Guía completa: La impresión 3D multimaterial, ¡te explicamos todo!
La impresión 3D multimaterial consiste, como su nombre indica, en imprimir varios materiales en un único proceso de fabricación continuo. No es lo mismo que la impresión 3D multicolor, en la que un material se imprime en varias tonalidades de color. Aunque la fabricación aditiva multimaterial puede estar compuesta por varios colores, el objetivo fundamental es obtener una combinación de las propiedades de los distintos materiales utilizados. Por ejemplo, conductividad, dureza, flexibilidad, transparencia, resistencia química, etc. En algunos casos, es necesario combinar algunas de estas características en un único objeto para explotar al máximo su aplicación. De ahí la existencia de soluciones de impresión 3D multimaterial.
Esta tecnología permite imprimir estructuras de soporte en un material diferente que puede retirarse fácilmente durante el post-procesamiento. Este es el caso, por ejemplo, del PVA y el HIPS. Además, la impresión 3D multimaterial reduce considerablemente las operaciones de postratamiento, ya que las piezas finales se fabrican en una sola operación, eliminando la fase de montaje, que a menudo requiere mucho tiempo.
La eficacia de la impresión 3D multimaterial depende de la tecnología y el material utilizados. Aunque hay mucha experimentación y constantes avances en el mercado, no todos los procesos son adecuados para imprimir varios materiales al mismo tiempo. Actualmente, la fabricación multimaterial es posible con SLA (utilizando varios tanques con diferentes materiales) pero también con material jetting. En este último caso, los cabezales de impresión están equipados con varias boquillas que inyectan la tinta con diferentes materiales, de forma similar a las impresoras 2D.
La tecnología FDM es actualmente una de las soluciones más productivas y avanzadas para la impresión 3D multimaterial, sobre todo para quienes se inician en la fabricación aditiva. En comparación con otros procesos de fabricación, el método FDM es rentable, sencillo y permite trabajar con una gran variedad de termoplásticos y materiales compuestos. Dependiendo de la configuración, una impresora 3D FDM puede imprimir diferentes materiales. Sin embargo, dependiendo de la versión de la máquina, hay algunas cosas a tener en cuenta, que trataremos a continuación. Sigue leyendo esta guía sobre la impresión 3D multimaterial mediante procesos de extrusión.
Aunque la impresión 3D multimaterial es posible con diferentes tecnologías, es más avanzada con el proceso FDM. (Foto: impresión con la tecnología Novojet de Quantica).
El proceso de impresión 3D multimaterial
Como cualquier proceso de fabricación, la impresión 3D multimaterial comienza con el diseño. Hoy en día, la mayoría de softwares CAD estándar tienen en cuenta la diferencia entre un material y otro, siendo capaces de considerar sus características respectivas. Para esta técnica tenga éxito, es importante definir los parámetros correctos del slicer, ya que la impresora necesita saber cuándo debe utilizarse cada material. Por tanto, la configuración de la máquina es crucial, tanto si se trata de una solución con un extrusor como con varias boquillas. Echemos un vistazo a las distintas posibilidades.
Cabezal de impresión único Cabezal de impresión único
La fabricación multimaterial es compatibles con una impresora 3D FDM estándar. Sin embargo, si la máquina está equipada con un extrusor de una sola boquilla, los cambios de material deben realizarse manualmente. Para ello, la impresora debe detener la impresión en cuanto entra en juego un nuevo material. Las pausas correspondientes ya pueden integrarse en el G-Code. Dependiendo del slicer, este paso puede resultar sencillo o un tanto complicado.
En general, la impresión de varios materiales en una impresora estándar requiere mucho tiempo y trabajo, incluso para piezas pequeñas. El proceso se complica si se utilizan varios materiales y éstos no se alternan capa por capa.
Hay que tener en cuenta los diferentes materiales desde el proceso de diseño y durante el laminado. (Créditos: UltiMaker)
Además del cambio manual de material, hay impresoras 3D que pueden trabajar con varios filamentos. Un ejemplo, que se utiliza principalmente para la impresión multicolor, es el mezclador en caliente. Sin embargo, si se utiliza este sistema para imprimir con varios materiales, las respectivas temperaturas de fabricación deben ser muy próximas entre sí, en el mejor de los casos idénticas. Esto evitará posibles errores durante la creación de las piezas.
Si utilizas una impresora 3D equipada con un extrusor Bowden, puedes utilizar un separador en Y convencional para combinar dos materiales diferentes. Con el sistema Bowden, los materiales se utilizan y extruyen alternativamente, pero siempre están “listos” para crear la forma en Y epónima. Este enfoque también se utiliza para la impresión en dos colores y puede ampliarse a un separador en Y doble para múltiples extrusoras.
Además de estas características de hardware, también tienes la opción de actualizar la impresora con módulos adicionales para crear piezas con varios materiales. Con sus kits de actualización multimaterial MMU1, MMU2 y el último MM3, Prusa ha creado módulos complementarios que permiten fabricar con hasta cinco filamentos diferentes. La MMU simplemente se acopla a una impresora monomaterial y se utiliza un sistema de extrusión basado en un separador Bowden para imprimir con múltiples materiales.
Prusa3D ofrece la posibilidad de imprimir con múltiples materiales gracias a su Multi Material Upgrades. (Créditos: Prusa3D)
También hay que mencionar la Paleta Mosaico, que permite cortar filamentos al tamaño adecuado y volver a ensamblarlos en un único filamento de impresión preciso. A continuación, se puede imprimir sin cambiar de material ni hacer pausas. Algunos fabricantes equipan sus impresoras con sistemas adicionales para la impresión 3D multicolor o multimaterial. Con su sistema AMS (Automated Material System), Bambu Lab ha creado una solución que ya no limita a los usuarios a imprimir con un único filamento. Esto ofrece un proceso de impresión más versátil, estético y funcional.
Dicho esto, la impresión multimaterial es mucho más fácil si hay varios hotends en la máquina. En este caso, hay una boquilla para cada material, de modo que ningún residuo del material anterior obstruya la boquilla. Ya existen cabezales de impresión individuales con dos o cuatro hotends. Sin embargo, estos cabezales son más pesados, afectando a la velocidad de impresión.
Este cabezal puede imprimir 4 filamentos al mismo tiempo. (Créditos: Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences)
Cabezales de fabricación múltiples
Si el enfoque de múltiples boquillas para extruir materiales se amplía a varios cabezales de impresión, es posible aumentar aún más la variedad de materiales. Este enfoque también produce mejores resultados, ya que los diferentes materiales no se combinan en un único bloque de calentamiento en el hotend. Las impresoras IDEX (Independent Dual Extruder) son un ejemplo de esto.
Estas impresoras están equipadas con dos extrusores que pueden moverse independientemente el uno del otro. Las trayectorias separadas de los filamentos respectivos evitan obstrucciones o bloqueos en la boquilla y se pueden eliminar de antemano algunos de los errores más comunes en la impresión 3D multimaterial. Sin embargo, una impresora IDEX sólo puede imprimir dos materiales al mismo tiempo. Estos suelen ser típicamente el material base y el material de soporte.
Una herramienta que amplía los límites del extrusor doble es el cambiador de herramientas. Éste puede cambiar los cabezales durante el funcionamiento. No se trata sólo de cabezales de impresión, sino también de cabezales que pueden cortar, fresar y taladrar (para la fabricación híbrida).
Las impresoras 3D IDEX están equipadas con dos extrusores independientes, por lo que pueden procesar dos tipos de filamento en un solo proceso. (Créditos: Raise3D)
Aplicaciones, ventajas y limitaciones
El principal objetivo de la impresión 3D multimaterial es dotar a la pieza final de diferentes propiedades. Éstas pueden estar relacionadas con el aspecto, las características mecánicas, químicas, o la textura. Por ejemplo, una pieza final puede tener partes brillantes y mates a la vez.
En cuanto a las propiedades del material, la fabricación multimaterial puede ser dura, resistente al calor o flexible. La superficie también puede crearse de una forma específica y tener un efecto positivo en el postratamiento y el tacto. Al eliminar la necesidad de ensamblar componentes individuales, se eliminan incluso por completo algunos pasos de post-procesado.
Las diferentes propiedades combinadas de los materiales también abren un amplio abanico de posibles aplicaciones en una gran variedad de sectores. La impresión 3D multimaterial se utiliza para chips microfluídicos o para pinzas en robótica y robótica blanda. En esto campos se suelen requerir piezas flexibles y blandas, así como piezas resistentes y duraderas. La impresión 3D multimaterial también se utiliza cada vez más en la medicina. Materiales como el TPU y los compuestos de fibra de carbono se combinan a menudo para fabricar prótesis impresas en 3D.
La impresión 3D multimaterial se utiliza en muchos ámbitos en los que se requieren diferentes propiedades para una pieza, por ejemplo, dureza y flexibilidad a la vez. (Créditos: UltiMaker)
Al diseñar el objeto impreso, se plantea la cuestión de cómo deben encajar los distintos materiales, por ejemplo, si deben superponerse o mezclarse. Es importante crear un modelo que se adapte tanto a la forma como a los materiales. Algunos filamentos no combinan bien debido a sus diferentes propiedades. Por ejemplo, si las temperaturas de procesamiento están demasiado alejadas, será difícil utilizarlos al mismo tiempo. También hay que tener en cuenta la adherencia de los materiales, tanto a la bandeja de fabricación, como entre sí.
Las propiedades del material también determinan la configuración del proceso de fabricación. Diferentes materiales requieren diferentes ajustes en la impresora en términos de temperatura de la boquilla, la bandeja, la velocidad y la contracción. Todos estos parámetros deben tenerse en cuenta al combinar dos o más materiales. Por ejemplo, si se utiliza un extrusor con un único hotend, hay que tener cuidado de que no se mezclen en este punto. De lo contrario, la boquilla podría bloquearse y, en el peor de los casos, habría que cambiarla. Esto ocurre especialmente cuando se trabaja con materiales poco habituales, como madera o metal. Si se utiliza más de un extrusor, las fugas de la boquilla no utilizada pueden convertirse en un problema; este fenómeno también se conoce como “filtración”.
Fabricantes de impresoras 3D FDM multimaterial
En la actualidad existe una amplia gama de soluciones para impresión 3D multimaterial, que incluyen máquinas de escritorio, sistemas industriales y diversos complementos y actualizaciones. Una de las primeras impresoras multimaterial fue la Fab@Home, lanzada en 2006. Entre otros fabricantes, Prusa, Bambu Lab y Flashforge son conocidos por sus soluciones multimaterial, al igual que Raise3D y UltiMaker. Destacan la Flashforge Creator 4, la Prusa XL con hasta cinco materiales y la E2 de Raise3D.
Las soluciones industriales las ofrecen Modix con la Modix Big-120Z, OMNI3D con Factory 2.0 y Factory 2.0 NET y WASP con la Delta WASP 2040 Industrial X, entre otras. AIM3D también se centra en la tecnología multimaterial a nivel industrial e incluso combina pellets y filamentos en sus sistemas de impresión. Sea cual sea la solución elegida para implementar con éxito la fabricación aditiva multimaterial, es esencial tener en cuenta de antemano las propiedades del material y los parámetros de la impresora 3D.
El AMS de Bambu Lab puede manejar diferentes filamentos para la impresión multicolor o multimaterial. (Créditos: Bambu Lab)
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*Créditos foto de portada: Harvard University
