Impresión 3D multimaterial: Revolucionando el diseño y la funcionalidad

Explore el potencial transformador de la impresión multimaterial en 3D, que permite crear objetos complejos con propiedades a medida en sectores como el aeroespacial, la biomedicina y la electrónica. Descubra técnicas, aplicaciones y el futuro de la fabricación aditiva.

Impresión 3D multimaterial: Creación de objetos compuestos para mejorar la funcionalidad

Este artículo comienza con una introducción que esboza la importancia de la impresión 3D multimaterial en el desarrollo de productos. A continuación, profundiza en los distintos enfoques técnicos de la impresión multimaterial, abarcando técnicas como el chorro de material, el modelado por deposición fundida (FDM), la estereolitografía (SLA), la fusión de lechos de polvo (PBF) y los métodos de impresión secuencial y coimpresión. A continuación, el debate se centra en las aplicaciones de la impresión 3D multimaterial en diversos campos, como la biomedicina, la industria aeroespacial, los productos de consumo y la electrónica. El artículo también aborda los retos actuales y las direcciones futuras, centrándose en los obstáculos técnicos y los avances en la investigación.

La fabricación de sustancias añadidas ha alterado el avance de los artículos al permitir un énfasis rápido de los planos y el ensamblaje bajo demanda de cálculos desconcertantes. En cualquier caso, la fabricación convencional Impresión en 3D se limita a crear objetos a partir de un único material. La impresión 3D multimaterial vence este impedimento al permitir unir diferentes materiales dentro de un único artículo. Esta progresión lleva a la impresión 3D más allá de la creación de prototipos esenciales al permitir que las propiedades ajustadas de los materiales se diseñen en lugares explícitos de una sección.

Los conjuntos complejos pueden duplicarse ahora como piezas solitarias, lo que facilita el montaje. Las capacidades multimaterial mueven asimismo nuevos modelos ideales de planos que antes eran inalcanzables. Este artículo investiga el campo emergente de la impresión 3D multimaterial y la remodelación del potencial de desarrollo de artículos. Se repasarán los distintos enfoques especializados para lograr impresiones multimaterial, desde las filosofías de flujo hasta las técnicas de lecho de polvo. Asimismo, se inspeccionan enormes casos de uso en distintas empresas para exhibir aplicaciones certificables.

Por fin, las dificultades especializadas del impulso tienden a cerrarse con un nuevo examen prometedor que empuja los límites de la producción de sustancias añadidas multimateriales. La continuación del desarrollo de este campo promete poner al alcance de los dos, diseñadores y compradores, la solidificación de piezas útiles y planes ya inconcebibles. Un examen podría ofrecer experiencias útiles sobre el interés en desarrollo de la innovación de la impresión 3D multimaterial.

Una correlación de los patrones de volumen de búsqueda de palabras clave como "impresión 3D multimaterial" frente a términos más amplios como "impresión 3D" ayudaría a medir la mayor concienciación y recepción de esta estrategia concreta de producción de sustancias añadidas al cabo de un tiempo. Observar los contrastes territoriales en los volúmenes de búsqueda podría dar pistas sobre las regiones que impulsan el giro y la adopción de las aplicaciones de impresión 3D multimaterial. Esto podría ayudar a los probables financiadores o a las organizaciones que esperan entrar en sectores empresariales en desarrollo.

El análisis de los términos de búsqueda relacionados podría proporcionar una idea de las industrias clave que actualmente impulsan el interés y la inversión en capacidades de impresión 3D multimaterial. Podrían analizarse y compararse los términos de búsqueda relacionados con industrias como la aeroespacial, la médica, la electrónica, etc. Las fluctuaciones estacionales en los volúmenes de búsqueda de temas relacionados con la impresión 3D multimaterial podrían correlacionarse con ferias comerciales, semestres universitarios o ciclos de lanzamiento de productos, lo que ofrecería una idea de las influencias en el progreso de la investigación y el desarrollo.

Seguimiento de los aumentos o disminuciones de la cuota de búsqueda a lo largo del tiempo para las empresas que desarrollan La impresión 3D en la creación de prototipos podría ofrecer una idea de la dinámica competitiva cambiante y de las tendencias de adopción de la tecnología dentro de la industria. Aunque todavía se trata de un campo emergente, el análisis ayudaría a cuantificar la creciente concienciación y adopción de esta nueva etapa de la tecnología de fabricación aditiva en todo el mundo.

Técnicas de inyección de material para la impresión multimaterial

El chorro de material es muy adecuado para la impresión 3D multimaterial, ya que permite depositar diferentes materiales a través de varios cabezales de impresión simultáneamente. Esto permite producir geometrías complejas con un control preciso de la transición entre materiales. Una ventaja vital del flujo de materiales es su capacidad para crear hojas con precisión a microescala y superficies lisas. Una de las principales innovaciones para la impresión 3D multimaterial que utiliza el vuelo de materiales es la estructura Connex de Stratasys.

El sistema Connex utiliza la impresión 3D por chorro de tinta y es capaz de inyectar dos o tres materiales plásticos diferentes durante el proceso de impresión. Esto permite crear piezas que contienen zonas con propiedades diferentes, como la flexibilidad y la rigidez. Stratasys ha desarrollado materiales compatibles para el sistema Connex que han sido optimizados para producir simultáneamente piezas con estas características variables. En la inyección de material, los cabezales de impresión trabajan para inyectar gotas de resina fotosensible sobre la plataforma de construcción.

Estas gotitas se solidifican rápidamente al exponerse a la luz ultravioleta, lo que permite crear rápidamente capas sucesivas. Los cabezales de impresión por chorro de material son capaces de depositar selectivamente diferentes materiales con una precisión a microescala. Esto hace que la transición entre materiales inyectados por múltiples cabezales de impresión sea muy precisa, con una mezcla o sangrado mínimos en los límites entre materiales. Los avances están ampliando la gama de materiales que pueden procesarse mediante técnicas de inyección de material.

Nano dimension ha desarrollado "tintas digitales" conductoras y dieléctricas que pueden inyectarse simultáneamente para producir componentes electrónicos eléctricamente funcionales a través del chorro de material. Esto evita la necesidad de un montaje posterior de los circuitos y permite la creación de objetos compuestos con componentes eléctricos incrustados. También se pueden combinar varias tintas para conseguir capacidades de impresión a todo color. Por ejemplo, objet500 Connex Materiales de impresión 3D de Stratasys son capaces de imprimir modelos de hasta 16 millones de colores mediante la inyección por chorro de proporciones variables de materiales fotopolímeros de diferentes colores. Esta aplicación estética demuestra el control preciso sobre la composición del material que permite el chorro de material.

Enfoques de modelado por deposición fundida

El modelado por deposición fundida (FDM) es otra estrategia de impresión 3D adecuada para aplicaciones multimaterial. FDM funciona ablandando y expulsando la fibra termoplástica capa a capa, y está equipada para manipular una gran cantidad de materiales en piezas utilitarias. Un enfoque habitual de la impresión FDM multimaterial consiste en utilizar varios extrusores montados en el mismo conjunto de cabezal de impresión. Cada extrusor puede controlarse de forma independiente para depositar diferentes materiales simultáneamente o en secuencia. Muchas impresoras FDM de sobremesa incluyen ahora opciones de doble extrusor para facilitar la impresión básica multimaterial.

Las implementaciones más avanzadas implican sistemas FDM construidos a medida con cuatro o más extrusores independientes. Uno de estos sistemas se utilizó para imprimir en 3D intrincadas construcciones de tejido mediante la extrusión secuencial de materiales para definir diferentes estructuras celulares, matrices extracelulares y patrones de células incrustadas. Otra ventaja clave de la FDM es su capacidad para producir materiales elásticos como el TPU, lo que permite combinar piezas flexibles con plásticos más rígidos.

Un estudio utilizó FDM para imprimir en 3D dispositivos ortopédicos de muñeca alternando capas de ABS y TPU para secciones rígidas y flexibles. Controlar la interfaz entre los distintos materiales depositados es importante para la FDM. Un método consiste en utilizar un proceso de mezcla pasiva dentro del cabezal de impresión para producir transiciones graduales en los límites. Otros estudios han investigado los tratamientos superficiales para mejorar la adhesión entre plásticos inmiscibles impresos con FDM.

Técnicas de litografía estereoscópica y fusión de lechos de polvo

La litografía estereoscópica (SLA) es un proceso de impresión en 3D basado en la fotopolimerización de tanques típicos que utiliza una fuente de luz brillante para fijar específicamente la savia fluida en diseños resistentes al estilo capa por capa. Para la impresión multimaterial utilizando SLA, los analistas han creado estrategias, por ejemplo, utilizando varios tanques de alquitrán que pueden intercambiarse entre sí o incorporando marcos únicos de mezcla de alquitrán. Técnicas de fusión de lecho de polvo (PBF) como el sinterizado específico por láser (SLS) y la fusión por lecho de polvo láser (LPBF) funcionan fundiendo específicamente material en polvo utilizando una fuente de energía como un láser o una barra de electrones.

Nada que ver con la SLA, estas técnicas admiten normalmente la utilización de diversos materiales en polvo siempre que puedan combinarse específicamente. Los primeros enfoques del PBF multimaterial consistían en crear filamentos o polvos premezclados que contuvieran distintos materiales. En la actualidad, los sistemas más avanzados incorporan múltiples mecanismos independientes de alimentación de polvo para depositar diferentes materiales. Por ejemplo, se desarrolló un sistema LPBF multimaterial propio para suministrar materiales en polvo desde alimentadores independientes a través de boquillas en el cabezal de impresión 3D.

El control preciso de los parámetros de deposición y fusión del polvo es importante para conseguir una fuerte HP multi jet fusion entre materiales disímiles impresos mediante PBF. Factores como la potencia del láser, la velocidad de escaneado, la separación entre tramas y el grosor de las capas influyen en la capacidad de combinar materiales y evitar defectos en su interfaz. A veces también son necesarios tratamientos térmicos posteriores al procesamiento para densificar completamente las piezas y mejorar la unión cuando se utilizan polvos metálicos incompatibles. En general, tanto SLA y PBF ofrecen oportunidades para fabricar piezas a partir de una amplia gama de materiales y se han beneficiado de los avances que facilitan la impresión multimaterial mediante sistemas modificados.

Métodos de impresión secuencial y coimpresión

Existen dos formas principales de abordar la impresión 3D multimaterial: la impresión sucesiva y la coimpresión de numerosos materiales. La impresión sucesiva incluye el almacenamiento de varios materiales poco a poco, mientras que la coimpresión almacena los materiales al mismo tiempo. En el caso de las técnicas de impresión en 3D basadas en la extrusión, la impresión sucesiva se consigue habitualmente utilizando varios extrusores o cabezales de impresión. Una impresora de escritura directa de tinta (DIW) fabricada a medida contaba con cuatro depósitos de tinta independientes que podían depositar con precisión diferentes tintas biológicas en una secuencia predefinida para imprimir en 3D intrincadas construcciones de tejido con estructuras y patrones celulares variables.

Otro estudio utilizó un sistema DIW multiextrusora similar para imprimir secuencialmente tintas conductoras iónicas, tintas fugitivas y matrices elastoméricas para fabricar actuadores robóticos blandos con redes de detección y fluídicas integradas. El control preciso del movimiento en el eje z de cada extrusor permitió integrar a la perfección las diferentes características funcionales. La inyección de aglutinante es un proceso de fabricación aditiva adecuado para la deposición secuencial de diversos materiales en polvo.

Los investigadores han explorado el uso del chorro de aglutinante para depositar secuencialmente tintas de fosfato de hierro y litio y titanato de litio en Herramientas de impresión 3D arquitecturas de baterías con altas densidades de energía areal. El proceso deposita primero un material de electrodo y luego el otro en capas alternas para crear estructuras interdigitadas de cátodo y ánodo. Para la coimpresión de múltiples materiales, los enfoques implican mezclar o cambiar entre materiales durante el proceso de impresión sin detener la construcción.

Se han desarrollado cabezales de impresión microfluídicos que permiten la mezcla y el flujo continuos de tintas viscoelásticas, lo que permite conseguir gradientes y variaciones de composición dentro de una misma pieza impresa en 3D. Las impresoras 3D modificadas también han integrado múltiples cabezales de impresión o boquillas controladas de forma independiente para coimprimir materiales. Un sistema utilizó 16 boquillas espaciadas en un patrón interdigitado para depositar conformemente materiales blandos sobre sustratos en una secuencia regulada sin interrumpir la impresión. Los investigadores también han impreso entramados poliméricos multimaterial suministrando diferentes tintas poliméricas a través de dos cabezales de impresión simultáneamente. En general, tanto la impresión secuencial como los métodos de coimpresión amplían el espacio de diseño de los objetos impresos en 3D mediante la inclusión controlada de distintos materiales en disposiciones espaciales complejas.

Aplicaciones de la impresión 3D multimaterial

La impresión 3D multimaterial ha encontrado aplicaciones en diversas industrias al permitir la fabricación de objetos complejos que contienen zonas o componentes con propiedades adaptadas. Entre las principales áreas de aplicación que están aprovechando esta tecnología se encuentran la biomedicina, la industria aeroespacial, los productos de consumo y la electrónica. En biomedicina, los investigadores han utilizado avances en bioimpresión 3D para aplicaciones de ingeniería de tejidos. Un estudio utilizó una impresora 3D multiextrusora para producir construcciones de tejidos de ingeniería que contenían diferentes tipos de células vivas colocadas con precisión en capas individuales, para aplicaciones como estudios de cultivos celulares.

Este enfoque permitió el cultivo de múltiples líneas celulares dentro de una única construcción impresa. Los implantes ortopédicos y dentales son otros campos biomédicos que adoptan la impresión 3D multimaterial. Por ejemplo, la impresión 3D se ha utilizado para crear implantes óseos personalizados que contienen cerámicas osteoconductoras depositadas dentro de una matriz polimérica biocompatible. La capacidad de graduar diferentes materiales permite optimizar las propiedades de los implantes para adaptarlos a las características óseas locales para mayor integración de Osseo.

En el sector aeroespacial, la impresión 3D multimaterial ayuda a optimizar los diseños ligeros al permitir la colocación de aleaciones de alta resistencia en zonas de carga junto a componentes termoplásticos moldeados por inyección o fundición en zonas menos críticas. Un estudio la utilizó para imprimir en 3D intercambiadores de calor para motores de turbinas de gas mediante la deposición selectiva de aleaciones de acero inoxidable e Inconel. Las empresas de productos de consumo han aprovechado la impresión 3D multimaterial para fabricar asas, empuñaduras, suelas y otros componentes ergonómicos incrustando plástico rígido con elastómeros termoplásticos suaves al tacto.

La fabricación de equipos deportivos también se ha beneficiado, ya que la tecnología permite crear raquetas, equipos de protección y otros equipos con prestaciones a medida. La industria electrónica utiliza la impresión 3D multimaterial para incrustar trazas conductoras, soldaduras, matrices y otros componentes electrónicos dentro de carcasas y placas de circuitos impresos. Un estudio demostró baterías totalmente impresas en 3D que contienen secciones discretas de cátodo, separador y ánodo para aplicaciones electrónicas portátiles. A medida que la accesibilidad y las capacidades de la impresión 3D multimaterial sigan creciendo, se espera que sus aplicaciones se expandan aún más hacia nuevos dominios como la robótica blanda, la arquitectura y el diseño de productos sostenibles en los que la multifuncionalidad integrada proporciona ventajas únicas.

Conclusión

La impresión 3D multimaterial es una innovación emergente en la fabricación de sustancias añadidas que considera la mejora del plano y la utilidad de las piezas mediante la unión de numerosos materiales dentro de un objeto impreso en solitario. Como se ha comentado en este artículo, existen unas cuantas técnicas para fabricar piezas multimaterial, cada una con sus ventajas y sus límites en función de la aplicación. Mientras tanto, las mezclas de materiales viables siguen ampliando los resultados concebibles. Se están haciendo grandes avances para resolver las dificultades en torno a la sujeción interfacial, las cargas térmicas y la mezcla exacta o el testimonio de los materiales constituyentes.

Los avances en los marcos mitad y mitad elevan aún más el control y la unión. La creación de alto rendimiento sigue siendo igualmente un trabajo en curso, aunque las metodologías volumétricas muestran garantías. En general, la impresión 3D multimaterial ofrece a los especialistas y a los creadores de moda una adaptabilidad fenomenal para adaptar las propiedades a la demanda. A medida que mejoren los distintos procesos de AM, surjan nuevos planes de materiales y se investiguen nuevas aplicaciones, la impresión 3D multimaterial avanzará. Las tasas de creación que se escalan con la complejidad subyacente siguen siendo cruciales para reconocer la máxima capacidad.

Las valiosas puertas abiertas son enormes para las empresas que buscan materiales compuestos con inclinaciones prescritas o herrajes incrustables. La bioinspiración inspira además desarrollos más coordinados y prácticamente complejos mediante la unión multimaterial. Con un mayor desarrollo y perfeccionamiento, este campo está situado para cambiar la fabricación en todas las disciplinas.

Preguntas frecuentes

P: ¿Cuáles son las técnicas fundamentales utilizadas para la impresión multimaterial en 3D?

R: Las técnicas esenciales que se utilizan en la actualidad son el flujo de material, la demostración de testimonio fundido (FDM), la litografía estereoscópica, la fusión de lecho de polvo y la composición directa de tinta. Cada enfoque ofrece ventajas e impedimentos en función de la aplicación.

P: ¿Qué tipo de componentes pueden combinarse con la impresión 3D multimaterial?

R: También es costumbre abordar la cuestión de qué materiales pueden fusionarse para crear un único componente mediante 3DP: existen múltiples tipos de termoplásticos y polímeros, metales, cerámicas, biomateriales y compuestos. La mezcla práctica basada en hace depende de los concentrados de disolución, los índices de contracción y las propiedades de unión.

P: ¿Cómo funcionan estas técnicas de impresión multimaterial?

R: Las estrategias cambian, pero en su mayor parte incluyen la conservación conjunta o sucesiva de diversos materiales. Los enfoques incorporan la utilización de marcos de impresión multicabezal, la mezcla de tintas sobre la marcha, la restauración específica de materiales inconfundibles y la penetración en plataformas impresas. El control de la disposición de los materiales es fundamental.

P: ¿Cuáles son algunas utilizaciones de la impresión 3D multimaterial?

R: Las aplicaciones incluyen la biomedicina, la aviación, los productos para compradores y los artilugios. Los propósitos normales incluyen armazones de tejidos, insertos retocados, construcción ligera, modelos prácticos y artilugios con circuitos/sensores incorporados.

P: ¿Qué dificultades persisten para la impresión 3D multimaterial?

R: Las dificultades significativas continuas incorporan el agarre interfacial entre materiales dispares, la restricción de variables en el rendimiento y las tasas de creación, la racionalización de las velocidades de impresión sin perder el objetivo y la ampliación de la biblioteca de mezclas de materiales viables.