Impresión 3D multimaterial

La fabricación por deposición de filamento fundido describe el proceso de extrusión continua de una línea de material termoplástico para formar un modelo tridimensional. ^{[ 2 ]} El proceso FFF admite una variedad de materiales, desde biodegradables como el PLA hasta PETG , ABS y materiales de grado técnico como el PEEK . Esta tecnología también permite el uso de materiales flexibles como el TPU . ^{[ 3 ]}

Algunas posibles soluciones para realizar una impresora de filamento multimaterial son:

• Boquilla única:
  • Cambiador de filamentos : Para usar diferentes materiales o filamentos en la misma boquilla. Algunos ejemplos comerciales conocidos son Prusa Multi-Material Upgrade 3 (MMU3) y Automatic Material System (AMS) de Bambu Lab, y algunas alternativas de código abierto son Enraged Rabbit Carrot Feeder (ERCF) y BoxTurtle para Voron Design .
• Boquilla múltiple:
  • Cambiador de herramientas : Un cabezal de impresión dedicado por material o filamento, con un mecanismo para alternar entre los distintos cabezales. Cada cabezal de impresión (también llamado cabezal de herramienta) tiene su propio hotend , así como un extrusor en el caso de que sea de accionamiento directo . Algunos ejemplos comerciales son Bambu Lab Vortek, Prusa XL y Snapmaker U1, mientras que entre las alternativas de código abierto se encuentran Stealtchanger y Tapchanger.
  • Cambiador de boquillas : Un solo cabezal de impresión puede alternar entre diferentes boquillas, lo que permite usar el mismo extrusor con múltiples materiales o filamentos. Un ejemplo comercial es Bondtech INDX.
• Pórticos separados: Varios cabezales de impresión pueden funcionar de forma independiente, como por ejemplo un extrusor doble independiente (IDEX) en el caso de dos cabezales de impresión, o un extrusor cuádruple independiente (IQEX) en el caso de cuatro cabezales de impresión.
• Las combinaciones de los métodos anteriores pueden permitir aún más combinaciones de filamentos, con una complejidad adicional.

Diseño de múltiples boquillas

El diseño de boquillas múltiples cuenta con una boquilla independiente para cada material. ^{[ 6 ]} La boquilla puede montarse en el mismo cabezal de impresión o en cabezales de impresión independientes. Para que este método funcione, las diferentes boquillas deben calibrarse a la misma altura con respecto a la superficie de impresión para evitar la interferencia de una boquilla inactiva con el objeto impreso. Este diseño reduce significativamente la cantidad de material de desecho durante el proceso de impresión ^{[ 6 ]} en comparación con un diseño de boquilla única, que no utiliza el material anterior como relleno ni para imprimir otro objeto.

La estereolitografía es el proceso de solidificar un fotopolímero con un láser capa por capa para formar un objeto tridimensional. Para realizar impresiones multimateriales ^{[ 7 ]} con esta tecnología, se pueden usar múltiples depósitos para diferentes fotopolímeros. Un problema importante de este enfoque es la eliminación del material aún no polimerizado, ya que la impresión puede contener cavidades llenas del material anterior, que deben vaciarse antes de poder usar el siguiente material. ^{[ 7 ]} Las resinas fotopoliméricas utilizadas para SLA pueden tener propiedades físicas muy diferentes, generalmente son más frágiles y tienen una temperatura de deflexión térmica más baja . Las resinas estándar de SLA vienen en diferentes colores y opacidades. Además de los materiales de grado de ingeniería como la resina tipo ABS o tipo PP , existen resinas biocompatibles utilizadas para aplicaciones médicas y resinas flexibles. ^{[ 3 ]}

El proceso de inyección de material , también conocido como impresión 3D por inyección de tinta, es similar al procedimiento de impresión 2D por inyección de tinta . El cabezal de impresión consta de múltiples boquillas pequeñas que inyectan gotas de fotopolímeros bajo demanda. ^{[ 3 ]} Cada boquilla puede extruir diferentes materiales, lo que permite la creación de piezas multimateriales. ^{[ 3 ]} Las gotas de material se curan inmediatamente mediante una fuente de luz ultravioleta (UV) montada en el cabezal de impresión. A diferencia del proceso de impresión FFF de filamento, una capa no se forma moviendo el cabezal de impresión a lo largo de una trayectoria precalculada, sino escaneando la capa línea por línea. Por ejemplo, la Stratasys J750 permite impresiones a todo color. Los materiales compatibles con el proceso de impresión por inyección de material son similares a los del proceso SLA y, por lo tanto, comparten propiedades similares. ^{[ 3 ]} Además, se han producido avances en el campo de la inyección de material de metales mediante la suspensión de nanopartículas metálicas en un fluido. Tras la eliminación del material de soporte, el objeto impreso debe sinterizarse para crear una pieza metálica final. ^{[ 8 ]}

Una impresora 3D de inyección de aglutinante utiliza partículas de un polvo de grano fino, que se fusionan mediante un aglutinante , para formar un objeto tridimensional. ^{[ 3 ]} En principio, consta de dos cámaras separadas: una funciona como depósito para el material en polvo y la otra como cámara de impresión. Para fabricar una capa del objeto, una cuchilla expulsa el material del depósito y lo extiende sobre la superficie de impresión para crear una fina capa de polvo. Un cabezal de impresión similar al de una impresora de inyección de tinta 2D aplica el aglutinante a la capa para solidificarla y unirla a la anterior. ^{[ 3 ]} Aunque la inyección de aglutinante no permite la impresión multimaterial, existen impresoras que incorporan un segundo cabezal de impresión para aplicar pigmento a la capa después del aglutinante, lo que permite realizar impresiones a todo color. ^{[ 3 ]}

El diseño de un objeto tridimensional es el primer paso en el flujo de trabajo de la impresión 3D. Este proceso de diseño puede ser apoyado por software . Dicho software de diseño asistido por computadora (CAD) es capaz de crear, administrar y manipular diferentes figuras geométricas 3D mientras proporciona retroalimentación al usuario a través de una interfaz gráfica . ^{[ 9 ]} La mayoría de los programas CAD ya admiten la anotación de una figura geométrica con un material. La combinación de diferentes geometrías forma entonces un único objeto de múltiples materiales. ^{[ 9 ]} Sin embargo, no todos los formatos de archivo admiten la anotación de materiales junto con la geometría del objeto.

El proceso de segmentación consiste en dividir un modelo 3D en capas para transformarlas en una secuencia de instrucciones de código G. ^{[ 10 ]} Estas instrucciones pueden ser procesadas por una impresora 3D para fabricar el modelo correspondiente de abajo hacia arriba, de arriba hacia abajo o incluso de izquierda a derecha. Antes de generar las instrucciones, se pueden añadir estructuras de soporte para conectar las secciones sobresalientes del modelo a la superficie de impresión o a otras partes del mismo. Estas estructuras de soporte deben eliminarse en un paso de posprocesamiento una vez finalizada la impresión. ^{[ 10 ]}

El proceso de segmentación para impresiones multimateriales difiere según el hardware utilizado. Para máquinas basadas en filamento fundido, se deben agregar instrucciones para cambiar el material. Esto conlleva múltiples desafíos computacionales, como manejar dos cabezales de impresión al mismo tiempo sin que interfieran entre sí, o limpiar la cámara de fusión del material anterior. ^{[ 11 ]} Para impresiones multimateriales basadas en estereolitografía, el software de segmentación debe manejar los grados de libertad adicionales que surgen de la posibilidad de mover la impresión de una bandeja de resina a la siguiente. ^{[ 7 ]} El procedimiento de segmentación para impresoras de inyección de material implica la generación de múltiples imágenes de mapa de bits que representan los vóxeles del objeto.

Los objetos impresos en 3D pueden requerir un posprocesamiento antes de poder usarse como prototipo o producto terminado. Estos pasos pueden incluir lijar la superficie del objeto para alisarla o pintarla para que coincida con los colores del diseño. Dependiendo del método de impresión y la geometría del objeto, puede ser necesario eliminar las estructuras de soporte. ^{[ 10 ]} El uso de la impresión 3D multimaterial puede reducir la cantidad de posprocesamiento necesario para una pieza que se va a colorear, ya que los colores se pueden imprimir directamente. Además, es posible usar materiales solubles en agua para imprimir las estructuras de soporte, lo que puede simplificar su eliminación, ya que solo hay que colocar la pieza en un baño de agua. ^{[ 12 ]}

La creciente tendencia de la impresión 3D de alimentos ^{[ 13 ]} permite personalizar la forma, el color, el sabor, la textura y el valor nutricional de diferentes comidas. La impresión 3D multimaterial posibilita el uso de múltiples ingredientes, como mantequilla de cacahuete, mermelada o masa, en el proceso de impresión, lo cual es esencial para la elaboración de la mayoría de los alimentos.

La tecnología de impresión 3D multimaterial se utiliza frecuentemente en la producción de prótesis impresas en 3D . ^{[ 14 ]} Permite el uso de diferentes materiales, como TPU blando en los puntos de contacto con el cuerpo y fibra de carbono rígida para la estructura de la prótesis. Por lo tanto, las prótesis se pueden adaptar a las diversas necesidades y deseos de cada persona.

Otro caso de uso médico es la generación de estructuras de tejido artificial. ^{[ 15 ]} La investigación se centra en la creación de tejido que imite el tejido humano en términos de tacto, elasticidad y estructura. Estos tejidos artificiales pueden ser utilizados por los cirujanos para entrenarse y aprender con modelos realistas, lo cual de otro modo sería difícil o costoso de lograr. ^{[ 16 ]}

La investigación actual se centra en sistemas de administración de fármacos impresos en 3D ^{[ 17 ]} para desplegar de manera eficiente un medicamento o una vacuna . Mediante el uso de impresión multimaterial, crean estructuras biocompatibles que pueden interactuar con el cuerpo humano a nivel celular.

La capacidad de alternar entre diferentes materiales es esencial para controlar las propiedades físicas de un objeto impreso en 3D. Además de poder manipular la resistencia de un objeto mediante microestructuras , el usuario puede alternar entre materiales más duros o más blandos durante el proceso de impresión para influir en la rigidez del objeto. La combinación de materiales duros y blandos también se aplica para fabricar estructuras biomiméticas con las propiedades deseadas. ^{[ 18 ]} El uso de materiales de diferente color o elasticidad puede afectar la apariencia y la sensación táctil del objeto resultante. Adicionalmente, es posible reducir la cantidad de posprocesamiento necesario al elegir un material adecuado para las estructuras de soporte o la carcasa exterior de la pieza. ^{[ 19 ]}

La impresión 3D multimaterial permite a los diseñadores fabricar y probar sus prototipos rápidamente. El uso de múltiples materiales en una sola pieza permite crear prototipos funcionales y visualmente atractivos. Un ejemplo de cómo se puede integrar la impresión 3D en el proceso de diseño es el diseño automotriz . ^{[ 20 ]} En este caso, es necesario probar y verificar rápidamente un prototipo para obtener la aprobación del diseño para la producción. La reducción de los pasos de posprocesamiento que ofrece la tecnología de impresión 3D multimaterial resulta en un menor tiempo de fabricación. Además, la impresión 3D multimaterial reduce la cantidad de piezas de los prototipos producidos en comparación con los métodos de fabricación tradicionales como el fresado o el moldeo , ya que no se requiere el ensamblaje de múltiples piezas con diferentes materiales.