La inyección de material es una técnica de fabricación aditiva mediante impresión 3D que se utiliza para fabricar componentes 3D capa a capa. La inyección de material (MJ) permite la fabricación de componentes con una geometría de alta precisión y acabados superficiales suaves. Esta avanzada técnica de fabricación ha captado la atención de los ingenieros gracias a sus extraordinarias propiedades. Actualmente, la MJ se utiliza en diversas industrias, como la automotriz, la aeroespacial y la médica, tanto para prototipos como para fines de fabricación.
Contenido
¿Qué es la impresión 3D por inyección de material?
En el proceso de impresión 3D por inyección de material, el material se inyecta sobre una plataforma construida mediante un cabezal de inyección de tinta con movimiento controlado, al igual que en la impresión 2D. Este material fotosensible se endurece posteriormente mediante radiación UV para obtener un componente preciso con una tolerancia típica de ± 0.3 mm. Se pueden utilizar numerosos materiales para fabricar los componentes, como ceras, polímeros, cerámicas o incluso metales.
¿Cómo funciona la inyección de material?
Preparación de material
El primer paso en el proceso de inyección de material es la preparación de la materia prima, donde la resina de fotopolímero se calienta a 30-60 °C para reducir la viscosidad. Esto garantiza un flujo óptimo de la resina durante la inyección.
Deposición de gotitas
El material se carga en el cabezal de impresión, que se desplaza por la plataforma de impresión. El cabezal de inyección de tinta libera cientos de pequeñas gotas de resina en puntos específicos, según la geometría del corte del modelo. El mecanismo de inyección es el siguiente:
- La inyección piezoeléctrica se aplica a materiales no volátiles.
Curado de capas
Una vez que la gota alcanza la plataforma, el curado final de la capa formada se realiza mediante calentamiento o radiación UV. En cuanto las gotas caen sobre la bandeja, se curan instantáneamente bajo los LED UV integrados..
Suavizado de superficies
En algunos sistemas basados en cera, es posible que pase un cortador sobre la capa impresa para garantizar una superficie plana y uniforme antes de aplicar la siguiente capa.
Movimiento de Plataforma
A medida que se completa el curado de la primera capa, la placa se mueve hacia abajo una capa, dejando espacio para que se deposite la siguiente capa.
Impresión capa por capa
Ahora, los pasos anteriores, como la inyección del material y su solidificación, se repiten hasta que todo el componente se fabrica de acuerdo con un modelo en rodajas 3D.
Impresión de varios materiales
Se pueden alinear varios cabezales de impresión uno junto al otro para depositar diferentes materiales simultáneamente. Esto permite la impresión de múltiples materiales, a todo color y con estructuras de soporte en una sola pasada.
Eliminación de soporte
La estructura de soporte se utiliza en el proceso de impresión 3D por inyección de material, y suele estar compuesta por material soluble. Esta estructura de soporte se retira durante el posprocesamiento, ya sea sumergiéndola en un baño ultrasónico o con agua a presión.
Máquina de inyección de material
El máquina de inyección de material Combina microboquillas precisas, curado UV y temperatura controlada para depositar y solidificar con precisión materiales líquidos capa por capa.
Cabezal de impresión con microboquillas
El sistema de inyección de material consta de un cabezal de impresión con un conjunto de boquillas ultrafinas. Estas boquillas expulsan diminutas gotas de material de forma controlada sobre la plataforma construida.
Depósito de material
El depósito de material de este sistema, también conocido como cartucho, es un contenedor que contiene el material líquido. Estos depósitos se rellenan manualmente o se suministran como cartuchos sellados para garantizar una manipulación segura.
Sistema de curado UV
Esta es la fuente de radiación UV ubicada cerca del cabezal de impresión. Proporciona la radiación UV con la intensidad necesaria para curar el material líquido y convertirlo en una capa sólida.
Cámara de construcción calentada
En el caso de NJP, donde se utilizan cerámicas y metales para la inyección, se dispone de una cámara calefactada. Esta cámara mantiene la temperatura para una evaporación y coalescencia óptimas.
Tipos de inyección de materiales en fabricación aditiva
Tecnología PolyJet
PolJet es uno de los tipos más comunes de inyección de material en la fabricación aditiva, donde se extiende una fina capa de fotopolímero sobre una bandeja de impresión y se cura mediante radiación UV. El sistema utiliza una amplia gama de boquillas para depositar el material con precisión y rapidez sobre la superficie de impresión. Permite imprimir múltiples materiales y colores simultáneamente, lo que da como resultado prototipos visuales de alta resolución y piezas sobremoldeadas.
Características
- PolyJet ofrece una resolución muy alta, con un espesor de capa tan bajo como 14 a 16 micrones.
- Produce piezas con acabado refinado y detalles finos.
- Admite impresión multimaterial y multicolor en una única versión.
- Permite la producción de paredes delgadas y geometrías intrincadas.
Chorro de nanopartículas (NPJ)
NPJ es un proceso de impresión 3D por inyección de material que utiliza la suspensión de metal o cerámica para la fabricación de componentes o modelos. En este proceso, los materiales se suministran al cabezal de inyección de tinta mediante un cartucho de sellado. En lugar de radiación UV, se utiliza una fuente de calor para solidificar la capa de partículas de material. Los componentes obtenidos se sinterizan para formar la pieza final.
Característica
- NPJ ofrece una resolución de características excepcional y suavidad de superficie debido al tamaño fino de las nanopartículas.
- Las piezas impresas tienen una alta densidad de material y resistencia.
- El proceso es relativamente limpio y seguro debido a los cartuchos sellados y la falta de pólvora suelta.
Entrega a pedido (DOD)
El sistema DOD no deposita un flujo continuo de fotopolímero, sino que lo deposita gota a gota cuando es necesario. Funciona con dos cabezales de impresión: uno para el material de construcción y otro para el material de soporte. Es adecuado para la impresión de patrones de cera y la fundición a la cera perdida.
Características
- DOD proporciona una precisión y un acabado de superficie excepcionales, con un espesor de capa de hasta 6 micrones y resoluciones XY de alrededor de 22 micrones.
- Puede producir modelos de cera extremadamente suaves y precisos, ideales para la fundición a la cera perdida.
- Materiales utilizados en la inyección de material
Material utilizado en la fabricación aditiva Inyección de material
A diferencia de los métodos de fusión de lecho de polvo como Sinterización directa por láser de metales (DMLS), que utiliza polvos metálicos como acero inoxidable y titanio, la inyección de materiales utiliza fotopolímeros y ceras. Esto limita la resistencia, pero permite detalles finos, impresión a color y construcciones con múltiples materiales.
Fotopolímeros
Los fotopolímeros son el material más utilizado en la inyección de materiales. Se trata de resinas líquidas que curan rápidamente al exponerse a la luz ultravioleta. Pueden simular una amplia gama de propiedades, desde plásticos rígidos hasta materiales flexibles similares al caucho, e incluso opciones transparentes o biocompatibles.
Metales y cerámica
En la inyección de nanopartículas (NPJ), se utilizan metales y cerámicas en forma de nanopartículas suspendidas en un líquido portador. Entre los materiales más comunes se incluyen el acero inoxidable, el titanio, la zirconia y la alúmina.
Ceras y resinas especiales
Los sistemas de goteo bajo demanda (DOD) utilizan principalmente ceras para producir patrones de fundición de alta precisión. Estas ceras se funden fácilmente y se queman limpiamente, lo que las hace ideales para la fundición a la cera perdida en joyería y odontología.
Ventajas del chorro de material
Resolución y precisión de impresión
La inyección de material para impresión 3D proporciona una alta resolución de hasta 13-16 micrómetros (0.013-0.016 mm), lo que resulta en un detallado preciso del modelo. Además, los componentes o el modelo obtenidos mediante MJ presentan un alto nivel de detalle y consistencia dimensional.
Acabado de la superficie
Los componentes obtenidos mediante MJ tienen un aspecto pulido lo que los hace ideales para prototipos visuales y funcionales.
Impresión de varios materiales
El método de inyección de material admite la impresión simultánea con múltiples materiales en un solo trabajo.
Esto le permite mezclar materiales con diferentes propiedades mecánicas, como:
Zonas rígidas y flexibles en una sola pieza.
- Combinaciones transparentes y opacas.
- Diferentes niveles de rigidez o texturas similares al caucho.
Impresión a todo color
MJ es capaz de producir modelos 3D a color para un enfoque realista. Esto no solo hace que el modelo sea visualmente atractivo, sino que también facilita la comprensión conceptual.
Propiedades de materiales homogéneos
Los componentes o modelos obtenidos con la ayuda de MJ muestran propiedades térmicas y mecánicas uniformes.
Bajo desperdicio de material
Dado que la inyección de material DOD utiliza material solo cuando se lo necesita, es por eso que no crea una potencia de material muy notable.
De alta velocidad de impresión
El proceso MJ utiliza cabezales de impresión anchos, lo que le permite procesar más rápido que los métodos tradicionales como FDM.
Desventajas de la inyección de material
Opciones de materiales limitadas
- La inyección de materiales se limita principalmente a fotopolímeros y ceras, lo que restringe su uso a una gama estrecha de aplicaciones.
- No se admiten metales ni polímeros de alto rendimiento, lo que hace que MJ no sea adecuado para piezas funcionales de grado de ingeniería.
Malas propiedades mecánicas
- Las piezas impresas son generalmente frágiles y tienen un bajo alargamiento de rotura, por lo que no son aptas para aplicaciones funcionales o de soporte de carga.
- Los materiales fotosensibles se degradan con el tiempo, especialmente bajo la exposición a los rayos UV, lo que reduce la confiabilidad a largo plazo de las piezas.
Altos precios
- Los costos de material están entre los más altos en la impresión 3D, superando a menudo los 1000 dólares por kg.
- Las máquinas MJ son costosas de comprar y operar, lo que limita el acceso para empresas más pequeñas o proyectos de bajo presupuesto.
Requisitos de material de soporte y posprocesamiento
- MJ requiere con frecuencia estructuras de soporte, lo que aumenta el uso de material y el tiempo de impresión.
- El poscurado UV suele ser necesario para endurecer completamente las piezas, lo que añade complejidad al flujo de trabajo.
Aplicaciones de la inyección de material
Médico y sanitario
Debido a su alta precisión y exactitud, así como a su biocompatibilidad, se utiliza en el departamento médico y de salud para la fabricación de modelos anatómicos y dispositivos médicos como herramientas quirúrgicas.
Joyería
La inyección de metal también se aplica en la creación de diseños de joyería consistentes e intrincados, así como en la fundición. En la fundición, la tecnología DOD imprime detalles diminutos y de bordes nítidos, ideales para piezas de lujo y artísticas.
Ingeniería
Los ingenieros utilizan esta tecnología para fabricar piezas mecánicas complejas con gran precisión.
Aeroespacial y Automoción
En la industria automotriz y aeroespacial, se producen plantillas ligeras y herramientas personalizadas más rápido que con el mecanizado tradicional mediante MJ. Además, se fabrican tableros y prototipos de interiores con texturas y acabados realistas.