Tecnología de impresión 3D: Aplicaciones transformadoras | MachineMFG

Tecnología de impresión 3D: Aplicaciones transformadoras

0
(0)

En la actualidad, la tecnología de impresión 3D se utiliza ampliamente en la fabricación de automóviles, la industria aeroespacial y de defensa, los bienes de consumo, los dispositivos eléctricos y electrónicos, las aplicaciones biomédicas, la joyería cultural y creativa, la ingeniería de la construcción y la educación, entre otros muchos campos.

Según la autoridad mundial en investigación de la industria de impresión 3D, el "Informe Wohlers 2020" (que separa las aplicaciones aeroespaciales y de defensa en sus estadísticas), la fabricación de automóviles es el mayor campo de aplicación de la tecnología de impresión 3D, con 16,4% de uso. La electrónica de consumo y el sector aeroespacial le siguen de cerca, con 15,4% y 14,7% respectivamente, como muestra la Figura 1-16.

Figura 1-16: Aplicación proporcional de la impresión 3D en diversos sectores industriales

La investigación también indica que antes de 2020, la impresión 3D se utilizaba principalmente para la fabricación de modelos, lo que representa 24,6% de aplicaciones, principalmente para la validación del diseño y las pruebas funcionales durante diversos procesos de desarrollo de productos, lo que lo convierte en el mayor mercado para la impresión 3D desde su creación.

Sin embargo, a partir de 2020, la fabricación directa de productos de uso final mediante tecnología de impresión 3D ha aumentado hasta 30,9%, como se muestra en la Figura 1-17, convirtiéndose en el mayor uso de la tecnología de impresión 3D. Esto demuestra una evolución significativa de la impresión 3D desde la creación rápida de prototipos hasta la fabricación directa de productos finales.

Figura 1-17: Usos proporcionales de la impresión 3D

La economista Carlota Pérez sugiere que cada revolución del ciclo industrial impulsada por la tecnología dura unos 60 años, siendo los primeros 30 años la fase de invención de la tecnología fundacional, y los últimos 30 años la fase de aplicación acelerada de la tecnología. Desde la creación de 3D Systems, la primera empresa que fabricó equipos de impresión 3D en Estados Unidos en 1986, el año 2021 marca el inicio de los últimos 30 años.

Por lo tanto, se espera que la aplicación de la tecnología de impresión 3D se acelere, desencadenando un mayor valor de aplicación y transformando profundamente las industrias relacionadas. En esta sección se presentarán las aplicaciones típicas de la tecnología de impresión 3D en los campos de la biomedicina, la industria aeroespacial y la producción industrial, y a continuación se analizarán las limitaciones y los riesgos de las aplicaciones futuras de la impresión 3D.

Aplicaciones de la impresión 3D en biomedicina

Según los escenarios de aplicación, los usos actuales de la impresión 3D en biomedicina incluyen principalmente modelos de planificación preoperatoria, guías quirúrgicas, implantes y herramientas médicas auxiliares. Además, la bioimpresión para medicina regenerativa y órganos similares a tejidos representa la frontera de la investigación en ingeniería biomédica y es la principal dirección para el futuro desarrollo y aplicación de la impresión 3D en biomedicina.

(1) Modelos de planificación preoperatoria

Los modelos de planificación preoperatoria consisten en convertir los datos de imágenes de TC de un paciente en un modelo tridimensional mediante tecnología de reconstrucción y, a continuación, materializar el modelo con impresión 3D. Estos modelos permiten la visualización tridimensional de la patología, abordando los retos de comprensión y evaluación de imágenes seccionales bidimensionales.

Proporcionan a los médicos información intuitiva y precisa sobre la localización de la enfermedad, la estructura anatómica espacial, la forma y el volumen, ayudando en la formulación de planes quirúrgicos complejos, ensayos preoperatorios y evaluaciones de resultados postoperatorios, con lo que se mejora notablemente la precisión y seguridad de las cirugías.

Las últimas tecnologías de impresión 3D pueden producir ahora materiales que combinan texturas blandas y duras, lo que facilita las incisiones quirúrgicas y mejora la experiencia táctil de los cirujanos. Esto también beneficia la formación y el perfeccionamiento de las habilidades de los jóvenes profesionales de la medicina.

Caso práctico 1-1: Un modelo preoperatorio impreso en 3D ayuda en una compleja operación de extirpación de un tumor cerebral

Resumen del historial del paciente: Una paciente de 40 años experimentaba cefaleas persistentes desde hacía más de dos meses, acompañadas de alteraciones de la visión. En la exploración se detectó un tumor cerebral rodeado de arterias intracraneales, por lo que se sugirió una intervención quirúrgica, aunque de alto riesgo.

El hospital fusionó las imágenes de TC e IRM del paciente, como se muestra en la Figura 1-18, y realizó una reconstrucción tridimensional para restaurar con precisión la situación intracraneal del paciente, incluidos el cráneo, las arterias, las venas y el tumor, como se muestra en la Figura 1-19. A continuación, con la impresora 3D de modelos WJP de Zhuhai Cenat New Technologies Co. A continuación, utilizando la impresora 3D de modelos WJP de Zhuhai Cenat New Technologies Co., Ltd., se produjo una impresión 3D a todo color del modelo craneal reconstruido, como se muestra en la Figura 1-20.

Con la ayuda de este modelo 3D, los médicos pudieron observar claramente la distribución de los vasos sanguíneos alrededor del tumor, lo que les permitió tomar decisiones intraoperatorias. Al identificar los vasos sanguíneos envueltos por el tumor, los cirujanos pudieron extirparlo con precisión protegiendo al mismo tiempo las estructuras vasculares críticas.

Tras una intervención quirúrgica de 11 horas, el meningioma del paciente en la zona de la silla turca del cerebro se extirpó con éxito por segmentos, quedando intactas las arterias cerebrales anteriores bilaterales, las arterias medias y las arterias carótidas internas circundantes. La operación fue todo un éxito.

Figura 1-18: Imagen de TC craneal del paciente (a), imagen de RMN (b) e imagen de fusión de TC y RMN (c).
Figura 1-19: Reconstrucción tridimensional de la cavidad craneal del paciente.
Figura 1-20: Modelo impreso en 3D de la cavidad craneal del paciente.

Caso práctico 1-2: Un modelo preoperatorio impreso en 3D ayuda en la cirugía de resección hepática - Madre e hijo comparten hígado

Resumen del historial del paciente: A una paciente de 56 años se le diagnosticó un tumor hepático maligno y cirrosis. Un hígado humano normal tiene unos 1.500 cm³, pero el de la paciente sólo tenía 765 cm³, con graves deficiencias funcionales. El hospital determinó que el único tratamiento eficaz era un trasplante de hígado y, tras un estudio de compatibilidad, su hijo de 21 años resultó ser un donante adecuado.

Era crucial extirpar con precisión las porciones de hígado donante y receptor y anastomosar con exactitud los vasos sanguíneos y los conductos biliares, lo que requería una gran pericia quirúrgica. El hospital realizó una reconstrucción tridimensional basada en los datos de TC preoperatorios de los hígados de la paciente y su hijo, como se muestra en las figuras 1-21(a) y 1-22(a), respectivamente.

A continuación, los hígados reconstruidos se imprimieron a escala 1:1 con la impresora 3D modelo WJP de Zhuhai Cenat New Technologies Co., Ltd., como se muestra en las figuras 1-21(b) y 1-22(b), lo que permitió evaluar con precisión la extensión de la lesión y la relación espacial tridimensional con los órganos y tejidos adyacentes, así como planificar el abordaje quirúrgico y la ubicación de las incisiones.

La operación fue un éxito y la vida de la madre se prolongó gracias al hígado de su hijo.

Figura 1-21: Reconstrucción tridimensional del hígado del paciente (a) y del modelo impreso en 3D (b).
Figura 1-22: Reconstrucción tridimensional del hígado del donante (a) y del modelo impreso en 3D (b).

(2) Guías quirúrgicas

Las guías quirúrgicas, diseñadas digitalmente y fabricadas mediante impresión 3D, son herramientas clave para trasladar los planes preoperatorios a la ejecución intraoperatoria. Pueden ayudar a evitar traumatismos en vasos sanguíneos y nervios importantes, reducir la pérdida de sangre y mejorar la seguridad quirúrgica.

Entre los materiales utilizados habitualmente para la impresión de este tipo de productos se encuentran el nailon de alto polímero y las resinas de alta resistencia y elasticidad (por ejemplo, guías de osteotomía que deben soportar el aserrado durante la cirugía), resinas transparentes con suficiente resistencia (por ejemplo, guías de implantes dentales) y materiales de resina estándar o PLA para guías que no requieren una gran resistencia (por ejemplo, guías de neuropunción sacra y guías de punción de hemorragias cerebrales).

(3) Implantes

La tecnología de impresión 3D puede producir implantes perfectamente adaptados a las necesidades individuales y que pueden implantarse con éxito en el cuerpo. Estos implantes pueden fabricarse con tamaños de microporos controlables, lo que puede reducir el módulo de Young del material metálicoLos implantes tradicionales ofrecen ventajas incomparables, ya que reducen la tensión y favorecen la integración ósea.

El material común para estos implantes impresos en 3D es titanio como se muestra en las figuras 1-23 y 1-24. Para los implantes que no requieren una carga y una fricción excesivas, como los dispositivos de fusión intervertebral, los huesos craneales y las articulaciones pequeñas como la articulación mandibular, los investigadores están explorando el uso de nuevos materiales como PEEK (Figura 1-25) y aleaciones de magnesio.

Figura 1-23: Cotilo acetabular de aleación de titanio.
Figura 1-24: Costilla de aleación de titanio.
Figura 1-25: Material PEEK hueso craneal.

Caso práctico 1-3: Primera vértebra Atlas impresa en 3D del mundo

Resumen del historial del paciente: En 2014, a un varón de 12 años se le diagnosticó sarcoma de Ewing con la lesión cancerosa localizada en la vértebra atlas, como se muestra en la Figura 1-26. El tratamiento estándar internacional consiste en apoyar el vacío dejado por el atlas canceroso extirpado con una jaula de malla de titanio, fijada en su lugar mediante orificios en la malla combinados con una placa de titanio y tornillos en la parte delantera, para lograr la fusión espinal y reconstruir la estabilidad cervical.

Sin embargo, la fuerza de soporte y la superficie de contacto de la malla de titanio son limitadas, y su resistencia a la rotación y a diversas fuerzas de flexión es débil. La presencia de "apantallamiento por tensión" a menudo provoca el colapso de las vértebras adyacentes a la jaula de malla tras la intervención, lo que dificulta el mantenimiento de la altura intervertebral. Además, el grosor de la placa de titanio puede causar dificultades de deglución al paciente.

En el postoperatorio, el paciente tendría que llevar clavos insertados en la cabeza y la escápula, con un corsé instalado por encima y por debajo para inmovilizar la cabeza. Durante el reposo, la cabeza no puede tocar la cama, condición que debe mantenerse durante 3 o 4 meses, y a veces incluso hasta seis meses, lo que provoca un gran dolor al paciente.

El paciente fue tratado por el profesor Liu Zhongjun, del Departamento de Ortopedia del Tercer Hospital Universitario de Pekín (PUTH), y tras dos intervenciones quirúrgicas por vía cervical posterior y anterior, se le colocó la primera vértebra del atlas impresa en 3D a medida del mundo, como se muestra en la figura 1-27. Esta exitosa operación superó los inconvenientes de los métodos de tratamiento tradicionales y salvó la vida del paciente.

Figura 1-26: Localización de la lesión cancerosa del paciente.
Figura 1-27: La vértebra del atlas impresa en 3D obtenida para el paciente.

(4) Herramientas auxiliares médicas

Las herramientas auxiliares médicas tradicionales suelen obtenerse mediante vaciado en yeso y moldeado termoplástico a baja temperatura. Sin embargo, debido a las características de absorción de agua y contracción de la escayola, puede producirse una deformación del modelo que afecta a la precisión de la herramienta, y el proceso de producción depende demasiado de la experiencia personal del técnico.

Las ayudas de rehabilitación personalizadas y ligeras, fabricadas con tecnología de impresión 3D basada en la información de la superficie corporal obtenida mediante escaneado óptico 3D y combinada con los datos de TAC y resonancia magnética del paciente y un diseño preciso asistido por ordenador, se ajustan mejor a la ergonomía. Pueden satisfacer las necesidades individuales del paciente e i

Mejorar la recuperación postoperatoria o los efectos ortésicos de la rehabilitación no quirúrgica, como se muestra en la Figura 1-28, que muestra varios tipos de herramientas médicas auxiliares impresas en 3D. El desarrollo futuro de herramientas médicas auxiliares personalizadas impresas en 3D incluye nuevos tipos de prótesis, ayudas compensatorias de la función auditiva y del habla, y novedosos sistemas de soporte vital para discapacitados, como robots exoesqueleto.

Entre los materiales que se suelen utilizar para imprimir estos productos se incluyen materiales de nailon de alto polímero (como diversas órtesis con una excelente resistencia y resiliencia), materiales de TPU (como diversos tipos de compensadores biomecánicos del pie) y materiales de PLA o resina de alta resistencia (como algunos soportes de fijación para rehabilitación que no requieren una fuerza excesiva).

Figura 1-28: Diversos tipos de herramientas médicas auxiliares personalizadas impresas en 3D (muñequeras, collarines, prótesis, órtesis de muñeca, etc.)

Estudio de caso 1-4: Ortesis de escoliosis personalizada impresa en 3D para el tratamiento de la escoliosis vertebral

Resumen del historial del paciente: En 2018, una paciente de 14 años fue diagnosticada de escoliosis vertebral, con un ángulo de Cobb de 13° mostrado en la radiografía de columna de cuerpo entero, y no recibió el tratamiento adecuado. Un seguimiento en enero de 2020 mostró un aumento del ángulo de Cobb a 27°. La paciente buscó tratamiento en el Centro de Impresión 3D del Noveno Hospital Popular de Shanghái, afiliado a la Facultad de Medicina de la Universidad Jiao Tong de Shanghái.

Se le colocó una órtesis para escoliosis impresa en 3D y, seis meses después, la columna vertebral de la paciente se había corregido por completo. La progresión de la escoliosis vertebral de la paciente se muestra en la Figura 1-29.

El Centro de Impresión 3D, basándose en la condición específica del paciente, capturó los datos tridimensionales de la superficie del cuerpo del paciente utilizando un escáner corporal 3D (Figura 1-30) y los combinó con datos de rayos X para el diseño asistido por ordenador, creando un modelo de órtesis de escoliosis totalmente personalizado. Esto se materializó posteriormente en una órtesis de escoliosis mediante impresión 3D, como se muestra en la figura 1-31.

La órtesis para escoliosis, gracias a su diseño totalmente personalizado y a su estructura hueca, era transpirable y ligera, por lo que el paciente podía llevarla cómodamente durante más de 20 horas al día.

Figura 1-29: Radiografías comparativas que muestran la progresión de la escoliosis vertebral del paciente.
Figura 1-30: Recogida de datos tridimensionales de la superficie corporal del paciente mediante un escáner corporal 3D.
Figura 1-31: Ortesis de escoliosis personalizada obtenida mediante impresión 3D.

Aplicaciones de la impresión 3D en el sector aeroespacial

A nivel internacional, se ha estado investigando y explorando la tecnología de fabricación por impresión 3D de bajo coste, ciclo corto y alto rendimiento para componentes metálicos difíciles de mecanizar, grandes y complejos en el sector aeroespacial. Empresas como Boeing, Lockheed Martin, Northrop Grumman e instituciones como el Laboratorio Nacional de Los Álamos en Estados Unidos han invertido más de dos décadas de I+D continua.

En China, los equipos dirigidos por el académico Wang Huaming, de la Universidad de Beihang, y el profesor Huang Weidong, de la Universidad Politécnica del Noroeste, también han llevado a cabo décadas de I+D continua, logrando resultados de investigación innovadores.

Por ejemplo, el equipo del académico Wang fue el primero del mundo en introducir tecnologías clave en el proceso de conformado por láser, el equipamiento y la aplicación de grandes componentes portantes de aleación de titanio para aeronaves, abordando el problema del conformado de "grandes componentes" y produciendo los componentes integrales portantes principales de aleación de titanio más grandes y complejos del equipamiento aeronáutico chino, con propiedades mecánicas integrales que alcanzan o superan las de las piezas forjadas.

(1) Ventajas de las aplicaciones de impresión 3D en el sector aeroespacial

La tecnología de impresión 3D, como novedosa técnica de fabricación, presenta claras ventajas en el campo aeroespacial con evidentes beneficios para el servicio, que se reflejan principalmente en los siguientes aspectos:

① Resolver el cuello de botella del aligeramiento de equipos

Para los equipos de armamento aeroespacial, la reducción de peso es un eterno tema de investigación, ya que no sólo aumenta la agilidad de los equipos durante el vuelo, sino que también aumenta la capacidad de carga útil, ahorra combustible y reduce los costes de vuelo.

La búsqueda de una ligereza y fiabilidad extremas en los equipos aeroespaciales y militares dificulta especialmente la fabricación de grandes estructuras integrales complejas y componentes estructurales complejos de precisión, convirtiéndose en uno de los cuellos de botella en el desarrollo de equipos aeroespaciales y militares avanzados.

Por ejemplo, las nuevas aeronaves, naves espaciales y motores utilizan cada vez más componentes estructurales integrales, lo que provoca un aumento continuo del tamaño y la complejidad de los componentes individuales. Además, se está produciendo un aumento significativo en el uso de materiales de aleación, como aleaciones de titanio, aleaciones de alta temperatura y aceros de ultra alta resistencia, que son muy difíciles de procesar mediante el trabajo en caliente tradicional y el mecanizado mecánico.

La aplicación de la tecnología 3D puede optimizar las estructuras de componentes complejos, lo que permite un diseño ligero a la vez que garantiza el rendimiento, logrando así una reducción del peso. La optimización de las estructuras de las piezas también puede conducir a la distribución más racional de la tensión, reduciendo el riesgo de grietas por fatiga y aumentando así la vida útil.

Al mismo tiempo, es posible controlar la temperatura mediante estructuras internas de canales de flujo razonablemente complejas, logrando la combinación óptima de diseño estructural y uso de materiales.

② Aumentar la utilización de materiales y reducir los costes de fabricación.

En el campo de la fabricación aeroespacial, muchos componentes producidos con métodos de fabricación tradicionales tienen bajos índices de utilización de materiales, que generalmente no superan los 10%, y a veces sólo entre 2% y 5%. El importante desperdicio de materiales hace que los procesos de mecanizado mecánico sean complejos y los ciclos de producción largos.

En el caso de las piezas difíciles de mecanizar, el ciclo de mecanizado puede aumentar mucho, lo que alarga considerablemente el ciclo de fabricación y, por tanto, incrementa los costes de fabricación. La tecnología de impresión 3D en metal, como técnica de forma casi neta, tiene un alto aprovechamiento del material y los costes de fabricación no se ven afectados por la complejidad interna de las piezas.

Tomando como ejemplo la fabricación del rotor de aleación de titanio con palas integradas para el ventilador de elevación del avión JSF, la fabricación "sustractiva" tradicional comenzaría con una pieza en bruto forjada de 1500 kg y, tras el fresado tradicional, la pieza final pesaría 100 kg, lo que daría lugar a un índice de utilización de material de sólo 6,67%, con un ciclo de fabricación muy largo, como se muestra en la Figura 1-32. Sin embargo, si se utiliza la tecnología de impresión 3D, se pueden conseguir ahorros de material de hasta 80%. Sin embargo, si se utiliza la tecnología de impresión 3D, se puede conseguir un ahorro de material de hasta 80%.

Figura 1-32: Fabricación del rotor de aleación de titanio con palas integradas para el ventilador de sustentación del avión JSF.

③ Acortar el ciclo de I+D de nuevos equipos aeroespaciales

Una de las ventajas más destacadas de la tecnología de impresión 3D es que puede fabricar directamente piezas físicas a partir de los modelos 3D diseñados por el personal de I+D sin necesidad de mecanizado ni moldes, lo que acorta considerablemente el proceso de fabricación de componentes estructurales de alto rendimiento y gran tamaño.

Por ejemplo, en la fabricación del marco del parabrisas principal del gran avión chino C919, como se muestra en la figura 1-33, el equipo del profesor Wang Huaming, de la Universidad de Beihang, utilizó una tecnología de proceso de impresión 3D de metal desarrollada de forma independiente. Desde la recepción de los datos del modelo 3D de la pieza hasta la entrega de la pieza acabada para su instalación, sólo se tardaron 40 días y costó 1,2 millones de yuanes.

En cambio, encargar la pieza al extranjero llevaría al menos 2 años y el coste del molde sería de 13 millones de yuanes. Del mismo modo, para el larguero central del ala del C919, que mide más de 3 metros de largo, como se muestra en la figura 1-34, los métodos de fabricación tradicionales requerirían una prensa de supertonelaje para forjar, lo que lleva mucho tiempo, requiere mucha mano de obra y desperdicia materias primas.

Además, en aquel momento no había en China equipos capaces de fabricar componentes estructurales tan grandes. Si la pieza se encargaba al extranjero, el periodo desde el pedido hasta la instalación tardaría más de 2 años, lo que obstaculizaría gravemente el progreso de I+D del avión y afectaría al ritmo de producción nacional del gran avión.

El equipo del profesor Huang Weidong, de la Universidad Politécnica del Noroeste, utilizó equipos y tecnología de impresión metálica en 3D de desarrollo propio para fabricar la pieza en aproximadamente un mes. Tras superar las pruebas de rendimiento de COMAC, se aplicó con éxito al primer prototipo del gran avión chino C919.

En las décadas de 1980 y 1990, con los métodos de fabricación tradicionales, se tardaba al menos entre 10 y 20 años en desarrollar una nueva generación de cazas, como el caza J-10, que tardó casi 10 años en desarrollarse. Con la aplicación de la tecnología de impresión 3D, China introdujo el caza J-15 basado en portaaviones en sólo 3 años, entrando directamente en la matriz de cazas basados en portaaviones de tercera generación.

Sin duda, la tecnología de impresión 3D está creando una "velocidad china" en el desarrollo del Ejército del Aire.

Figura 1-33: Marco del parabrisas principal impreso en 3D para el C919
Figura 1-34: Largueros centrales impresos en 3D para el C919

④ Mejorar la eficacia de la reparación de piezas y reducir los costes de mantenimiento

La reparación y el mantenimiento de componentes dañados en equipos aeroespaciales siempre han sido un problema importante. El uso de la tecnología de impresión 3D Laser Engineered Net Shaping (LENS) para la reparación de piezas introduce un nuevo método de mantenimiento para los equipos aeroespaciales. Por ejemplo, en el caso de las palas de turbina integradas de alto rendimiento, si se daña una pala, todo el rotor de la turbina se enfrenta al desguace, con una pérdida económica directa millonaria.

Actualmente, basándose en la característica de impresión capa por capa de LENS, la hoja dañada puede considerarse un sustrato especial. Al realizar revestimiento láser en la zona localmente dañada, la pieza puede recuperar su aspecto original, cumpliendo o incluso superando los requisitos de rendimiento del material original.

Además, debido a la controlabilidad del proceso de impresión 3D, los impactos negativos de la reparación son muy limitados. Para las fuerzas de defensa, esto significa que se pueden ofrecer soluciones eficaces in situ sin necesidad de un almacén de piezas de repuesto, lo que mejora notablemente la eficiencia de la reparación de piezas y reduce los costes de mantenimiento.

En el futuro, la tecnología de impresión 3D podrá desplegarse en primera línea de combate, realizando la impresión directa de piezas en el campo de batalla y eliminando los pasos intermedios de fabricación, distribución y almacenamiento.

En la actualidad, la Marina estadounidense ha puesto en marcha el proyecto "Print the Fleet", que desarrolla una serie de procedimientos para la impresión, cualificación y entrega de piezas, y evalúa diversas tecnologías y materiales de impresión 3D para uso militar con el fin de alcanzar el objetivo de fabricar piezas de aeronaves en buques de la Armada en alta mar.

En el futuro, la tecnología de impresión 3D también podrá desplegarse en estaciones espaciales para realizar la impresión 3D directa de piezas en el espacio. En agosto de 2014, la NASA transportó a la Estación Espacial Internacional una impresora 3D capaz de funcionar en un entorno de vacío, donde los astronautas no solo imprimieron piezas de prueba, sino también componentes estructurales funcionales.

China también llevó a cabo su primer experimento de impresión 3D en órbita en mayo de 2020 y fue la primera del mundo en lograr la impresión 3D espacial de materiales compuestos continuos reforzados con fibra de carbono, como se muestra en la Figura 1-35.

Figura 1-35: Impresión 3D espacial de materiales compuestos continuos reforzados con fibra de carbono.

(2) Casos de aplicación

A continuación se presentan tres casos de aplicaciones de impresión 3D en el campo aeroespacial en China.

Caso práctico 1-5: Impresión en 3D del bastidor de la brida de acoplamiento del motor de empuje variable "Tianwen-1" versión 2.0 de 7500 N

El 15 de mayo de 2021, a las 07:18, el módulo de aterrizaje y el orbitador "Tianwen-1" se separaron y aterrizaron con éxito en la superficie de Marte, como se muestra en la Figura 1-36. Posteriormente, el vehículo explorador de Marte "Zhurong" envió señales telemétricas. Posteriormente, el explorador de Marte "Zhurong" envió con éxito señales telemétricas. El motor de empuje variable de 7500 N utilizado para el aterrizaje en Marte era la versión 2.0 del motor utilizado para los alunizajes.

El motor de empuje variable 7500N mejorado "Tianwen-1" versión 2.0 tenía el mismo rendimiento y empuje que el motor 7500N del anterior proyecto lunar Chang'e, pero sólo tenía un tercio del peso y volumen, con una estructura más optimizada y compacta, como se muestra en la Figura 1-37.

Para ello, el bastidor de la brida de acoplamiento del motor se imprimió por primera vez en 3D en una sola pieza, lo que evitó la deformación causada por la eliminación de grandes excesos de material de barras macizas o piezas forjadas y, además, redujo eficazmente el peso.

Figura 1-36: Situación de aterrizaje del módulo de aterrizaje "Tianwen-1".
Figura 1-37: Comparación de los motores de empuje variable 7500N del proyecto Chang'e y "Tianwen-1

Estudio de caso 1-6: Impresión en 3D del bastidor integrado sobredimensionado de aleación de titanio para la cápsula de retorno de un vehículo de pruebas espacial tripulado de nueva generación.

El 8 de mayo de 2020, a las 13:49, la cápsula de retorno del vehículo de prueba de la nave espacial tripulada de nueva generación de China, desarrollada por el Instituto de Investigación de Tecnología Espacial de la Corporación de Ciencia y Tecnología Aeroespacial de China, aterrizó con éxito en el área designada en el sitio de aterrizaje de Dongfeng.

La conclusión con éxito de la misión de vuelo del vehículo de pruebas marcó un prototipo para la nueva generación de naves espaciales tripuladas de China y avances significativos en un lote de nuevas tecnologías en campos como la estructura de la cabina, los materiales y los sistemas de control.

Uno de los avances tecnológicos importantes fue el diseño y conformado en 3D de un armazón integrado de aleación de titanio de 4 m de diámetro, con el que se consiguieron objetivos como la reducción de peso, el acortamiento del ciclo y la reducción de costes. El regreso con éxito del vehículo de prueba de la nave espacial tripulada de nueva generación también supuso la prueba con éxito de la tecnología de impresión 3D integral para componentes estructurales clave de gran tamaño.

La figura 1-38 muestra la situación de aterrizaje de la cápsula de retorno del vehículo de pruebas de la nave espacial tripulada de nueva generación y su armazón integrado de aleación de titanio sobredimensionado obtenido mediante impresión 3D.

Figura 1-38: Situación de aterrizaje de la cápsula de retorno del vehículo espacial tripulado de prueba de nueva generación (izquierda) y su armazón de aleación de titanio integrado de gran tamaño impreso en 3D (derecha).

Estudio de caso 1-7: Impresión en 3D del soporte de la rueda de reacción inclinada para el satélite de relevo Chang'e-4 "Queqiao"

El 21 de mayo de 2018, el satélite de retransmisión Chang'e-4 "Queqiao" fue lanzado con éxito en el Centro de Lanzamiento de Satélites de Xichang. Su órbita de trabajo en el espacio profundo ayudará a la humanidad a seguir desvelando los misterios de la cara oculta de la Luna. Con unas capacidades de lanzamiento limitadas, el índice de peso de "Queqiao" era extremadamente estricto. El soporte de la rueda de reacción oblicua, uno de los componentes más pesados del satélite, se diseñó para reducir el peso.

La optimización de la topología se realizó con el software Inspire de Altair, cambiando la filosofía de diseño de "diseñar el estructura del producto primero y luego comprobar el rendimiento del producto" a "determinar primero el rendimiento del producto y luego obtener la estructura final del producto mediante la optimización de la topología", logrando un diseño ligero.

Además, utilizando la impresión 3D de aleación de aluminio, se llevó a cabo la fabricación integral, consiguiendo una fabricación ligera. La figura 1-39 muestra el producto impreso del soporte de la rueda de reacción oblicua para el satélite de retransmisión "Queqiao" y su montaje en el satélite.

Figura 1-39: Producto impreso del soporte de la rueda de reacción oblicua del satélite repetidor "Queqiao" (izquierda) y su montaje en el satélite (derecha).

Aplicaciones de la impresión 3D en la producción industrial

Inicialmente, la tecnología de impresión 3D en la producción industrial se utilizaba principalmente para la creación de prototipos durante el desarrollo de productos, verificando el diseño, la estructura y las pruebas de montaje. Por ejemplo, antes de la producción en serie de un nuevo producto, es necesario evaluarlo para identificar rápidamente cualquier problema de diseño.

Puede simular las condiciones reales de funcionamiento del producto para el montaje, las comprobaciones de interferencias, las pruebas funcionales y las inspecciones de fabricación y montaje. Además, puede utilizarse para la fabricación de moldes, donde la tecnología de impresión 3D crea moldes maestros para piezas de fundición al vacío y de revestimiento, moldes de inyección, etc.

A continuación, se combinan con los procesos de fabricación tradicionales para producir moldes para la fabricación en serie. Tras más de 30 años de desarrollo, la tecnología de impresión 3D se utiliza ahora ampliamente en el ámbito industrial para la fabricación directa de piezas finales, incluida la impresión directa de algunos moldes. También puede imprimir moldes de inyección de refrigeración conformada, que presentan ventajas significativas con respecto a los moldes de inyección tradicionales.

(1) Desarrollo y validación de productos

El desarrollo y la validación tradicionales de productos suelen implicar el mecanizado CNC, que tiene limitaciones para procesar productos complejos con estructuras huecas, ahuecadas, de alta precisión, de paredes finas o irregulares. Aunque el CNC pueda procesar algunas de ellas, su coste es muy elevado, por lo que resulta más adecuado para piezas estructuralmente sencillas, gruesas y pesadas.

La impresión 3D ofrece ventajas como la rapidez de procesamiento, el moldeo único y un coste que no se ve afectado por la complejidad del producto. En la actualidad se utiliza ampliamente en diversos sectores para la validación de diseños, la verificación de ensamblajes y las pruebas de lotes pequeños durante el desarrollo de productos. Entre los materiales de impresión 3D más utilizados para el desarrollo y la validación de productos se encuentran las resinas de fotopolímero y los materiales de nailon con alto contenido en polímeros.

Los materiales de resina fotopolimérica producen piezas con superficies lisas pero de menor resistencia, mientras que los materiales de nailon con alto contenido en polímeros son adecuados para productos que requieren mayor resistencia y tenacidad. La Figura 1-40 muestra imágenes de algunos casos de desarrollo y validación de productos de impresión 3D.

(2) Fabricación de moldes

Con los métodos de mecanizado tradicionales, los moldes de plástico suelen utilizar canales de refrigeración rectos, que resultan ineficaces para refrigerar piezas de paredes finas o cavidades profundas, como se muestra en la Figura 1-41(a). Con la tecnología de impresión 3D en metal, se pueden imprimir directamente moldes con canales de refrigeración conformados, como se muestra en la Figura 1-41(b), lo que garantiza que no haya puntos ciegos en la refrigeración del molde.

Los moldes de inyección con refrigeración conformada presentan las siguientes ventajas evidentes:

① Pueden mejorar eficazmente la eficiencia de enfriamiento, reducir el tiempo de enfriamiento y aumentar la eficiencia de producción de inyección, mejorando generalmente de 20% a 40%.

② Mejoran la uniformidad del enfriamiento, reduciendo el alabeo y la deformación del producto y estabilizando las dimensiones, lo que mejora la calidad del producto.

Figura 1-40: Algunos casos de desarrollo y validación de productos de impresión 3D
Figura 1-41: Canales de refrigeración de moldes mecanizados tradicionales (a) y molde impreso en 3D con canales de refrigeración conformados (b).

Estudio de caso 1-8: Núcleo de molde de inyección de refrigeración conformada impreso en 3D

La pieza de plástico de panel genérico de un cliente se fabricó utilizando un núcleo de refrigeración conformado metálico impreso en 3D. El tiempo de ciclo del molde se redujo de 55 segundos a 43 segundos, y la producción aumentó de 1300 piezas al día a 1670 piezas al día, mejorando la eficiencia de la producción en 28%. Los ingresos diarios de la pieza eran originalmente de 39.000 yuanes, que aumentaron a 50.100 yuanes tras utilizar la impresión 3D.

Tras deducir los costes de materiales de inyección, depreciación y energía, el beneficio diario aumentó en 2.100 yuanes. Un juego de estos moldes (funcionando 180 días al año) puede reportar un beneficio adicional de 2.100 x 180 = 378.000 yuanes. Con diez juegos, el beneficio puede aumentar en 3,78 millones de yuanes, lo que muestra una rentabilidad muy buena, como se muestra en la Tabla 1-1.

Tabla 1-1: Comparación de la producción antes y después de utilizar la impresión metálica en 3D para fabricar núcleos de refrigeración conformados

Elemento de comparaciónTradicionalImpresión 3DNota
Ciclo de producción (segundos)5543
Producción (piezas/día)13001670Basado en 20 horas de producción al día
Precio unitario (yuanes)3030
Ingresos (yuanes/día)39,00050,100Aumento de beneficios de 2.100 yuanes/día

Caso práctico 1-9: Núcleo de molde de refrigeración conformado impreso en 3D para álabes de ventilador de aire acondicionado

El aspa del ventilador de un aire acondicionado split de un cliente, como se muestra en la Figura 1-42(a), tenía originalmente un núcleo de cobre de berilio en la parte central de su molde, como se muestra en la Figura 1-42(b). El material de cobre de berilio tiene una rápida conducción del calor y buenos efectos de refrigeración, pero no es resistente al desgaste y tiene una vida útil que es una cuarta parte de la de las piezas de acero, por lo que es necesario sustituirlo después de aproximadamente 30.000 piezas, lo que aumenta la carga de trabajo para el mantenimiento del molde.

Posteriormente, se adoptó un núcleo de acero de molde impreso en 3D, como se muestra en la Figura 1-42(c), que, debido al diseño de un paso de agua de refrigeración conforme razonable, puede producir más de 120.000 piezas y también mejora la eficiencia de la producción de moldeo por inyección. El molde tiene un total de 66 juegos; al cabo de un año, todos fueron sustituidos por núcleos de acero para moldes impresos en 3D, lo que supuso un ahorro total de costes de más de 300.000 yuanes, como se muestra en la Tabla 1-2.

Figura 1-42: Álabe de ventilador de aire acondicionado split (a), núcleo de molde de cobre de berilio tradicional (b) y núcleo de molde de acero impreso en 3D (c).

Tabla 1-2: Tabla comparativa de costes de uso para piezas de núcleo de cobre berilio moldeadas y piezas de núcleo impresas en 3D.

TipoVida útilPrecio unitario (yuanes)Producción anual de aspas de ventilador (10.000 piezas)Número de sustitucionesCoste del eje (yuanes)Maquinista Coste (yuanes)Coste de ajuste (yuanes)Coste acumulado (yuanes)
Piezas de cobre berilio30.000 piezas4002,200768768 x 400 = 307,200768 x 200 = 153,600768 x 150 = 115,200576,000
Piezas impresas en 3D120.000 piezas4802,200192192 x 480 = 92,160192 x 200 = 38,400192 x 150 = 28,800159,360

(3) Fundición a la cera perdida

La fundición a la cera perdida, también conocida como fundición de precisión, utiliza a menudo material de cera para crear los patrones desechables, de ahí que se conozca comúnmente como "fundición a la cera perdida." Los patrones de cera para la fundición a la cera perdida se fabrican frecuentemente mediante impresión 3D.

Estudio de caso 1-10: Modelo de cera impreso en 3D para la fundición a la cera perdida de joyas

La inversión producción de fundición de una pieza de joyería pasa por las distintas etapas que se muestran en la Figura 1-43: (a) modelo de diseño 3D del producto; (b) se imprime el modelo de cera utilizando una impresora 3D de cera; (c) se disuelve el soporte de cera; (d) se obtiene el modelo de cera acabado; (e) se crea un árbol de cera; (f) el árbol de cera se coloca en un molde de metal; (g) se vierte yeso para formar el molde de yeso y se aplica vacío; (h) se cuece el molde de yeso a altas temperaturas para quemar la cera, obteniéndose un molde negativo de yeso; (i) se funde el metal; (j) se vierte el metal en el molde de yeso y se disuelve el yeso en agua; (k) se lava el producto semiacabado en ácido clorhídrico y se seca; (l) se desmembra el árbol de joyería de metal; (m) se realiza el esmerilado y el pulido; (n) se obtiene el producto final de joyería.

Figura 1-43: Proceso de producción de fundición a la cera perdida para joyería

(a) Modelo de diseño en 3D del producto
(b) Patrón de cera impreso con impresora 3D de cera (la parte blanca es el material de soporte)
(c) Disolución de los soportes de cera
(d) Obtención del modelo de cera acabado
(e) Crear un árbol de cera
(f) Colocación del árbol de cera en el molde metálico
(g) Vertido de yeso para formar un molde de yeso y aplicación de vacío
(h) Cocción a alta temperatura en horno para quemar la cera y obtener un molde negativo de yeso
(i) Fusión de metales
(j) Fundición de metal en molde de yeso y disolución del yeso con agua
(k) Lavado del producto semiacabado con ácido clorhídrico y secado
(l) Desmontaje del árbol de joyas de metal
(m) Esmerilado y pulido
(n) Obtención del producto final de joyería

(4) Fundición en arena

La fundición en arena consiste en crear moldes y machos a partir de arena de moldeo (normalmente arena de sílice) y un aglutinante para producir piezas de metal fundido. Este proceso tradicional suele requerir la creación manual o semimanual de patrones de madera para los moldes y machos de arena.

Sin embargo, con la tecnología de impresión 3D, los moldes y machos de arena pueden imprimirse directamente a partir de los datos de diseño, lo que mejora considerablemente la eficacia de la creación de moldes, acorta los ciclos de producción, reduce los costes de fabricación y ofrece una mayor precisión en comparación con la fundición en arena tradicional. También permite fundir piezas con paredes finas y estructuras internas complejas.

Estudio de caso 1-11: Molde de arena impreso en 3D para fundir un cárter de embrague de pared delgada

Se fabricó un cárter de embrague de paredes finas mediante moldeo en arena, con unas dimensiones de 465 mm × 390 mm × 175 mm y un peso de 7,6 kg, dividido en partes superior e inferior. La empresa alemana Voxeljet utilizó arena GS09 de alta calidad para imprimir en 3D el molde de arena con paredes extremadamente finas, como se muestra en la figura 1-44(a). A continuación, la pieza se fundió utilizando la aleación G-AlSi8Cu3, como se muestra en las figuras 1-44(b) y (c).

Todo el proceso de fabricación duró menos de 5 días, y la carcasa de embrague producida tenía el mismo rendimiento que las piezas fabricadas en serie posteriormente tras superar las pruebas, lo que supuso una importante ventaja de tiempo y costes para el cliente.

Figura 1-44: Molde de arena y fundición del cárter del embrague

Estudio de caso 1-12: Molde de arena impreso en 3D para fundir un colector de admisión de un coche de carreras

El colector de admisión, situado entre el cuerpo del acelerador y las válvulas de admisión del motor, se llama colector porque el aire se divide después de entrar por el acelerador. El colector debe distribuir la mezcla de aire y combustible o aire limpio de la forma más uniforme posible a cada cilindro, lo que significa que las longitudes de los conductos de gas dentro del colector deben ser lo más iguales posible.

Para reducir la resistencia al flujo de gases y aumentar la admisión, las paredes interiores del colector de admisión deben ser lisas. Los colectores de admisión de los coches de carreras tienen muchas zonas de interferencia, lo que supone un reto para el moldeo en arena y el posterior mecanizado. Para cumplir los requisitos precisos de complejidad, Voxeljet dividió el modelo del colector de admisión en cuatro partes para la impresión 3D de los moldes de arena, evitando así problemas de deformación durante el montaje.

Las dimensiones del colector eran 854 mm × 606 mm × 212 mm, el molde de arena total pesaba aproximadamente 208 kg, como se muestra en la Figura 1-45(a), y el tiempo de impresión fue de 15 horas. El sitio aleación de aluminio fundido colector de admisión pesaba unos 40,8 kg, como se muestra en la Figura 1-45(b).

Figura 1-45 Moldes de arena y piezas de fundición para el colector de admisión de los coches de carreras

(5) Moldeado de silicona

El moldeo por silicona es un proceso que utiliza una pieza prototipo para crear un molde de silicona al vacío, en el que se vierte resina líquida para replicar la pieza original. Estas réplicas tienen un rendimiento cercano al de los productos moldeados por inyección y pueden personalizarse en color para satisfacer los requisitos del cliente.

Los materiales se vierten al vacío o a baja presión. El vaciado al vacío se utiliza principalmente para fabricar piezas pequeñas y medianas, como carcasas de aparatos electrónicos de consumo, mientras que el vaciado a baja presión se emplea sobre todo para piezas grandes, como parachoques de automóviles.

Tradicionalmente, las piezas prototipo para moldes de silicona se creaban mediante mecanizado CNC, mientras que los prototipos impresos en 3D para moldes de silicona suelen fabricarse rápidamente con materiales de resina fotopolímera mediante el proceso SLA. Cada molde de silicona puede producir entre 10 y 20 piezas, con una precisión de ±0,2 mm/100 mm, un grosor mínimo de colada de 0,5 mm, óptimo de 1,5 a 5 mm, y un tamaño máximo de colada de unos 2 metros.

El flujo del proceso es el siguiente:

① Creación de prototipos: Se fabrica un prototipo basado en los datos 3D del producto mediante impresión 3D.

② Creación del molde de silicona: Una vez realizado el prototipo, se construye un marco de molde, se fija el prototipo en su lugar y se crean 'bebederos' y orificios de ventilación. El bebedero es la entrada de material, también conocida como "compuerta". El tamaño y la forma del bebedero deben diseñarse en función de las propiedades de flujo del material y del tamaño de la pieza.

La silicona líquida, desgasificada al vacío, se vierte en el molde para cubrir completamente el producto. A continuación, se hornea el molde para acelerar el curado de la silicona y, al cabo de 8 horas, se abre el molde de silicona para crear dos mitades, se retira el prototipo y se completa la creación del molde de silicona.

③ Colado al vacío: Después de cerrar el molde de silicona, se coloca en una máquina de colada al vacío, donde se evacua el aire o se crea un entorno de baja presión, y luego se inyecta el material.

Tras el llenado, el material se cura durante 30-60 minutos a una temperatura constante de 60-70°C y, a continuación, se desmolda. Si es necesario, se realiza un curado secundario durante 2-3 horas a 70-80°C. Una vez curado el material, se desmolda, se abre y se obtiene el producto replicado. Este ciclo se repite para producir pequeños lotes de réplicas.

La tecnología de moldeo por silicona es más rápida, menos costosa y tiene ciclos de producción más cortos que la tecnología de moldeo por inyección, lo que reduce considerablemente los gastos de desarrollo y los plazos de I+D.

Se utiliza habitualmente en el desarrollo y diseño de piezas de automoción, produciendo pequeños lotes de piezas de plástico para pruebas de rendimiento y ensayos en carretera, como carcasas de aire acondicionado, parachoques, conductos de aire, rejillas de ventilación encapsuladas, colectores de admisión, consolas centrales y salpicaderos. La figura 1-46 muestra dos ejemplos de moldes de silicona y piezas replicadas fabricadas con prototipos impresos en 3D.

Figura 1-46: Moldes de silicona y piezas replicadas realizadas con prototipos impresos en 3D.

(6) Productos de uso final (aligeramiento en automoción)

La tecnología de impresión 3D se utiliza cada vez más para la fabricación directa de piezas o productos de uso final en diversos campos como el aeroespacial, militar, médico, automoción, electrodomésticos y electrónica de consumo. En el sector de la fabricación de automóviles, investigadores y empresas experimentan continuamente con la fabricación directa de piezas e incluso vehículos enteros mediante impresión 3D.

Por ejemplo, Ford Motor Company opera casi 100 impresoras 3D distintas en más de 30 fábricas de todo el mundo y lleva décadas invirtiendo en esta tecnología. Ford utiliza la impresión 3D no solo para el desarrollo y la verificación, sino también para la producción de piezas y herramientas finales.

Otros gigantes del automóvil como Mercedes, BMW, Audi, Volkswagen, Toyota, Cadillac, Tesla, Ferrari, Lamborghini y Porsche también aplican ampliamente la impresión 3D en el desarrollo y la fabricación de sus vehículos.

El aligeramiento es una tendencia mundial de la industria automovilística, y la búsqueda de vehículos más ligeros será cada vez más extrema en el futuro. El objetivo del aligeramiento en automoción es reducir significativamente el peso en vacío del vehículo al tiempo que se garantiza la resistencia y la seguridad, se mejora la potencia y la autonomía, se reduce el consumo de combustible, se disminuye la contaminación de los gases de escape e incluso se mejora la maniobrabilidad y la seguridad del vehículo.

Las piezas metálicas de automoción impresas en 3D son 40-80% más ligeras que las piezas tradicionales, lo que puede reducir las emisiones de CO2 en 16,97 g/km. Algunas piezas ligeras presentan complejas estructuras reticulares internas que reducen el peso al tiempo que mejoran el rendimiento.

El aligeramiento abarca aspectos relacionados con los materiales, el diseño y el proceso, como el uso de acero de alta resistencia, aleaciones de titanio y metales pesados. aleaciones de aluminio; optimizar los diseños de estructuras, integrados y topologías; y emplear procesos de fabricación avanzados para mejorar el rendimiento de las piezas y lograr una mayor reducción de peso.

A medida que evoluciona la tecnología de impresión 3D, cada vez es mayor el número de piezas de automoción que pueden fabricarse y utilizarse directamente, y la impresión 3D está a punto de desencadenar una nueva oleada de mejoras en la industria de fabricación de automóviles.

Caso práctico 1-13: Impresión en 3D del soporte de la capota del BMW i8 Roadster y del raíl guía de la ventana

BMW Group ha sido siempre pionero en la adopción de la tecnología de impresión 3D por parte de la industria automovilística. El BMW i8 Roadster utiliza la tecnología de impresión 3D para producir un soporte metálico para la capota del descapotable, que se utiliza directamente en la producción en serie, como se muestra en la Figura 1-47(a).

Este soporte metálico impreso en 3D conecta la cubierta del techo descapotable a la bisagra de muelle, facilitando el plegado y desplegado del techo sin necesidad de medidas adicionales de amortiguación del ruido, como amortiguadores de goma o muelles y unidades de accionamiento más resistentes (y pesados). El soporte debe levantar, empujar y tirar de todo el peso del techo y necesita una geometría compleja imposible de conseguir mediante fundición.

El diseño final produjo una estructura de celosía ligera utilizando tecnología de impresión 3D metálica, optimizando el soporte para la cubierta y minimizando al mismo tiempo el desplazamiento para evitar que la cubierta se colapse durante la apertura, como se muestra en la Figura 1-47(b). Este soporte impreso en 3D ganó el premio Altair Enlighten 2018, que reconoce los avances significativos en tecnología ligera, y acaparó una atención considerable por su diseño innovador en la ceremonia de entrega de premios.

Otra pieza impresa en 3D de uso final utilizada directamente en el BMW i8 Roadster es el raíl guía de la ventanilla, como se muestra en la figura 1-48. Gracias a la impresión 3D de nailon, el raíl guía se desarrolló y pasó a la producción en serie en solo cinco días, con capacidad para producir más de 100 raíles guía de ventanas en 24 horas. La pieza se instala en el interior de las puertas del BMW i8 Roadster, permitiendo que las ventanillas funcionen sin problemas.

Figura 1-47: Soporte superior impreso en 3D para el BMW i8 Roadster (a) y su proceso de diseño de optimización estructural (b).
Figura 1-48: Carril guía de ventana impreso en 3D para el BMW i8 Roadster

La información de producción de BMW disponible públicamente indica que el peso del BMW i8 Roadster se redujo en 44% en 2018. La empresa ha producido más de un millón de piezas mediante impresión 3D hasta la fecha. Solo en 2018, la producción del centro de producción de impresión 3D de BMW Group superó las 200.000 piezas, un aumento de 42% en comparación con el año anterior.

Estudio de caso 1-14: Impresión 3D de la pinza de freno del Bugatti Chiron

El Bugatti Chiron es capaz de acelerar de 0 a 400 km/h en sólo 42 segundos, superando los límites de la física, y el éxito de Bugatti se debe a la continua optimización de sus sistemas y a la exitosa aplicación de nuevos materiales y procesos. Entre ellos, los frenos del nuevo Chiron son los más potentes del mundo, con ocho y seis pistones en las pinzas delantera y trasera, respectivamente.

Anteriormente, las pinzas de freno del Bugatti Chiron se fabricaban con una aleación de aluminio de alta resistencia y pesaban 4,9 kg. Las nuevas pinzas se han optimizado estructuralmente basándose en principios de biomimetismo y se han impreso en 3D a partir de una aleación de titanio de calidad aeroespacial, con un peso de tan solo 2,9 kg, lo que supone una reducción de 40%, como se muestra en la figura 1-49.

El desarrollo de las nuevas pinzas fue increíblemente rápido: desde el concepto inicial hasta el primer componente impreso sólo pasaron tres meses. La parte que más tiempo llevó fue la simulación y optimización de la resistencia y rigidez del nuevo diseño, seguido de la simulación del proceso de impresión para garantizar una finalización sin problemas.

El calibre mide 41 cm de largo, 21 cm de ancho y 13,6 cm de alto, se imprimió con un sistema de fusión de cuatro láseres y tardó 45 horas en imprimirse. Tras la impresión, la pieza y la placa base se sometieron a un tratamiento térmico a 700 °C en un recocido y se dejó enfriar con el horno para eliminar las tensiones residuales y garantizar la estabilidad dimensional, un proceso que duró 10 horas.

A continuación, la pieza se retiró mediante corte por hilo, se eliminaron los soportes y se esmeriló y pulió mediante una combinación de métodos físicos y químicos para mejorar resistencia a la fatiga y aumentar la durabilidad a largo plazo durante el uso posterior del vehículo. Por último, el mecanizado de las roscas (para conectar los pistones) se completó en una fresadora, lo que requirió 11 horas.

Figura 1-49: Pinza de freno impresa en 3D para el Bugatti Chiron (a) y producto postprocesado (b)

Limitaciones y riesgos de las futuras aplicaciones de la impresión 3D

Aunque la tecnología de impresión 3D ha demostrado grandes ventajas de aplicación durante su proliferación, también se enfrenta a numerosas limitaciones y riesgos. Solo si se comprenden, resuelven o evitan claramente estos problemas podrá la impresión 3D aprovechar plenamente sus ventajas y seguir ampliando su ámbito y dominios de aplicación.

(1) Limitaciones

① Limitaciones de las capacidades de impresión 3D

En la actualidad, la mayoría de las impresoras 3D presentan los siguientes problemas destacados: En primer lugar, el tamaño de los equipos es pequeño, normalmente con dimensiones de impresión concentradas en torno a 400mm×400mm×40mm, y pocos superan los 1000mm. En segundo lugar, la eficiencia es relativamente baja, con largos tiempos de impresión de las piezas y costes elevados. Tercero, rugosidad superficial y la precisión dimensional aún no son ideales.

Por ejemplo, la fundición de precisión puede lograr una rugosidad superficial mejor que Ra3,2μm, e incluso por debajo de Ra1,6μm, mientras que el mejor nivel para las piezas metálicas impresas en 3D con láser se sitúa actualmente en torno a Ra6,4μm, generalmente por encima de Ra10μm, y para la impresión 3D en lecho de polvo con haz de electrones, la rugosidad superficial es de Ra20-30μm.

En cuarto lugar, los materiales son limitados; cada tipo de proceso de impresión 3D está restringido a un número o tipos de materiales muy limitados, incapaces de satisfacer los requisitos de algunos campos.

En el cuadro 1-3 figuran los principales fabricantes de equipos de SLM y sus parámetros, tanto nacionales como internacionales.

Empresa/EscuelaModelos de equipos típicosTipo láserPotencia/WEnvolvente de construcción/mmDiámetro del haz/μm
EOSM280Fibra200/400250×250×325100~500
RenishawAM250Fibra200/400250×250×30070~200
ConceptoM2 cusingFibra200/400250×250×28050~200
Soluciones SLMSLM 500HLFibra200/500280×280×35070~200
Universidad Tecnológica del Sur de ChinaDmetal-240Semiconductor200240×240×25070~150
Universidad de Ciencia y Tecnología de HuazhongHRPM-1YAG150250×250×400Aproximadamente 150

②El impacto de la impresión 3D en la salud humana

Los trabajadores que manejan impresoras 3D metálicas o se dedican al postprocesado suelen entrar en contacto con polvos metálicos de menos de 100 micras de tamaño. Estas partículas finas pueden penetrar fácilmente en los pulmones o las mucosas, causando daños respiratorios o neurológicos. Es esencial llevar ropa protectora y máscaras antigás para mitigar estos riesgos.

Además, la impresión 3D de metales suele requerir gases inertes como el argón o el nitrógeno para evitar la oxidación durante el procesamiento. Si estos gases inertes sufren fugas, suponen un grave riesgo, ya que son indetectables por el cuerpo humano y pueden ser inhalados sin que la víctima lo sepa. El aire que respiramos contiene 21% de oxígeno; un descenso por debajo de 19,5% debido a una fuga puede causar privación de oxígeno y daños.

Esto es especialmente probable en espacios cerrados, por lo que los usuarios de impresoras 3D metálicas deben ser conscientes de este peligro potencial y tomar medidas preventivas.

③Peligros para la seguridad en la producción de impresión 3D

En los talleres de impresión 3D de metales, los polvos suspendidos en el aire de metales como el titanio, el aluminio y el magnesio pueden concentrarse y, si encuentran una fuente de ignición, pueden arder o incluso explotar. Cuanto más fino es el polvo, más susceptible es a la combustión. Por lo tanto, el almacenamiento, procesamiento y postprocesamiento de polvos metálicos debe evitar las fuentes de ignición y la electricidad estática.

Además, el vertido de polvo puede plantear riesgos medioambientales. En 2014, la Administración de Seguridad y Salud en el Trabajo (OSHA) de Estados Unidos citó un incidente de seguridad en el que una instalación de impresión 3D sobre metal no equipó el equipo de extinción de incendios adecuado, lo que provocó quemaduras a un operario. Aunque el incendio se produjo como consecuencia de una manipulación incorrecta del equipo, el incidente no deja de ser un importante recordatorio de seguridad.

(2)Riesgos

Aunque la tecnología de impresión 3D impulsa el progreso tecnológico y ofrece comodidad, también introduce riesgos en diversas aplicaciones que merecen una atención especial.

Por ejemplo, las armas de fuego impresas en 3D pueden plantear riesgos para la seguridad personal y el orden público; los medicamentos impresos en 3D pueden plantear riesgos para el control de drogas y la salud; los productos impresos en 3D pueden infringir marcas registradas, derechos de autor y derechos de propiedad intelectual, e incluso la impresión en 3D puede plantear riesgos para la seguridad de la información personal, la seguridad de la propiedad y las normas éticas.

¿De cuánta utilidad te ha parecido este contenido?

¡Haz clic en una estrella para puntuarlo!

Promedio de puntuación 0 / 5. Recuento de votos: 0

Hasta ahora, ¡no hay votos!. Sé el primero en puntuar este contenido.

Ya que has encontrado útil este contenido...

¡Sígueme en los medios sociales!

¡Siento que este contenido no te haya sido útil!

¡Déjame mejorar este contenido!

Dime, ¿cómo puedo mejorar este contenido?

Deja un comentario

Tu dirección de correo electrónico no será publicada. Los campos obligatorios están marcados con *

Scroll al inicio