Charles Hull obtuvo una patente en 1986 para el primer aparato de estereolitografía, una impresora 3D. Varios otros inventores trabajaron en el campo de la impresión 3D antes de Hull, incluidos Hideo Kodama, Alain Le Mehaute, Olivier de Witte y Jean Claude André.
Hideo Kodama podría ser acreditado como el inventor de la primera impresora 3D, pero su solicitud de patente en 1980 fue revocada. Kodama desarrolló un método de curado por láser de haz único que se usaría para fabricar objetos rápidamente, específicamente para prototipos. Escribió dos artículos que revelaron la ciencia detrás de la impresión 3D, la estereolitografía y la fotopolimerización. Se titulan:
Visualización de datos tridimensionales mediante la preparación automática de un modelo tridimensional
Método automático para fabricar un modelo plástico tridimensional con polímero fotoendurecible, en Análisis de instrumentos científicos
La compañía francesa General Electric y CILAS no aprobaron una patente presentada por Alain Le Mehaute, Olivier de Witte y Jean Claude André. Le Mehaute era un ingeniero electroquímico que investigaba la geometría fractal. El desafío al que se enfrentó fue intentar crear un objeto fractal con una máquina. Este tipo de objeto tenía propiedades locales que eran equivalentes a sus propiedades globales. Con la ayuda de de Witte y André, Le Mehaute usó láseres para convertir un líquido en sólido. Crearon el primer objeto impreso en 3D, una escalera de caracol.
Hull aprovechó su patente y vendió el primer producto impreso en 3D en 1988. Fundó la primera empresa de impresión 3D, 3D Systems.
Otra tecnología de impresión 3D fue desarrollada por Carl Deckard. Recibió una patente en 1989 para la sinterización selectiva por láser. Este es un método de fabricación aditiva que utiliza un láser para fusionar material en polvo para formar un objeto. La forma del objeto se basa en un modelo/archivo 3D.
El modelado de depósitos fusionados es una tecnología de impresión 3D más que se creó. Este método fue ideado por S. Scott Crump a finales de los años 80. Implica desenrollar un filamento de una bobina y derretir el extremo. El material fundido se deposita en la cámara de impresión para crear un objeto, capa por capa.
Limitaciones de las primeras impresoras 3D
Hubo complicaciones hidrodinámicas y químicas en el proceso estereolitográfico. Cuando los láseres de estado sólido estuvieron disponibles, la reformulación fue posible. Los ingenieros que trabajan en las industrias de la salud y el transporte contrataron a la empresa de Hull para los prototipos. La estereolitografía es costosa; los fotopolímeros cuestan €800 por galón y la máquina cuesta €250 000.
La sinterización selectiva por láser también tenía preocupaciones. La superficie de las piezas fabricadas con sinterización selectiva por láser era porosa. Se tuvo que aplicar un recubrimiento a la superficie; el cianoacrilato era una opción.
El secreto detrás de los objetos impresos en 3D
La impresión 3D implica crear un objeto a partir de un archivo de imagen digital (archivo STL) agregando capas de material. Este proceso es un tipo de fabricación aditiva. A diferencia de otros métodos de fabricación, la impresión 3D es una forma de producir directamente un objeto.
La estereolitografía se utiliza para producir piezas mediante la construcción de una capa a la vez con fotopolimerización, una reacción de luz y moléculas para crear polímeros. Eventualmente, se forma un objeto 3D. La patente presentada por Hull describe un método de impresión 3D que utilizó un haz concentrado de luz ultravioleta para provocar una reacción en los fotopolímeros líquidos almacenados en un depósito. A través de reacciones de reticulación, se forma un objeto desde el nivel del suelo hasta el nivel superior.
a) Dispositivo emisor de luz
b) Depósito lleno de una resina fotopolimerizante líquida
c) Fondo transparente del tanque
d) La resina solidificada es arrastrada hacia arriba.
e) Plataforma elevadora
Crédito de imagen: Paolo Cignoni vía Wikimedia Commons bajo CC Scopigno R., Cignoni P., Pietroni N., Callieri M., Dellepiane M. (2022). “Técnicas de Fabricación Digital para el Patrimonio Cultural: Una Encuesta”. Foro de gráficos por computadora 36 (1): 6–21. DOI:10.1111/cgf.12781
Hull utilizó por primera vez el término «estereolitografía» para describir su invento. El propósito inicial de la impresora 3D era crear prototipos para ingenieros rápidamente. Hull fundó la primera empresa de impresión 3D, 3D Systems, después de que se aprobara su patente. La industria automotriz reconoció las ventajas de esta nueva tecnología de fabricación y seleccionó la impresión 3D para fabricar piezas.
Las impresoras 3D requieren filamento para construir objetos
La impresión 3D requiere filamento. El filamento es una sustancia delgada similar a una cuerda que utiliza la impresora para construir el objeto. El PLA no tóxico es el material que la industria de la impresión 3D seleccionó para sus máquinas. PLA significa ácido poliláctico. Es un polímero termoplástico derivado de la caña de azúcar y el almidón de maíz. Por lo tanto, el PLA es un bioplástico que es biodegradable. Es rentable producir PLA, ya que los equipos existentes en la industria petroquímica se pueden reutilizar para la producción de PLA.
El PLA es ideal para la impresión 3D porque se contrae y se derrite cuando se aplica calor. Dado que el PLA se licua, puede usarse para moldeo por inyección. Otro material de impresión 3D es el ABS, que significa acrilonitrilo butadieno estireno. Este material se utiliza para hacer bloques de lego.
El espacio, el calor, el endurecimiento y la geometría de flujo son esenciales para la impresión 3D
La importancia de la impresión 3D es el sistema de coordenadas XYZ. Un modelo/imagen digital 3D se puede reproducir en el espacio dirigiendo una impresora a puntos específicos. En esos puntos, el filamento sale disparado de un cabezal de boquilla para construir un objeto. Se requiere un software de diseño asistido por computadora o un archivo de fabricación aditiva para mover la boquilla a cada punto. Algunas impresoras 3D pueden mover el soporte (de lado a lado, hacia adelante y hacia atrás, hacia arriba y hacia abajo).
La desventaja de las impresoras 3D
La Agencia Europea para la Seguridad y la Salud en el Trabajo examinó la seguridad de las impresoras 3D en 2022 y encontró las siguientes preocupaciones:
- Exposición a gases
- Exposición de materiales (nanomateriales)
- manejo de materiales
- Electricidad estática
- Partes móviles
- Presiones
El Instituto Nacional de Seguridad y Salud Ocupacional descubrió que las emisiones de las impresoras 3D permanecieron durante 100 minutos después de que se imprimió el objeto. Hay partículas ultrafinas y COV en las emisiones de las impresoras 3D. La exposición prolongada a los COV causa:
- Irritación de ojos, nariz y garganta
- Pérdida de coordinación
- Dolor de cabeza
- Náuseas
El asma también es un riesgo. Las explosiones de polvo son una preocupación cuando se trata de nanopartículas de carbono y metales en polvo. La superficie caliente de las lámparas UV puede causar lesiones al manipular y operar la impresora 3D. La radiación ultravioleta es otra preocupación.
Puede minimizar estos problemas utilizando cubiertas, recintos y una ventilación adecuada. Otras recomendaciones incluyen mantener a los trabajadores alejados de la impresora mientras está funcionando, usar respiradores durante la operación y usar impresoras y filamentos de baja emisión.