Tipos de impresoras 3D y sus características

En el anterior artículo hicimos una especie de introducción al mundo de las impresoras 3D. Ahora toca el turno de adentrarse algo más en esta tecnología, conociendo algo más sobre los secretos que esconden estos equipos, así como los tipos de impresoras 3D que existen. Algo vital a la hora de elegir la adecuada, ya que todas tienen sus ventajas y desventajas, por lo que siempre habrá alguna que sea más acorde con tus necesidades.

Tipos de impresoras 3D según las tecnologías de impresión

Los tipos de impresoras 3D son muy numerosos, y se pueden catalogar según varios criterios. Aquí tienes algunos de los más importantes:

Principales familias

Al igual que las impresoras convencionales también tienen varias familias, las impresoras 3D se podrían catalogar principalmente en 3 grupos:

• Tinta: no se trata de una tinta al uso, sino de un compuesto en polvo como la celulosa o la escayola. La impresora irá construyendo el modelo a partir de este conglomerado de polvo.

• Láser/LED (ópticas): es la tecnología usada en las impresoras 3D de resina. Básicamente contienen un líquido en un depósito y se someten a una exposición láser para solidifcar la resina y a una curación mediante luz UV para que se endurezca. Eso hace que la resina (fotopolímero de base acrílica) se transforme en una pieza sólida con la forma que se necesita.

• Inyección: son aquellas que usan principalmente filamentos (generalmente termoplásticos) como el PLA, ABS, Tuvalu, nailon, etc. La idea tras esta familia es ir creando las formas mediante deposición de capas fundidas de estos materiales (pueden ser muy variados). El resultado es una pieza robusta, aunque más lenta y con menor precisión que la láser.

Una vez conocidas estas familias, en los apartados siguientes se conocerá más sobre cada una de ellas y las tecnologías que puede haber.

Impresoras 3D de resina y/o ópticas

Las impresoras 3D de resina y ópticas son una de las más sofisticadas y con mejores resultados en sus acabados, pero también suelen ser bastante más caras. Además, también necesitarán de máquinas adicionales como las de lavado y curado en algunos casos, ya que no vienen dichas funciones integradas en la propia impresora (o en casos en los que limpiar las piezas en una MSLA es engorroso).

• Lavado: tras la impresión de la pieza 3D se necesita un proceso de lavado. Pero en vez de estar limpiando la pieza con brocha y spray, podrás sacar la pieza terminada de la base de impresión y usar las máquinas de lavado. Éstas actuarán como un lavadero automático de coches, con una hélice que gira magnéticamente  en el interior y agita el líquido de la limpieza (un depósito lleno de alcohol isopropílico -IPA-) dentro de la cabina herméticamente cerrada.
• Cura: después de la limpieza también es necesario el curado de la pieza, es decir, una exposición a rayos ultravioleta que alteran las propiedades del polímero y lo endurecen. Para ello, la estación de cura saca la pieza del líquido de limpieza donde estaba sumergido, lo seca mientras lo gira para llegar a todos los lados. Una vez hecho eso una barra LED UV comenzará el curado de la pieza, como si de un horno se tratase.

SLA (StereoLithography)

Esta técnica de estereolitografía es un método bastante antiguo que se ha renovado para las impresoras 3D. Se emplea una resina líquida fotosensible que se irá endureciendo en los lugares donde el haz del láser incide. Así es como se van creando las capas hasta conseguir la pieza terminada.

SLS (Selective Laser Sintering)

Es otro proceso de sinterizado selectivo por láser similar al DLP y SLA, pero en vez de un líquido se empleará un polvo. El haz del láser irá fundiendo y adhiriendo las partículas de polvo capa a capa hasta formar el modelo final. Las ventajas de este método es que puede usar multitud de materiales diferentes (nailon, metal,…) para crear piezas que son difíciles de crear mediante métodos tradicionales como los moldes o la extrusión.

DLP (Digital Light Process)

Esta tecnología de procesamiento digital por luz es otro tipo de impresión 3D similar al SLA, y también usa fotopolímeros líquidos endurecidos por luz. Sin embargo, la diferencia está en la fuente de luz, que en este caso es una pantalla de proyección digital, enfocando en los puntos en los que hay que endurecer la resina, acelerando el proceso de impresión con respecto a la SLA.

MSLA (Masked SLA)

Se basa en la tecnología SLA, y comparte muchas de sus características, pero es un tipo de tecnología SLA enmascarada. Es decir, emplea una matriz LED como fuente de luz UV. Dicho de otro modo, tiene una pantalla LCD a través de la que se emite luz que coincide con la forma de una capa, exponiendo toda la resina a la par y consiguiendo velocidades de impresión mayores. Es decir, la pantalla va proyectando slices o rebanadas.

DMLS (Direct Metal Laser Sintering) o DMLS (PolyJet Direct Metal Laser Sintering)

En este caso genera objetos de forma similar al SLS, pero la diferencia es que no se funde el polvo, sino que se calienta con el láser hasta el punto en el que puede fusionarse a nivel molecular. Debido a las tensiones, las piezas suelen ser algo frágiles, aunque se pueden someter a un proceso térmico posterior para hacerlas más resistentes. Esta tecnología se emplea ampliamente en la industria, para fabricar piezas metálicas o de aleaciones.

Extrusión  o deposición (inyección)

Cuando hablamos de la familia de impresoras que emplean técnicas de deposición mediante extrusores de material, se puede diferenciar entre las siguientes tecnologías:

FDM (Fused Deposition Modeling)

Estas técnicas de modelado van depositando material fundido para componer el objeto capa a capa. Cuando un filamento se calienta y se funde, pasa por un extrusor y el cabezal va moviéndose en las coordenadas XY que le indica el archivo con el modelo de impresión. Para la otra dimensión usa un desplazamiento Z para las sucesivas capas.

FFF (Fused Filament Fabrication)

¿Diferencias entre FDM y FFF? Aunque a veces lo usan como sinónimo, FDM es un término hace referencia a una tecnología desarrollada por Stratasys en 1989. En cambio, el término FFF tiene similitudes, pero fue acuñado por los creadores de la RepRap en 2005.

Con la popularización de las impresoras 3D y la expiración de la patente de FDM en 2009, se allanó el camino para nuevas impresoras de bajo coste con una tecnología muy similar llamada FFF:

• FDM: máquinas grandes y cerradas para uso en ingeniería y con alta calidad en los resultados.
• FFF: impresoras abiertas, más baratas, y con resultados más pobres e inconsistentes para aplicaciones en las que se necesita piezas con unas propiedades muy concretas.

Otros tipos de impresoras 3D avanzados

A parte de los anteriores tipos de impresoras 3D, o tecnologías de impresión, existen otros que quizás no sean populares para uso doméstico, pero que sí son interesantes para la industria o la investigación:

MJF (Multi Jet Fusion) o MJ (Material Jetting)

Otra tecnología de impresión 3D que puedes encontrar es el MJF o simplemente MJ. Como su propio nombre indica, se trata de un proceso que usa la inyección de materiales. Los tipos de impresoras 3D que han abrazado este método de impresión se destinan principalmente para la industria de la joyería, consiguiendo una gran calidad inyectando cientos de gotas diminutas de fotopolímero para luego pasar por un proceso de cura (solidificación) con luz UV (ultravioleta).

SLM (Selective Laser Melting)

Es una tecnología avanzada, con una fuente láser de muy alta potencia, y las impresoras 3D de este tipo tienen precios bastante elevados, por lo que se destina para uso profesional. En cierto modo, son similares a la tecnología óptica SLS, fusionando de forma selectiva por láser. Muy empleada en para fundir de forma selectiva polvo metálico y generar piezas capa a capa muy robustas, por lo que evitas ciertos tratamientos posteriores.

EBM (Electron Beam Melting)

La tecnología de fusión por haz de electrones es un proceso de fabricación aditiva muy similar a la SLM, y muy arraigada en la industria aeroespacial. También es capaz de producir modelos muy densos y robustos, pero la diferencia es que en vez de un láser se emplea un haz de electrones para fundir el polvo metálico. Esta tecnología para uso industrial puede llevar a fundir a temperaturas de 1000ºC.

BJ (Binder Jetting)

Es otro de los tipos de impresoras 3D existentes, con una tecnología usada a nivel industrial. En este caso, se emplea un polvo como base para la fabricación de piezas, con un aglutinante para formar capas. Es decir, emplea polvos del material junto con una especie de adhesivo que luego será eliminado para que quede solo el material base. Este tipo de impresoras pueden usar materiales como el yeso, cemento, partículas de metal, arena, e incluso polímeros.

Hormigón o 3DCP

Es un tipo de impresión encuentra cada vez más interés para el sector de la construcción. 3DCP son las siglas de 3D Concrete Printing, es decir, impresión 3D de cemento. Un proceso asistido por ordenador para crear estructuras de cemento por extrusión para formar capas y construir así muros, viviendas, etc.

LOM (Laminated Object Manufacturing)

La LOM engloba a unos tipos de impresoras 3D que se emplean para la fabricación por laminado. Para ello, se emplean tejidos, láminas de papel, láminas o planchas metálicas, de plástico, etc., depositando lámina a lámina para las capas y usando un adhesivo para irlas uniendo, además de usar técnicas de corte industrial para generar la forma, como puede ser el corte mediante láser.

DOD (Drop on Demand)

Otra técnica de gota a demanda emplea dos chorros de «tinta», uno deposita el material de construcción para el objeto y el otro un material disoluble para los soportes. Así va generando capa a capa, usando herramientas adicionales para ir formando el modelo como una fresa fly-cutter que pule el área en construcción. Así logra una superficie perfectamente plana, por lo que es muy empleada en la industria donde se necesita mayor precisión, como para fabricar moldes.

MME (Metal Material Extrusion)

Este método es muy similar al FFF o al FDM, es decir, consiste en la extrusión de un polímero. La diferencia es que este polímero tiene una alta carca de polvo metálico. Por tanto, al crear la forma, se puede realizar un pos-proceso (desaglomerado y sinterizado) para crear una pieza de metal sólida.

UAM (Ultrasonic Additive Manufacturing)

Este otro método emplea láminas de metal que son puestas capa a capa y fusionadas mediante ultrasonido para fundir las superficies y crear una pieza sólida.

Bioimpresión

Por último, entre los tipos de impresoras 3D no puede faltar una de las más avanzadas e interesantes para uso médico, entre otras aplicaciones de la industria. Se trata de la tecnología de bioimpresión, que se puede basar en algunas de las anteriores técnicas, pero con particularidades. Por ejemplo, hay casos en los que se basan en la deposición de capas, en chorros de biotintas (bioink), bioimpresión asistida por láser, por presión, microextrusión, SLA, extrusión de células directa, tecnologías magnéticas, etc. Todo dependerá del uso que se le quiera dar, ya que cada una tiene sus potenciales ventajas y sus limitaciones.

La bioimpresión 3D cuenta con tres fases fundamentales que son:

1. Pre-bioimpresión: es el proceso de creación de un modelo, como el modelado 3D mediante software de la impresión 3D. Pero, en este caso, necesita de pasos más complejos para conseguir dicho modelo, con pruebas como biopsias, tomografía computerizada, resonancia magnética, etc. De esa forma se puede obtener el modelo que se enviará a imprimir.
2. Bioimpresión: cuando se usan los diferentes materiales necesarios, como soluciones líquidas con células, matrices, nutrientes, biotintas, etc., y se colocan en el cartucho de impresión para que la impresora comience a crear el tejido, órgano u objeto.
3. Pos-bioimpresión: es el proceso previo a la impresión, como ocurría con la impresión 3D, también existen procesos previos variados. Pueden ser para generar una estructura estable, maduración de tejidos, vasculación, etc. En muchos casos, se necesitan biorreactores para ello.

Tipos de impresoras 3D según los materiales

Otra forma por la que catalogar a las impresoras 3D es por el tipo de material en el que pueden imprimir, aunque algunas de las impresoras 3D domésticas e industriales admiten variedad de materiales para la impresión (siempre que tengan características similares, como el punto de fusión,…), al igual que una impresora convencional puede usar distintos tipos de papel.

Impresoras 3D metal

Todos los metales no se adaptan bien a los diferentes tipos de impresoras 3D. De hecho, mediante algunas de las tecnologías vistas anteriormente, solo se pueden manejar unos pocos. Los polvos de metal más frecuentes empleados en la fabricación aditiva son:

• Acero inoxidable (varios tipos)
• Acero para herramientas (con diferente composición de carbono)
• Aleaciones de titanio.
• Aleaciones de aluminio.
• Superaleaciones basadas en níquel, como el Inconel (una aleación Ni-Cr austenítica).
• Aleaciones cobalto-cromo.
• Aleaciones basadas en cobre.
• Metales preciosos (oro, plata, platino,…).
• Metales exóticos (paladio, tántalo,…).

Impresoras 3D de comida

Fuente: REUTERS/Amir Cohen

Cada vez es más frecuente encontrar impresoras 3D para fabricar comida mediante métodos de fabricación aditiva. En este caso, algunos de los más habituales son:

• Componentes funcionales (prebióticos, probióticos, minerales, vitaminas, ácidos grasos, fitoquímicos y otros antioxidantes).
• Fibra.
• Grasas.
• Diferentes tipos de carbohidratos, como las harinas y azúcares.
• Proteínas (animales o vegetales) para formar texturas similares a la carne.
• Hidrogeles, como la gelatina, y alginato.
• Chocolates.

Impresoras 3D plástico

Por supuesto, uno de los materiales más empleados para la impresión 3D, especialmente para las impresoras 3D domésticas son los polímeros:

• Plásticos como PLA, ABS, PET, PC, etc.
• Polímeros de alto rendimiento como los PEEK, PEKK, ULTEM, etc.
• Poliamidas sintéticas de tipo textil como el nailon o nilón.
• Solubles en agua como HIPS, PVA, BVOH, etc.
• Flexibles como el TPE o TPU, como los de las fundas de silicona de los móviles.
• Resinas basadas en polimerización.

Además, si vas a usar una impresora 3D para imprimir objetos para uso en alimentación, como pueden ser tazas, vasos, platos, cubiertos, etc., deberías conocer cuáles son los plásticos seguros para la alimentación:

• PLA, PP, co-poliéster, PET, PET-G, HIPS, nailon 6, ABS, ASA y PEI. Si los usarás para lavar en el lavavajillas o soportar temperaturas más altas, descarta el nailon, el PLA y el PET, ya que suelen deformarse a temperaturas entre 60-70ºC.

Biomateriales

Fuente: BloodBusiness.com

En cuanto a la bioimpresión 3D, también se pueden encontrar muy variados productos y materiales:

• Polímeros sintéticos.
• Ácido poli-L-látctico.
• Biomoléculas, como ADN.
• Biotintas de baja viscosidad con células en suspensión (células específicas o células madre). Con ácido hialurónico, colágeno, etc.
• Metales para prótesis.
• Proteínas.
• Composites.
• Agarosa con gelatina.
• Materiales fotosensibles.
• Acrílicos y resinas epoxi.
• Tereftalato de polibutileno (PBT)
• Ácido poliglicólico (PGA)
• Poliéter éter cetona (PEEK)
• Poliuretano
• Alcohol polivinílico (PVA)
• Ácido poliláctico-co-glicólico (PLGA)
• Quitosano
• Otras pastas, hidrogeles y líquidos.

Compuestos e híbridos

También existen otros compuestos híbridos para impresoras 3D, aunque suelen ser más exóticos y muy diversos:

• PLA-based (70% PLA + 30% otro material), como pueden ser los filamentos de madera, bambú, lana, corcho, etc.
• Composites (fibra de carbono, fibra de vidrio, kevlar, etc.).
• Alúmina (mezcla de polímeros y polvos de aluminio).
• Cerámicas. Algunos ejemplos son porcelana, terracota, etc.
  • Óxidos de metal: alumina, circonita, cuarzo, etc.
  • No basadas en óxido: carburos de silicio, nitruro de aluminio, etc.
  • Biocerámicas: como la hidroxiapatita (HA), el fosfato tricálcico (TCP), etc.
• Compuestos basados en cemento, como distintos tipos de mortero y hormigón.
• Nanomateriales y materiales inteligentes.
• Y muchas más materiales innovadores que están llegando.

Según los usos

Por último, y no menos importante, también se podrían catalogar varios tipos de impresoras 3D según el uso que se le va a dar:

Impresoras 3D industriales

Las impresoras 3D industriales son un tipo de impresora muy particular. Suelen contar con tecnologías avanzadas, además de tener un tamaño considerablemente grande, y precios de miles de euros. Están diseñadas para usarse en la industria, para fabricar de forma rápida, precisa y en grandes cantidades. Y se pueden emplear en sectores como el aeronáutico, electrónica y semiconductores, farmacéutico, vehículos, construcción, aeroespacial, motorsport, etc.

Los precios de una impresora 3D industrial pueden oscilar desde los 4000€ hasta los 300.000€ en algunos casos, dependiendo del tamaño, marca, modelo, materiales y prestaciones.

Impresoras 3D grandes

Aunque este tipo de impresoras 3D grandes se podrían incluir dentro de las industriales, es cierto que existen algunos modelos pensados para su uso fuera de la industria, como pueden ser algunas impresoras capaces de imprimir piezas de gran tamaño para aquellos makers que lo necesiten, para pequeñas empresas, etc. Me refiero a esos modelos que no son tan grandes y caros como los industriales, como Anycubic Chiron, Snapmaker 3D, Tronxy X5SA, Tevo Tornado, Creality CR 10S, Dremer DigiLab 3D20, etc.

Impresoras 3D baratas

Muchos kits de montaje de impresoras 3D para uso doméstico, o algunos proyectos de código abierto, como Prusa, Lulzbot, Voron, SeeMeCNC, BigFDM, Creality Ender, Ultimaker, etc., así como otras marcas que venden impresoras 3D compactas, han permitido que la impresión 3D llegue también a muchos hogares. Lo que antes solo se podían permitir algunas empresas, actualmente puede tener un precio similar a las impresoras convencionales.

Generalmente, estas impresoras están destinadas a uso particular, como los aficionados al DIY o makers, o para algunos autónomos que necesiten crear ciertos modelos de forma eventual. Pero no están pensadas para crear modelos grandes, ni de forma masiva, ni tampoco rápidamente. Y, en su mayoría, son con resina o filamento plástico.

Lápiz 3D

Por último, para completar este artículo, no me quería dejar atrás los lápices 3D. No son uno de los tipos de impresoras 3D como tal, pero sí que tienen un objetivo común y pueden ser muy prácticos para crear algunos modelos sencillos, para los niños, etc.

Tienen un precio muy barato, y básicamente son diminutas impresoras 3D de mano en forma de lápiz con las que poder hacer dibujos con volumen. Suelen usar filamentos plásticos como el PLA, ABS, etc., y su funcionamiento es muy sencillo. Básicamente se conectan a una toma de corriente eléctrica y se calientan como los soldadores de estaño o las pistolas de cola caliente. Así funden el plástico que irá fluyendo por la punta para crear el dibujo.

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