Nuevas máquinas AM, nichos de relleno de materiales

Dec 02, 2023

Los fabricantes de nuevas máquinas y materiales para la fabricación aditiva están promocionando sus productos para los nichos que llenan, por ejemplo, la fabricación de herramientas y la producción en talleres mecánicos. También están hablando de sostenibilidad.

De hecho, la subsidiaria de Desktop Metal, Forust, tiene un nuevo proceso de impresión 3D llamado Forust que esencialmente vuelve a unir árboles con pegamento. El proceso utiliza inyección de aglomerante y dos subproductos de la industria maderera, aserrín y lignina. Se recupera parte del aserrín que sobra de la fabricación de papel, la construcción de viviendas y muebles. El resto se incinera o se deposita en vertederos, según el sitio web de Forust.

"Cuando vimos esto, dijimos: 'Podemos tomar esta materia prima básicamente gratuita y, si podemos descubrir cómo volver a pegarla en un producto terminado, podemos reconstruir árboles'", dijo Jonah Myerberg, CTO, Desktop Metal, Burlington. , Mass. "Podemos tomar la madera de estos procesos y pegarla para formar piezas de madera que normalmente se cortarían de los árboles".

AM con Forust es similar a la impresión 3D con arena, dijo. No solo es posible imprimir el aserrín con una veta de madera de aspecto natural, sino que al perforar un agujero en una parte, la veta se ve en el vacío.

"Es la punta de lanza de un proyecto más grande para nosotros, que es el reciclaje de materiales", dijo Myerberg. "¿Cómo reutilizamos los materiales en lugar de usar materias primas frescas? Esa es una gran misión nuestra para los próximos 20 años".

Otra novedad de Desktop Metal es un sistema de inyección de aglutinante de metal diseñado para talleres mecánicos, el Shop System.

Lo nuevo de otros fabricantes son las resinas para diseñar sus propias formulaciones de cerámica, un nuevo material para usar en las impresoras de cerámica de una empresa, un fabricante de máquinas AM industriales que ofrece su primer modelo de escritorio y una combinación de impresora-CNC que crea sus propias trayectorias.

Mantle Inc., de San Francisco, decidió incluir la creación automática de trayectorias de herramientas en el software de su máquina híbrida AM-CNC. Esto se debió a la falta de maquinistas calificados y al tiempo y dinero que los clientes invierten en la creación de estrategias paso a paso para que estas máquinas hagan su trabajo.

"Creemos que es algo que es una parte realmente importante del valor que se entrega en nuestra solución", dijo Paul DiLaura, director comercial de Mantle.

Nilesh Dixit, director de software de Mantle, dirigió anteriormente el equipo que creó aplicaciones en el software de Internet de las cosas Predix en GE Digital.

El software de Mantle para su impresora cumple una doble función, ya que tiene que crear trayectorias de herramientas no solo para la pasta fluida a base de metal que se extruye de la boquilla de impresión; también tiene que averiguar la ruta correcta para el fresado que se realiza dentro de la caja de impresión a medida que se construye una pieza.

La forma en que funciona es que uno o más cortes de una pieza se imprimen en capas de aproximadamente 100 µm en la placa de construcción, luego se calientan y se secan, lo que elimina casi todo el solvente líquido de la pasta. Las partículas de metal en la pasta posteriormente se juntan, "y son bastante densas en ese punto", dijo DiLaura. "Son lo suficientemente firmes como para mantener la forma de lo que se ha impreso, pero lo suficientemente suaves como para que se puedan mecanizar muy fácilmente". Al final de los procesos de impresión y mecanizado, la pieza se coloca en un horno de sinterización donde se encoge entre un 8 y un 10 por ciento (las piezas de metal impresas por otros procesos 3D pueden encogerse más, entre un 17 y un 25 por ciento, dijo DiLaura).

El proceso, que Mantle llama "TrueShape", permite al usuario cortar canales de enfriamiento conformados y características muy profundas, dijo.

"El fresado es lo que nos permite lograr la precisión necesaria para el mecanizado", que es el nicho de mercado de $45 mil millones que Mantle espera llenar con su máquina, dijo DiLaura.

"Hemos tomado la decisión de centrarnos exclusivamente, al principio, totalmente en componentes de herramientas", dijo DiLaura. "Estos son principalmente insertos, cavidades y núcleos para moldes y matrices. Diría que la mayoría de lo que trabajamos son herramientas, cavidades y núcleos de moldes de inyección. Eso es lo que les interesa a la mayoría de nuestros clientes, pero también hemos hecho trabaje con fundición a presión, conformado de metales, estampado, realmente cualquier cosa en la que nuestro material de acero para herramientas sea relevante".

La startup también decidió hacer que su máquina fuera fácil de usar para casi cualquier persona en lo que DiLaura describió como una operación de "no intervención".

"Tuvimos al propietario de un fabricante de herramientas en nuestra oficina el otro día y vio esta parte en particular que habíamos impreso y dijo: 'Me tomaría un año capacitar a alguien sobre cómo hacer esto', y estaba un poco sorprendido lejos por el hecho de que realmente no requiere ningún entrenamiento con nuestro sistema", dijo DiLaura.

Mantle ofrece dos materiales: P2X actúa como acero para herramientas P20, pero con una resistencia mejorada a la corrosión y la abrasión; y H13, que actúa como acero para herramientas estándar H13 y normalmente se puede endurecer a 50-52 Rockwell C.

Mientras Mantle ofrece su primera máquina, el productor de impresoras industriales y dentales Nexa3D ha presentado su primer modelo de escritorio, XiP (pronunciado "zip"). "Casi estamos trabajando en este problema al revés", dijo Michael Currie, vicepresidente y gerente general de Unidad de negocio de escritorio de Nexa3D. "Tenemos una máquina industrial que sabemos que puede fabricar muchas piezas de producción... pero ¿cómo se llega a ese estado final? Tenemos que diseñar una pieza".

Debido a que Nexa3D no quería imponer un nuevo proceso y diferentes materiales a sus clientes que desean diseñar una pieza en el escritorio, el proceso de fotocurado de la subcapa lubricante (LSPc) de XiP es similar al de las impresoras industriales de la empresa. Debido a esto, los equipos de diseño e investigación y desarrollo pueden "seguir avanzando a gran velocidad", dijo Currie.

La tecnología de Nexa3D, XiP, entra en la categoría de polimerización en cuba, también conocida como estereolitografía. Dentro de la máquina, una fuente de luz brilla desde abajo sobre una tina de resina líquida de fotopolímero. La fuente de luz pasa por un sistema de lentes para formar un plano uniforme de luz que baña una pantalla LCD, que actúa como una máscara para la luz en la forma de una capa parcial particular. Después de curar la capa, se separa, o se "pela", de la superficie de la membrana de la tina y se agrega una nueva capa hasta que se completa la pieza.

"LSPc es una tecnología de película avanzada que permite que nuestras piezas se liberen de la membrana de la tina muy fácilmente", dijo Currie. "Esto pone menos fuerza en la pieza".

La fuerza utilizada para quitar la película de una pieza puede alterar la pieza de trabajo, lo que puede provocar fallas en la impresión. Tener una tecnología de membrana más avanzada como la de Nexa3D permite al usuario imprimir con mayor precisión y mayor confiabilidad porque las piezas permanecen en su lugar, lo que permite una impresión más rápida, explicó.

"Si puede despegarse con menos fuerza, puede volver a la siguiente capa mucho más rápido", dijo Currie.

Debido al proceso de construcción invertido de Nexa3D, la cantidad de resina en un depósito solo tiene que ser tan gruesa como una capa, lo que podría ser una gran ayuda para conservar la resina líquida.

El proceso en la envolvente de construcción de XiP ocurre a temperatura ambiente, donde se colocan capas de 50, 100 o 200 µm.

Además de hacer iteraciones de prototipos durante la fase de diseño, en un entorno industrial, el XiP es bueno para gabinetes electrónicos, plantillas, herramientas y accesorios. A los consultorios y laboratorios dentales les puede gustar para hacer bandejas para blanquear los dientes, férulas bucales y modelos para la planificación de implantes quirúrgicos.

El fabricante de materiales cerámicos e impresoras 3D Tethon 3D, Omaha, Neb., recibió una patente en septiembre de 2021 para su línea de resinas Genesis. La línea Genesis se utiliza como matriz compuesta para crear productos cerámicos mediante métodos de fabricación aditiva estereolitográfica, CLIP, LCD y DLP.

El material de matriz líquida no se imprime en 3D por sí solo, sino que proporciona un punto de partida para el desarrollo de la investigación de resinas de fotopolímeros. Necesita un polvo sólido agregado para acumular suficiente espesor para imprimir. La resina Genesis cargada cura a 365–405 µm.

Las formulaciones que incorporan alúmina, zirconia, sílice, carburo de silicio e hidroxiapatita con la matriz Genesis se utilizan en las industrias aeroespacial, automotriz, de fundición de metales, dental, electrónica y biomédica.

La matriz Genesis se puede quemar de una pieza terminada en un horno con poco o nada de aglutinante sobrante. Las resinas están disponibles en formulaciones estándar, flexibles y de alta carga.

Tethon también vende una variedad de polvos que se pueden mezclar con sus resinas; las cantidades se pueden ajustar para variar la concentración. Otra línea de polvos de Tethon es para uso en inyección de aglutinante. Los científicos de materiales de la compañía también pueden formular materiales personalizados para cualquier aplicación.

"Descubrimos que a la gente le gusta usar sus polvos tradicionales", dijo Trent Allen, director ejecutivo de Tethon.

Genesis y otras resinas Tethon 3D se utilizan generalmente en instituciones de investigación y laboratorios corporativos de I+D, dijo.

En agosto, XJet Ltd., Rehovot, Israel, puso a disposición alúmina para sus impresoras 3D de cerámica. También ofrece zirconio para impresión cerámica y acero inoxidable para sus impresoras 3D de metal.

La empresa eligió la alúmina (óxido de aluminio) como tercer material porque es una cerámica técnica muy utilizada debido a su altísima resistencia mecánica, alta dureza y muy buenas propiedades de aislamiento eléctrico. La alúmina también tiene alta resistencia al desgaste, alta conductividad térmica y resistencia a altas temperaturas. Tanto la alúmina como la zirconia son cerámicas técnicas con muy buena resistencia a los productos químicos, por lo que no son corrosivas. Su dureza hace que estos materiales sean difíciles de mecanizar con métodos tradicionales, especialmente después de haber sido sinterizados.

"Las piezas de alúmina que se fabrican en sistemas XJet con tecnología XJet son prácticamente idénticas a las piezas de alúmina que se habrían creado con moldeo por inyección de cerámica, por ejemplo, y, por lo tanto, se pueden mecanizar de la misma manera", dijo Dror Danai, director comercial de XJet. . "Sin embargo, no existe una necesidad real de mecanizar una pieza de este tipo: la pieza se puede diseñar según el requisito final. Con los sistemas XJet, todo se trata de los detalles, lo que significa que puede fabricar con precisión geometrías complejas, detalles finos, estructuras intrínsecas, superficies lisas, canales internos, etc., por lo que una vez que la pieza ha sido impresa y sinterizada, está lista, y simplemente no hay necesidad de mecanizarla más".

La alúmina es ideal para aisladores eléctricos, boquillas y válvulas, herramientas de mecanizado y corte, impulsores y más. Se utiliza en las industrias de dispositivos médicos, electrónica de consumo y aeroespacial.

"Estamos fabricando algunas partes de nuestro propio sistema de fabricación aditiva: el XJet Carmel 1400C", dijo Danai. "Una de estas partes es una guía/carcasa para el cableado eléctrico, y la alúmina proporciona el aislamiento eléctrico necesario para esa parte".

Desktop Metal ha creado un sistema de impresión 3D llamado Shop System que está diseñado para talleres mecánicos que realizan una producción de escala media.

"Cuando hablamos de producción a mediana escala, es realmente el siguiente paso por encima de la creación de prototipos", dijo el CTO Myerberg. "Y significa esencialmente hacer una producción de piezas de cualquier tamaño o escala".

El sitio web de la compañía promueve los "costos de materiales asequibles" de los polvos metálicos patentados de Desktop Metal que se utilizan en Shop System y sus otras impresoras de inyección de aglomerante.

Los procesos basados ​​en láser requieren que dos cosas importantes sean ciertas sobre el polvo que usan, explicó Myerberg.

Primero, el polvo tiene que ser uniforme: el metal en el polvo tiene que ser esférico y las esferas tienen que ser del mismo tamaño. Eso es necesario para que la impresora use su energía láser de manera adecuada y consistente para derretir el polvo a la misma profundidad cada vez que forma una pieza.

Sin embargo, la producción del polvo crea esferas de diferentes tamaños de forma aleatoria. En un gráfico, mapear los tamaños crearía una curva de campana. El polvo necesario para la impresión láser debe tener un tamaño muy específico, por lo que los productores de polvo toman solo una porción muy pequeña del lote de polvo y el resto del material se usa para otra cosa.

"Así que ese corte de primera, al igual que obtienes un corte de carne de primera, es muy caro", dijo Myerberg.

En segundo lugar está su química. Cuando el láser derrite el polvo para hacer una pieza, tiene que estar tan limpio que no atrape ningún químico que no sea deseado en la pieza final.

"Las partículas deben tener el mismo tamaño dentro de una distribución estrecha y deben estar perfectamente limpias, lo que las hace muy costosas de producir", dijo Myerberg.

La inyección de aglomerante es diferente. Toma partículas de cualquier tamaño. De hecho, los tamaños variados de las partículas de metal mejoran el proceso porque pueden empaquetarse más estrechamente que las esferas de tamaño idéntico. Además, no importa qué tipo de contaminantes de la superficie pueda haber en el polvo porque la parte impresa va a un horno de sinterización y la alta temperatura permite que se quemen por completo. El proceso de sinterización también elimina cualquier porosidad en el metal.

El CTO también explicó el proceso de puesta a punto de las máquinas de Desktop Metal.

"Le damos al usuario todo tipo de controles para sintonizar su proceso... porque la parte de cada uno es diferente", dijo.

Por ejemplo, el usuario puede desactivar el sangrado parcial. A medida que la gota esférica de aglutinante penetra en la superficie del lecho de polvo, se esparce y puede sangrar por los bordes. Para piezas con características muy finas, un borde puede sangrar en un borde vecino, lo cual es un resultado indeseable. Si eso sucede, el usuario puede crear un poco más de espacio alrededor de los bordes. En secciones gruesas, puede disminuir la cantidad de pegamento aglutinante que se rocía.

"Este proceso debe ser geométricamente agnóstico", dijo Myerberg. "Cualquiera debería poder poner cualquier imagen o cualquier parte en la impresora y sacarla. No podemos probar cada parte que alguien quiera, solo podemos dar pautas, reglas y perillas para girar. Así que decimos, 'Oye , si desea funciones realmente finas, podemos darle control de sangrado para que esas funciones no se mezclen entre sí [sino que] se mantengan separadas.' Y el control de sangrado es solo una de las muchas perillas que damos a los usuarios para que las giren".

Una estación de eliminación de polvo separada de Desktop Metal es para excavar partes del depósito de polvo y mantener limpio el material metálico. Una vez excavadas las piezas inyectadas con aglomerante, se pueden tratar como cualquier otra pieza metálica.

"Después de sinterizar la pieza, si la seccionas transversalmente y observas la estructura del grano, ni siquiera sabrás que, para empezar, era una pieza en polvo", dijo Myerberg. "Parece una pieza fundida. Los metales, las estructuras granulares y la química que estamos produciendo con la inyección de aglutinante son como cualquier otro metal de esa química. Se pueden tratar térmicamente y sus propiedades se pueden cambiar como se produce tradicionalmente. partes.

"Puede pulir, mecanizar, granallar o granallar y acabar las piezas inyectadas con aglutinante. Todos estos son excelentes métodos de posprocesamiento que se han desarrollado durante los últimos cien años y todos son aplicables a las piezas inyectadas con aglutinante. Este es el La belleza de poner un proceso de inyección de aglutinante dentro de un taller de máquinas justo al lado de las herramientas de corte. La inyección de aglutinante no produce la precisión o el acabado superficial que puede obtener de una máquina CNC. Las superficies planas, los orificios cilíndricos y las roscas deben cortarse para obtener la precisión necesaria".

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