La tecnología de impresión 3D es un proceso de fabricación impulsado por la tecnología digital, cuyas tendencias de desarrollo de datos se reflejan en dos áreas:
En primer lugar, la evolución de los métodos de estratificación. Las primeras técnicas de estratificación digital y planificación de trayectorias determinan directamente la eficacia y precisión de la estratificación física posterior.
En la actualidad, la impresión 3D emplea principalmente el corte plano simple, pero universidades como la Universidad de Dayton y la Universidad de Stanford han investigado el procesamiento de datos centrándose en los métodos de estratificación, intentando pasar del corte plano bidimensional tradicional al corte de superficies curvas conformadas.
En China, este plan de investigación se incluyó en los "Proyectos especiales clave sobre fabricación aditiva y fabricación por láser" del Ministerio de Ciencia y Tecnología en 2018.
En segundo lugar, la diversificación de las fuentes de datos. Los modelos 3D para impresión pueden obtenerse mediante modelado 3D o métodos de ingeniería inversa, incluso utilizando datos de tomografías computarizadas y cámaras digitales para la reconstrucción de modelos, que cada vez se utilizan más en la impresión 3D. Sin embargo, existe cierta distorsión de los datos, por lo que es necesario seguir investigando.
El avance de la impresión 3D depende cada vez más del desarrollo de materiales, con dos tendencias importantes:
En primer lugar, los materiales de ingeniería de tejidos. Basándose en biomateriales vasculares y cargados de células, la construcción de tejidos y órganos vivos es la dirección más crucial para el desarrollo de materiales en la impresión 3D y el campo de aplicación más esperado.
En segundo lugar, los materiales funcionales especiales. Los materiales con propiedades eléctricas y magnéticas específicas, como los superconductores y los medios de almacenamiento magnético, así como los materiales funcionales gradientes, son también el centro de la investigación y el desarrollo de materiales en la impresión 3D y representan las aplicaciones de vanguardia en el ámbito industrial.
La estructura mecánica de las impresoras 3D también es esencial, ya que determina la precisión, la eficiencia y el alcance de las aplicaciones, con dos importantes tendencias de desarrollo:
En primer lugar, el aumento de tamaño. La limitación del tamaño de impresión siempre ha sido un punto débil de los equipos de impresión 3D.
Aumentar el tamaño de la estructura mecánica de las impresoras 3D, manteniendo la precisión, puede mejorar la capacidad global de fabricación, evitar la segmentación de modelos para mejorar la eficacia de la impresión y ampliar significativamente el campo de aplicación. Un análisis de las líneas de productos de las principales empresas en los últimos años revela una tendencia hacia tamaños de fabricación más grandes.
Una investigación más profunda muestra que el tamaño máximo de impresión de varios tipos de impresoras 3D de estas empresas está restringido a 1 metro. Algunas empresas chinas están intentando desarrollar impresoras a gran escala y ya han obtenido una respuesta favorable del mercado.
En segundo lugar, la integración con los métodos de fabricación tradicionales. Esto incluye la integración efectiva y en profundidad con métodos tradicionales como el moldeo, la fundición, la forja y el mecanizado electroquímico de precisión.
Los "Proyectos especiales clave sobre fabricación aditiva y fabricación por láser" del Ministerio de Ciencia y Tecnología en 2018 incluyeron proyectos de investigación de este tipo, con el objetivo de promover el desarrollo potenciador de la impresión 3D en la industria manufacturera tradicional y ampliar las aplicaciones de la propia impresión 3D.
En primer lugar, la aparición de modelos de "fabricación distribuida". A medida que la impresión 3D se hace más rentable y accesible tecnológicamente, tiende a su adopción generalizada, con la posibilidad de que todos los hogares posean y utilicen una impresora 3D, lo que la convierte en una herramienta y plataforma para la innovación social, la financiación colectiva y el crowdfunding. Esto está conduciendo a una nueva forma de comportamiento social y al advenimiento de la "fabricación distribuida".
En esencia, la fabricación distribuida reimagina todo el proceso de producción, alterando profundamente la cadena de oferta y demanda, incluidos los patrones de consumo.
En segundo lugar, está surgiendo una filosofía de diseño que da prioridad a la función. La fabricación tradicional, limitada por la complejidad de las piezas, obligaba a los diseñadores a tener en cuenta la viabilidad y el coste. Sin embargo, el diseño mediante impresión 3D puede prescindir de la complejidad del producto y centrarse únicamente en las funciones necesarias, lo que lleva a la creación de productos industriales antes inimaginables.
A medida que se acumulen, revolucionarán la fabricación, sobre todo de componentes complejos y precisos en industrias como la aeroespacial, la naval y la automovilística.
La filosofía de diseño "la función primero" de la impresión 3D amplía las posibilidades creativas e innovadoras de los diseñadores de productos, sin ataduras a los procesos y recursos de fabricación tradicionales, y persigue una creación sin límites bajo el paradigma de que "diseño es igual a producción" y "diseño es igual a producto".
Por lo tanto, se pueden emplear diseños estructurales óptimos sin preocuparse por los problemas de mecanizado, lo que resuelve los retos de fabricación de componentes de alta gama, complejos y de precisión. Gracias a la gran integración del diseño digital, la fabricación y el análisis en la impresión 3D, esta filosofía también acorta considerablemente el ciclo de desarrollo de nuevos productos y reduce los costes de I+D, lo que permite "diseñar hoy, producir mañana".
En tercer lugar, se promueve enormemente la "micro y nano fabricación". A medida que las aplicaciones de impresión 3D se extiendan de la macro a la micro y nano fabricación, esta forma de fabricación desempeñará un papel importante. Actualmente, los procesos microelectrónicos utilizados para fabricar sensores requieren la producción de moldes y el procesamiento de obleas, lo que supone una inversión de miles de millones, si no decenas de miles de millones, de dólares para una línea de producción.
En el caso de los sensores personalizados que sólo necesitan unos pocos cientos de unidades, una inversión inicial tan enorme hace inviable la producción a pequeña escala. La impresión 3D puede satisfacer plenamente las exigencias de este tipo de micro y nanofabricación. Investigadores de la Western University de Canadá han desarrollado un dispositivo implantable que controla el estado del corazón de los pacientes, fabricado con tecnología de impresión 3D.
Este sistema implantable inalámbrico integra un sensor de presión arterial y un monitor de presión cardiovascular (incluido un stent), con un volumen de apenas 2,475 cm³ y un peso ligeramente superior a 4 gramos.
En el futuro, la impresión 3D evolucionará hacia la impresión 4D y 5D. Partiendo de la impresión 3D, estos métodos tienen en cuenta los cambios a lo largo del tiempo, lo que permite que los modelos alteren gradualmente su forma y función, dando lugar a lo que se conoce como impresión 4D y 5D.
En primer lugar, la impresión 4D permite que los modelos impresos cambien de forma con el tiempo. Normalmente, el modelo puede ser plano cuando se imprime, pero se deformará gradualmente bajo la influencia de la temperatura, los campos magnéticos y otros factores ambientales. Las ventajas incluyen la simplificación del proceso de impresión 3D y la fácil integración de los modelos impresos en dispositivos.
En segundo lugar, la impresión 5D permite que los modelos cambien tanto de función como de forma con el paso del tiempo. Los experimentos con huesos impresos en 5D ya han tenido éxito en animales. Si esta tecnología madura y se generaliza, su impacto social será mucho mayor que el de la fabricación inteligente, la impresión 3D o la impresión 4D.
Es evidente que la impresión 3D tiene un mayor potencial para aplicaciones totalmente personalizadas o producidas en pequeños lotes.
En primer lugar, el campo de la biomedicina es un excelente ejemplo de aplicaciones personalizadas. En 2016, la Guía para promover el desarrollo saludable de la industria farmacéutica publicada por la Oficina General del Consejo de Estado destacó la necesidad de promover la aplicación de tecnologías de bioimpresión y chips de datos en productos implantables.
El "XIII Plan Quinquenal" para el Desarrollo de Industrias Emergentes Estratégicas Nacionales publicado por el Consejo de Estado subrayaba el uso de la fabricación aditiva (impresión 3D) y otras nuevas tecnologías para acelerar la innovación y la industrialización en la reparación de tejidos y órganos, así como en los dispositivos médicos implantables.
El 9 de febrero de 2021, el Ministerio de Industria y Tecnología de la Información publicó un borrador del Plan de Desarrollo de la Industria de Equipos Médicos (2021-2025), que fomenta el desarrollo de nuevos productos de "Impresión 3D + Salud Médica". Aboga por el avance de la personalización personalizada en dispositivos médicos, equipos de rehabilitación, implantes y reparación de tejidos blandos, y hace hincapié en la aplicación de la tecnología de impresión 3D en diversos sectores.
El plan también contempla la aplicación de materiales avanzados y tecnologías de impresión 3D para mejorar la biocompatibilidad y las propiedades mecánicas de productos como endoprótesis vasculares, implantes ortopédicos e implantes dentales.
Apoya la colaboración intersectorial, integrando los equipos médicos tradicionales con nuevas tecnologías como 5G, inteligencia artificial, internet industrial, computación en la nube e impresión 3D para fomentar el desarrollo de equipos médicos inteligentes originales y promover servicios médicos y sanitarios inteligentes en la nube.
Esto demuestra que, desde el punto de vista de la política nacional, la "impresión 3D + medicina" es un tema de investigación candente en los últimos años, que ha recibido una atención y un apoyo considerables y ha demostrado un inmenso potencial de desarrollo. También refleja el compromiso de China con la salud y el bienestar de su población.
En segundo lugar, el sector aeroespacial representa la producción de lotes pequeños. Los componentes aeroespaciales suelen fabricarse en menor cantidad que los productos comerciales y suelen tener estructuras complejas hechas de aleaciones de alta resistencia, difíciles de procesar y costosas.
Es evidente que la impresión 3D está llamada a tener un impacto considerable en este sector. Tanto a nivel nacional como internacional, hay grandes expectativas puestas en la impresión 3D en estos dos campos, como demuestra claramente el plan de investigación "Proyectos especiales clave sobre fabricación aditiva y fabricación por láser" puesto en marcha durante el periodo del "XIII Plan Quinquenal".
Es evidente que, partiendo de los principios básicos de la fabricación aditiva, la investigación teórica fundamental sigue impulsando el desarrollo de la tecnología de impresión 3D. Las cinco áreas científicas que se indican a continuación están recibiendo gradualmente una amplia atención por parte de los académicos tanto nacionales como internacionales.
El primero es el estudio de la solidificación fuerte no equilibrada en conformado de metales. El tiempo de interacción entre el material y la fuente de energía es extremadamente corto durante el proceso de impresión 3D, lo que da lugar a ciclos instantáneos de fusión-solidificación.
En el caso de los materiales metálicos, estos mecanismos de solidificación en condiciones de no-equilibrio no pueden explicarse plenamente mediante las teorías tradicionales de solidificación en condiciones de equilibrio, por lo que establecer una teoría de solidificación de metales en condiciones de no-equilibrio fuerte es una cuestión científica importante que debe abordarse en el campo de la impresión 3D.
El segundo es el desarrollo de nuevos mecanismos de impresión 3D en condiciones extremas. A medida que aumenta la necesidad urgente de la humanidad de explorar el espacio exterior, la tecnología de impresión 3D se aplica cada vez más en el campo de la exploración espacial.
Existe incluso el deseo de lograr la impresión 3D in situ en el espacio exterior, lo que hace especialmente importante el estudio de los mecanismos de impresión 3D en condiciones tan extremas y de la vida útil y los mecanismos de fallo de los componentes en estos entornos de servicio.
El tercero es el mecanismo de impresión 3D de materiales y estructuras gradientes. La impresión 3D es una tecnología de fabricación que integra estructura y función, permitiendo cambios gradientes continuos en composición del material y la combinación de múltiples estructuras dentro del mismo componente. La realización de tales diseños plantea retos a la mecánica de materiales y a la mecánica estructural.
En cuarto lugar, la impresión personalizada en 3D de tejidos y órganos y los principios de la regeneración funcional. Tanto si se trata de mantener la vitalidad de las entidades vivas durante el proceso de fabricación como de estudiar los mecanismos para recrear las funciones de los órganos durante su uso, esta investigación está aún en pañales y requiere el esfuerzo colectivo de expertos y estudiosos de múltiples disciplinas y campos.
En quinto lugar, los mecanismos de control de la impresión 3D integrada de formas y propiedades. La impresión 3D está pasando de la fabricación controlada por la forma a la fabricación integrada controlada por la forma y las propiedades. Por ejemplo, en la impresión de piezas metálicas, no solo puede imprimirse la forma de las piezas, sino que las complejas estructuras internas pueden controlarse con gran precisión y resistencia, acercándose o superando a la de las piezas forjadas.
En el futuro, la impresión de álabes para motores de aviación podría dar lugar a la formación de cristales columnares, apilados en una dirección predeterminada por los diseñadores, lo que en última instancia daría lugar a un producto final con un rendimiento global superior al de la forja.
En resumen, el futuro papel de la impresión 3D está llamado a experimentar cambios significativos, pasando de ser una forma complementaria de fabricación a convertirse en la columna vertebral de la fabricación inteligente. Redefinirá los procesos de fabricación, lo que llevará a los profesionales a reevaluar las prácticas existentes en este campo con una mentalidad de impresión 3D.
Aunque el volumen de piezas producidas mediante impresión 3D puede no igualar el de la fabricación de moldes y el mecanizado CNC, el valor que crea podría superar con creces estos métodos tradicionales. Por tanto, la tendencia y las perspectivas de aplicación de la impresión 3D son muy prometedoras.
Como fundador de MachineMFG, he dedicado más de una década de mi carrera a la industria metalúrgica. Mi amplia experiencia me ha permitido convertirme en un experto en los campos de la fabricación de chapa metálica, mecanizado, ingeniería mecánica y máquinas herramienta para metales. Estoy constantemente pensando, leyendo y escribiendo sobre estos temas, esforzándome constantemente por mantenerme a la vanguardia de mi campo. Deje que mis conocimientos y experiencia sean un activo para su empresa.
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