas en Austin. “A modo de analogía, hace muchos años, tomar una fotografía requería de un fotógrafo profesional. A medida que avanzaba la fotografía, las personas podían tomar fotografías por sí mismas, lo que explotó los avances fotográficos. [Here]un usuario puede crear y construir sin involucrar a nadie más, lo que nutre la innovación y la creatividad".

¿Cuándo se inventó la impresión 3D?

Como concepto, la impresión 3D ha existido desde 1945. Fue entonces cuando el escritor de ciencia ficción Murray Leinster publicó su cuento "Las cosas pasan", que describía una máquina con un brazo móvil que podía convertir dibujos en objetos 3D creados con plástico derretido. . Teletype Corporation, que inventó las impresoras de inyección de tinta en los años 60, experimentó con impresoras 3D primitivas que utilizaban cera derretida en 1971, pero no fue hasta la década de 1980 cuando se creó la primera impresora 3D real.

Al físico Charles Hull se le ocurrió la idea en 1983, cuando usaba luz ultravioleta para endurecer los recubrimientos sobre una mesa, y patentó la tecnología en 1986. En ese momento, se refirió al proceso como "estereolitografía". Diseñado para ser utilizado en laboratorios de investigación y desarrollo y plantas de fabricación, surgió de una frustración general con los tiempos de producción lentos y la necesidad de piezas pequeñas en nuevos diseños.

Hull pasó a fundar una empresa llamada 3D Systems y amplió sus patentes para incluir productos no líquidos. Los fabricantes de automóviles, hospitales y empresas aeroespaciales expresaron interés inmediato en la promesa de esta invención. En 2014, Hull fue incluido en el Salón de la Fama de los Inventores Nacionales.

¿Cuántos tipos de impresoras 3D hay?

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Debe saber algunas cosas antes de responder a la pregunta "¿Cómo funcionan las impresoras 3D?" Para empezar, las impresoras 3D vienen en una variedad de tamaños y formas, que van desde algunas que caben en un escritorio hasta modelos de construcción mucho más grandes que se utilizan para hacer paredes y cimientos impresos en 3D para casas pequeñas.

Hay siete tipos de impresoras 3D, cada una con su propio uso específico. El modelado por deposición fundida (FDM) es el más popular debido a su alta precisión, bajo costo y gran selección de materiales. Las impresoras FDM se pueden usar para hacer de todo, desde silbatos de seguridad hasta estuches para auriculares y portalápices, y esto es generalmente lo que obtendría si comprara una impresora 3D para uso doméstico.

“El proceso es muy simple”, dice Denis Cormier, profesor de ingeniería industrial y de sistemas en el Instituto de Tecnología de Rochester. “Son esencialmente una pistola de pegamento termofusible más costosa. Un gran porcentaje de esas máquinas son utilizadas por aficionados debido al bajo costo y la simplicidad". Algunas de las cosas más interesantes que se pueden crear con este tipo de impresora incluyen automóviles impresos en 3D, vehículos aéreos no tripulados y guitarras eléctricas en 3D.

Aquí hay una breve descripción de las otras impresoras 3D disponibles:

• Estereolitografía: Un proceso de impresión industrial utilizado para crear prototipos de productos en desarrollo, modelos médicos y hardware informático, la estereolitografía crea productos capa por capa. Es rápido, pero puede ser costoso.
• Procesamiento de luz digital: Este tipo de impresión 3D utiliza microespejos digitales y una fuente de luz proyectada. Es popular en las industrias dental, médica y de joyería.
• Sinterización por láser selectiva: SLS utiliza el láser como fuente de energía y calor para sinterizar materiales en polvo. Se utiliza para la creación rápida de prototipos y la producción de piezas de bajo volumen.
• Fusión láser selectiva: Similar a la sinterización selectiva por láser, la fusión selectiva por láser utiliza un lecho de polvo con una fuente de calor para crear piezas de metal. Se utiliza en la producción de componentes industriales aeroespaciales, piezas de motores y equipos de ingeniería dental y médica, como implantes y prótesis.
• Fabricación de objetos laminados: Considerada una forma rápida y económica de imprimir objetos en 3D con una variedad de materiales, la fabricación de objetos laminados se utiliza en gran medida para la creación rápida de prototipos, a diferencia de la producción. Dado que los diseñadores pueden crear rápidamente un modelo a escala con este tipo de impresión 3D, a menudo lo utilizan para presentar nuevos conceptos a los inversores y clientes.
• Fusión de haz digital: Este puede ser el tipo más complejo de impresión 3D y requiere un profesional experto para utilizar la tecnología de fusión de haz de electrones. A menudo se utiliza para imprimir componentes para las industrias automotriz, aeroespacial, de defensa y médica.

¿Cuánto cuesta una impresora 3D?

Lo crea o no, un aficionado puede obtener una impresora 3D por entre $ 300 y $ 500. Por supuesto, las impresoras 3D más complicadas no son baratas, y cuanto más especializado y complejo sea el campo, mayores serán los costos. Una impresora 3D profesional utilizada para fabricar muebles, alimentos o productos industriales puede costar entre $ 1000 y $ 10 000, aunque algunas en las industrias automotriz, médica y aeroespacial, especialmente aquellas que utilizan IA más avanzada, cuestan más de $ 500 000 a $ 1 millón. Y ese precio no tiene en cuenta los costos de materiales, operación y mantenimiento. Según All3DP, una revista de impresión en línea, solo un kilogramo de polvo metálico puede costar hasta $ 600.

¿Cómo funcionan las impresoras 3D?

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Como se señaló anteriormente, las impresoras 3D funcionan a través de un proceso conocido como fabricación aditiva, que utiliza diseño asistido por computadora o CAD. Esta es una forma técnica de decir que una impresora 3D usa un programa de computadora para construir un objeto capa por capa. Si bien cada impresora 3D funciona de manera ligeramente diferente, el concepto básico comienza con el diseño del objeto que desea imprimir en una computadora. El software de modelado es increíblemente preciso y crea un modelo 3D de su diseño. Rhino es uno de los programas de impresión 3D más populares del mercado en este momento.

Cuando imprimes tu creación en una impresora 3D, sale en rodajas. Cada pequeña capa se pega para formar un solo objeto de abajo hacia arriba. Cada capa delgada superpuesta puede ser bastante compleja e incluso puede incluir partes móviles como bisagras y ruedas. Este proceso continúa hasta que el modelo está completo.

El material más común con el que las impresoras 3D construyen objetos es el filamento termoplástico, que es esencialmente la "tinta" de estas impresoras. Este material es conocido por su flexibilidad y durabilidad. Otros materiales que utilizan las impresoras 3D incluyen plásticos, polvos, resinas y metales. Debido a que la impresora 3D crea solo lo que el programa le dice que cree, en lugar de fabricarlo a partir de materias primas a granel, este tipo de producción puede reducir el desperdicio, creando más sostenibilidad dentro de las empresas y provocando un efecto dominó positivo para el medio ambiente.

¿Qué se puede hacer con una impresora 3D?

Teóricamente hablando, puedes hacer cualquier cosa con una impresora 3D, aunque sus usos principales son la fabricación y creación de prototipos, la construcción, la medicina y la educación. Actualmente, tenemos la capacidad de fabricar telescopios, cámaras, piezas metálicas para máquinas, juguetes de plástico, tazas de cerámica, jarrones de gres e incluso pasteles. ¡Sí, pasteles que puedes comer! Los aficionados pueden crear artículos no industriales en casa, y muchos incluso venden sus productos en línea como actividad adicional. En este momento, los objetos impresos en 3D más populares incluyen disfraces, accesorios, accesorios, figuras en miniatura y jardineras.

Las impresoras 3D también fueron una herramienta fundamental en el punto álgido de la pandemia de COVID-19, cuando escaseaban los EPP. Los hospitales confiaron en las impresoras 3D para suministrar a su personal batas, máscaras y respiradores, así como para crear piezas para ventiladores. Un estudiante de secundaria de Seattle incluso dirigió una fábrica de máscaras desde su casa usando una impresora 3D.

Podría decirse que los avances en medicina se encuentran entre algunos de los más emocionantes, con científicos capaces de crear prótesis e implantes a través de la impresión 3D. También pueden crear partes del cuerpo reales como orejas a partir de células madre, colágeno y proteínas estructurales en el cuerpo humano llamadas fibrina; este proceso se conoce como bioimpresión, aunque gran parte aún se encuentra en las fases de prueba. Además, los investigadores pueden probar productos farmacéuticos de manera fácil y ética con tejido creado a partir de impresoras 3D.

¿Qué le depara el futuro a la impresión 3D?

En el futuro, es posible que los diseñadores y aficionados no se hagan la pregunta "¿Cómo funcionan las impresoras 3D?" porque las impresoras 3D probablemente estarán muy entrelazadas en nuestra vida diaria. Hoy en día, a los niños se les enseña sobre la impresión 3D en la escuela primaria, y muchas bibliotecas locales actualmente tienen las máquinas disponibles, al igual que tiendas como UPS y Staples.

Honestamente, las posibilidades son infinitas en las industrias aeroespacial, electrónica, médica, energética y automotriz, donde las impresoras 3D se convertirán en herramientas aún más vitales. Si bien esto puede ser útil cuando se trata de automóviles, que pueden personalizarse para los compradores, es aún más esencial en el campo de la medicina. Si bien todavía estamos probablemente a 10 o 15 años de distancia de los órganos impresos en 3D como los riñones, este avance científico definitivamente está en el horizonte.

Y considere las oportunidades en el espacio, donde se espera que el mercado de impresión 3D aeroespacial y de defensa alcance los 5580 millones de dólares para 2026. En el futuro, la impresión 3D podría transformar la exploración espacial y el turismo espacial al permitir que los astronautas creen los objetos que necesitan bajo demanda, mientras en el espacio ¡Imagina un futuro en el que los edificios y la comida se creen en el espacio!

¿Cuándo podrá imprimir casi cualquier cosa ¿en casa? Estamos llegando allí. “Estamos a las puertas de una era de fabricación”, dice Bourell, “que creo que puede tener un impacto comparable al de la era de la información”.

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Fuentes:

• Neil Gershenfeld, director del Centro de Bits y Átomos del MIT, que imparte un popular curso de impresión 3D
• David Bourell, profesor de ingeniería mecánica y ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad de Texas en Austin
• Pen and Plastic: "Los diferentes tipos de tecnología de impresión 3D"
• Denis Cormier, profesor de ingeniería industrial y de sistemas en el Instituto de Tecnología de Rochester
• Hubs: "Informe de tendencias de impresión 3D 2022"
• New York Times: "Médicos trasplantan oído de células humanas, hecho por impresora 3-D"
• Redshift: "Historia de la impresión 3D: es más antigua de lo que piensas"
• Easy Rhino 3D: "100 cosas útiles que puede hacer con una impresora 3D"
• Redshift: “¿Qué material utiliza una impresora 3D? Plástico, Metal y Más"
• Ingeniería interesante: "El futuro de la medicina: las impresoras 3D ya pueden crear partes del cuerpo humano"
• Globe Newswire: "El mercado de la impresión 3D aeroespacial tiene un valor de USD 5580 millones para 2026 a una CAGR del 25,7 %"
• Biofabricación: "Últimos avances en bioimpresión 3D de tejidos musculoesqueléticos"