¿Qué traerá la manufactura aditiva?

En los tiempos concurrentes, la búsqueda de tecnologías alternativas para los procesos de manufactura a nivel industrial, y específicamente en la manufactura a detalle o personalizada, han forzado a los investigadores a romper paradigmas científicos y económicos.

Y es que, si bien es cierto, hablar de innovación tecnológica es sinónimo de altos costos de desarrollo, los beneficios económicos a nivel de producción otorgan altas expectativas para la plusvalía del producto final. Diversos métodos de manufactura por deposición han demostrado la viabilidad de implementar sistemas tecnológicamente robustos para la producción a detalle; la Impresión en tres dimensiones (3D Printing).

Contenido destacado

NPE2024: foco mundial de la innovación en la industria del plástico

Diseño de tornillos ventilados para extrusoras: guía completa

Cómo calcular la fuerza del muelle en moldes de tres placas

La idea de imprimir materiales sólidos en sustitución de tinta tuvo sus inicios en los años ochenta con métodos por curado de resinas: Estereolitografía (SLA) y Sinterizado Selectivo por Laser (SLS), método que solidifica por incidencias UV una resina líquida fotosensible. Llegados los años noventa, la deposición en fundido tomó un lugar importante en el mercado de la impresión en 3D con el método FDM (Fused Deposition Modelling).

Sin embargo, el enfoque que se le dio a la impresión 3D era con fines temporales y de validación dimensional: Rapid Prototyping o Prototipado Rápido, y la consecuente limitación de los materiales utilizados ya que habrían de cumplir con características intrínsecas sui generis.

El enfoque prioritario que se le ha dado a la manufactura aditiva va encaminado al sector de la automoción y el desarrollo de diseños conceptuales asequibles de implementación industrial, pues el proceso de generación de piezas conlleva desde la concepción del diseño hasta la culminación del molde donde se genere la primera pieza por los diversos métodos de transformación, empero, desde este punto hasta la producción en cadena de piezas funcionales han de introducirse métodos secundarios de ajuste de molde.

La factibilidad de hacer tangible una pieza, a priori la fabricación del molde correspondiente, y que ésta sea de la misma materia prima que la pieza final ha sido punto más que importante para el desarrollo de sistemas de manufactura aditiva que permitan la impresión de una mayor variedad de resinas poliméricas.

Tal es el caso del Departamento de Plásticos y Materiales Avanzados (DPyMA) de CIATEQ AC en el Estado de México, donde se ha trabajado por desarrollar materiales compuestos con matrices poliméricas bio-basadas (PLA) como fase primaria y polímeros comodities cristalinos (polipropileno homopolímero isotáctico, i-hPP) o comodities amorfos (Poliestireno, PS) como segunda fase para la fabricación de piezas interiores automotrices de apariencia a través de la impresión 3D.

En referencia con las prestaciones mecánicas y dimensionales de las piezas generadas por manufactura aditiva, hay variables criticas de proceso que han de controlarse. La elevada plasticidad que a los materiales poliméricos per se caracterizan, hacen de la temperatura de impresión, temperatura del soporte y velocidad de impresión, parámetros críticos para alcanzar propiedades mecánicas, físicas y de apariencia óptimas pero ajenas a las generadas por métodos como la inyección de plásticos; factores de empaquetamiento molecular, gradientes de cristalización y tensiones residuales confieren características estructurales anisotrópicas en la impresión 3D.

Por otro lado, dependencias como el sector Salud en el área de implantología dental se han inclinado por procesos alternativos como la manufactura aditiva a tenor de los alcances visualizados para la fabricación de materia prima en procedimientos quirúrgicos; pues las vías actuales para la fabricación de herramental médico requieren de materiales y métodos altamente sofisticados y costosos.

La ingeniería de tejidos y regeneración ósea son un campo de gran alcance para la tecnología de impresión en 3D;  cada pieza ósea está diseñada para cumplir funciones específicas, i.e., han de soportar esfuerzos mecánicos determinados; sin embargo, cuando una de éstas sufre ruptura han de realizarse procedimientos específicos para su regeneración.

En este sentido, los andamios o Scaffolds han sido una vía para soluciones integrales en la regeneración ósea, empero, efectos secundarios como las reacciones a cuerpo extraño han limitado el uso de materiales asequibles en fabricación.

Materiales poliméricos, y en específico, polímeros biocompatibles como el PLA (Poliácido Láctico),  se han usado en los últimos años como matrices transportadoras de matriz extracelular dadas sus características de biodegradabilidad, biocompatibilidad, no toxicidad y afinidad celular. No obstante, presenta inconvenientes en términos mecánicos propios de su microestructura; y es que sus bajas temperaturas de transición térmica, baja deformación antes de la ruptura y elevado módulo elástico lo hacen altamente susceptible al fallo.

En este sentido, su aplicación a través de Scaffolds vía impresión 3D constituye una camino de grandes alcances en términos monetarios y de manufactura considerando la necesidad de generar materiales compuestos base PLA para el óptimo rendimiento al creep: deformación lenta pero constante con el tiempo, en ambientes agresivos como lo es el cuerpo humano con disposición para la fabricación de andamios vía impresión 3D es una ruta actual en la ingeniería de tejidos.

Del mismo modo, el sector odontológico encuentra beneficios en la aplicación de la manufactura aditiva; la impresión en 3D de tejidos biopoliméricos para la promoción de la densidad ósea en encías para la óptima implantación dental.

A pesar de los logros científicos y tecnológicos actuales, la incursión en sectores de alto compromiso (Salud) y motores económicos fehacientes (Automotor), la mayor limitante que aún existe en la impresión 3D es el tema de los materiales; muchos equipos están dispuestos para imprimir una amplia gama de resinas, empero, no permiten procesar materiales compuestos con cargas orgánicas.

Aunque la impresión 3D ya está siendo ampliamente utilizada en la medicina e ingeniería de tejidos, la propuesta de generar moldes para la conformación de termoplásticos con resinas de ingeniería recicladas ha abierto una brecha para reducir los costos y tiempos en la fabricación de moldes.

Así, es menester la suma de esfuerzos de los sectores académicos e industriales de cara a la investigación y desarrollos de nuevos métodos que nos permitan conocer de primera mano la relación intrínseca que existe entre la microestructura y macroestructura de materiales compuestos a través de la Manufactura Aditiva.