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La fabricación aditiva (AM), también conocida como impresión 3D, es un proceso para construir estructuras complejas capa a capa. Permite construir geoestructuras que antes sólo podían visualizarse como modelos 3D de forma rápida y ahorrando recursos, por lo que representa una alternativa a los procesos sustractivos tradicionales. Aunque la AM desempeñará un papel central en la Industria 5.0, tiene que competir con desviaciones de fabricación considerables, como la elevada rugosidad superficial, la porosidad, los efectos de contracción y los errores de adhesión de las capas. Una forma de abordarlas es mediante el control del proceso, en el que el análisis térmico desempeña un papel clave. Debido al complejo y dinámico proceso de fabricación, el conocimiento preciso de las propiedades térmicas, como la conductividad térmica, la capacidad calorífica y la estabilidad térmica del material, es crucial para el éxito de un procesamiento sin defectos.
Procesos clave de fabricación aditiva
El flujo de trabajo de la AM comienza con un modelo 3D digital basado en CAD, que suele procesarse posteriormente en el formato de datos de estereolitografía stl. Este modelo se corta en capas, que la impresora 3D construye una a una utilizando diversas técnicas, entre ellas:
- Fusión en Lecho de Polvo (PBF): Técnicas como la fusión selectiva por láser (SLM) y la fusión por haz de electrones (EBM) funden materiales en polvo para formar capas sólidas.
- Extrusión de material (ME): Por ejemplo, el Modelado por Deposición Fundida (FDM), en el que se funden filamentos termoplásticos y se depositan capa a capa.
- Chorro de ligante (BJ): Un aglutinante líquido une capas de material en polvo.
- Chorro de material: Las gotas de material líquido se endurecen capa a capa.
- Fotopolimerización (PP): Estereolitografía (SLA) Se cura una resina de fotopolímero con una fuente de luz.
- Laminación de láminas (SL): Se cortan capas finas de material (por ejemplo, metal o papel) y se pegan o sueldan entre sí
Estos métodos varían en velocidad, compatibilidad de materiales y aplicación, lo que los hace adecuados para diferentes industrias y casos de uso.
Propiedades térmicas y su importancia en la AM
Las propiedades térmicas de los materiales son cruciales para el éxito de los procesos de AM. Por ejemplo, la conductividad térmica y la capacidad del material en polvo influyen directamente en el aporte de energía en los procesos basados en láser, como el SLM. El conocimiento de las dependencias de temperatura de las propiedades térmicas permite una gestión térmica adecuada y un mayor control del baño de fusión y, por tanto, una mejor gestión de los defectos. Las técnicas avanzadas de análisis térmico permiten una caracterización precisa del material en las condiciones del proceso y ayudan a los fabricantes a seleccionar los materiales adecuados y optimizar los parámetros del proceso.
Materiales en la fabricación aditiva
AM admite una amplia gama de materiales, incluidos:
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- Polímeros: Los representantes típicos son PLA (ME), PA12 (PBF), resina epoxi (PP), PMMA (BJ), fotopolímeros líquidos (MJ), PVC (SL)
- Los metales: Las aleaciones metálicas de aluminio, las aleaciones de titanio médicamente compatibles, como el Ti64, y el acero inoxidable se utilizan tanto en la industria como en la industria aeroespacial.
- Cerámicas: Materiales como la circonia y la alúmina son ideales para componentes bioactivos y de alta temperatura.
- Biomateriales: Los hidrogeles y el colágeno están allanando el camino para grandes avances en aplicaciones médicas.
- Los compuestos: Los polímeros avanzados reforzados con fibras están ganando popularidad para aplicaciones estructurales.
Hasta ahora, el alto grado de libertad del proceso de aditivación se ha visto restringido por la limitada disponibilidad de materiales. Mediante la incorporación de cargas y aditivos, se intenta ampliar constantemente la gama de productos y desarrollar nuevas aplicaciones que requieren nuevos análisis térmicos de mezclas de materiales parcialmente nuevos.
Aplicaciones en todas las industrias
La versatilidad de la AM se extiende a todos los sectores, desde el aeroespacial y la automoción hasta la sanidad y la construcción. Por ejemplo:
- Aeroespacial: Las geometrías ligeras y complejas mejoran la eficiencia del combustible y el rendimiento.
- Sanidad: Los implantes y prótesis personalizados mejoran los resultados de los pacientes.
- Construcción: La impresión 3D de hormigón a gran escala está revolucionando las prácticas de construcción sostenible.
El análisis térmico garantiza que estas aplicaciones cumplan rigurosas exigencias, como funcionar a temperaturas extremas o bajo tensión mecánica.
Ventajas y potencial de futuro
La AM ofrece varias ventajas sobre la fabricación tradicional:
- Geometrías complejas: Permite diseños intrincados inalcanzables con los métodos convencionales.
- Creación rápida de prototipos: Creación rápida de prototipos a partir de modelos 3D
- Eficiencia del material: Reduce los residuos utilizando sólo el material necesario.
- Personalización: Facilita soluciones a medida, sobre todo en sanidad.
- Rentable para series pequeñas: Económico para la producción de bajo volumen.
Los futuros avances en ciencia de materiales y automatización de procesos, como la optimización asistida por IA, explotarán el potencial de la AM y prepararán el proceso de fabricación para la Industria 5.0. El análisis térmico como proceso previo y posterior seguirá siendo una piedra angular constante y contribuirá de forma importante al desarrollo de nuevos materiales y procesos.
Perspectivas científicas
Investigaciones recientes destacan la integración de la modelización informática y el análisis térmico [7] para simular y predecir la distribución del calor en tiempo real mediante gemelos digitales, con el fin de optimizar el control del proceso y el consumo de energía. La integración permanente del análisis térmico en el proceso de fabricación como técnica de medición in situ o en el proceso representa un paso esencial en el desarrollo ulterior de la comprensión del proceso.
- https://mitsloan.mit.edu/ideas-made-to-matter/additive-manufacturing-explained
- https://2onelab.com/de/lernen/blog/was-ist-additive-fertigung/
- https://www.3ddruck-transmit.de
- https://www.ingenieur.de/technik/fachbereiche/3d-druck/was-ist-additive-fertigung-definition-anwendung-potenzial/
- https://additive.industrie.de/werkstoffe-fuer-die-additive-fertigung/
- https://www.haw-landshut.de/aktuelles/beitrag/additive-fertigung-zu-studieren-waere-mein-traum
- https://www.materials.fraunhofer.de/de/strategische-initativen/materialien-fuer-die-additive-fertigung-.html
- https://www.chemietechnik.de/energie-utilities/materialien-fuer-die-additive-fertigung-im-ueberblick-393.html
- https://boehl-kunststofftechnik.com/additive-fertigung
- https://www.iph-hannover.de/de/dienstleistungen/fertigungsverfahren/additive-fertigung/