Construcción por contornos: Estructuras creadas mediante impresión 3D

En Detalle: Sistema de Impresión 3D / Construcción por contornos         

Cortesía de 3ders

Hace algunas semanas les presentamos un artículo que profundizaba sobre la abundante inserción de la robótica, la optimización digital y las tecnologías CAD/CAM en los procesos de diseño. Asi mismo, les mostramos también cómo en China se levantaron 10 casas en 24 horas a partir de un sistema de Impresión en 3D. Es decir, tanto en la teoría como en la práctica, estos nuevos sistemas, han emprendido un camino que progresivamente pareciera estar cambiando los paradigmas convencionales sobre nuestro modo de entender los procesos de diseño, fabricación y construcción de la Obra de Arquitectura. Es por esto que a continuación, revisamos En Detalle el sistema de impresión 3D, de construcción por contornos, el mismo que recientemente levantó las 10 Casas en China y que hoy se proyecta como uno de los modelos más avanzados en esta materia. ¿Estamos frente a un nuevo paradigma de diseño arquitectónico? Conoce más después del salto.

Cortesía de 3ders

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Todos sabemos que los procesos industriales de construcción implican un amplio gasto energético, y que en la mayoría de los casos, representan un alto grado de impacto al medio ambiente a partir de la emisión de gases contaminantes que se producen en ellos. Por ello, la elección de los materiales en el proceso de diseño, está profundamente vinculada con la efectividad medioambiental de nuestras propuestas Arquitectónicas, ya que al ser conscientes de los efectos que ejercen sus procesos de extracción, fabricación, transporte y montaje, podemos ser capaces de proyectar de manera más eficiente y sustentable.

Cortesía de Contour crafting

Ante este escenario, la Impresión en tres dimensiones, más conocida como Impresión 3D -comúnmente aplicada para construir piezas industriales para autos o figuras de acción- , se ha ido trasladando cada vez más, al campo de la Arquitectura instalando una tecnología de fabricación y montaje, que pretende asegurar la aceleración y optimización en los procesos de construcción de la Obra de Arquitectura, disminuyendo los costos de producción energética y la cantidad de emisiones en la fabricación (3). Todo esto alineado bajo un mismo principio; Diseñar – Programar – Imprimir.
El Sistema: ” Impresión 3D, Construcción por contornos”
El “Contour Crafting” (1) o “Construcción por contornos”, es una tecnología de construcción creada y desarrollada por Behrokh Khoshnevis (2). Esta tecnología de construcción en 3D reduce potencialmente el uso de energía y las emisiones, mediante el uso de un proceso de impresión rápida para la fabricación de piezas estructurales de gran tamaño. La tecnología se compone fundamentalmente a partir de un sistema de brazos robóticos y boquillas de extrusión, dispuesto sobre un pórtico móvil, controlado digitalmente.

Cortesía de 3ders

El sistema corresponde a una tecnología de fabricación por capas, cuyas aplicaciones poseen un gran potencial para la automatización de la construcción de grandes estructuras, como de sus sub-componentes. El mismo Behrokh Khoshnevis, ha sostenido que “utilizando este proceso, una sola casa o un conjunto de ellas, pueden ser construidas de forma automática en un solo plazo, incluyendo para cada unidad, todos los conductos de electricidad, plomería y aire acondicionado.
Cómo funciona
Actualmente existen dos modos de llevar a cabo este sistema.
El primero, es la tecnología de fabricación / construcción en obra, a partir de la instalación de una serie de elementos, maquinarias e infraestructuras digitales in situ. A través del montaje de estos dispositivos, un brazo robótico despliega un mecanismo de extrusión, que se mueve en los tres ejes produciendo cemento húmedo, combinado con un endurecedor y un aglomerante especial.

Cortesía de Contour crafting

El brazo posee una boquilla, que funciona como inyectora de cemento que va formando un espesor continuo de multicapas de 4″ de espesor, manteniendo una determinada viscosidad en la mezcla. La inyección se propaga por toda la estructura, capa por capa, según el diseño Arquitectónico incorporado al programa de control digital. A partir del control digitalizado, el sistema es capaz de formar superficies llanas y precisas para construir la estructura de cada uno de los elementos soportantes. El sistema de muros, se compone en base a una cáscara mixta de cemento y fibra de vidrio, sobre la cual se instalan piezas metálicas cada 45 cm que ayudan rigidizar la estructura. El creador de este sistema, afirma que gracias a esta tecnología, sería posible fabricar la estructura completa de una casa de 185 m2 en menos de 20 horas

Detalle proceso inyección + piezas metálicas. Image Cortesía de USC

* Detalle impresión 3d / Muro con piezas metálicas
El segundo sistema de construcción por contornos es el desarrollado por Ma Yihe, Director de la Compañía WinSun new materials la cual recientemente sorprendió a todos al levantar 10 casas en tan sólo 24 horas. El sistema funciona de manera similar al anterior, sólo que éste es producido en fábrica y posteriormente transportado hacia la obra para ser rápidamente montado. En la fábrica, una mega impresora de 32-metros de largo, 10 metros de ancho y 6,6 metros de altura, imprime cada uno de los componentes estructurales. El Robot, fabricó los elementos de la envolvente (Muros estructurales) a partir del sistema de impresión por capas, compuesto a partir de una cáscara externa y un alma reticulada que otorga rigidez a la estructura.

Detalle proceso inyección alma rígida

* Detalle impresión 3d / muro con alma rígida

Cortesía de 3ders

A pesar de no poseer las mismas características que el sistema de fabricación / construcción in situ, esta tecnología posee mayor efectividad, pues, resulta mucho más realista, proceder bajo un sistema de pre-fabricación de piezas para luego montar en obra- con un mismo proceso de bajo impacto en emisiones y costo energético- , que realizar todas las operaciones en un mismo lugar.

Cortesía de Wall street Journal

Cortesía de 3ders

Sección de una pieza de envolvente imprimida por construcción por contornos.
Ventajas
El éxito de esta tecnología radica en el uso de herramientas automatizadas, antiguamente esgrimidas a mano, que son combinadas con la robótica convencional. Algunas de las ventajas fundamentales del proceso de la Construcción por contornos sobre las tecnologías existentes, son el acabado de las superficies y la velocidad de fabricación, pero se pueden agregar, entre otras, las siguientes:
- Menor cantidad de materiales ( no necesita encofrados o sistemas de moldajes)
- Menor consumo total de energía en todas las fases de construcción
- Menor pérdida de material (no produce desechos)
- Menor transporte de material, equipos y mano de obra.

Sistema de transporte del pórtico móvil

* Diagrama de transporte de la impresora
¿Arquitectura para imprimir?
Frente a la aparición de estas tecnologías, debemos adaptarnos con una mirada crítica y re-formular estos sistemas en torno a las necesidades básicas que urgen a las sociedades contemporáneas. Porque las propiedades ambientales que representa la fabricación de estas piezas en relación a los métodos convencionales y la extrema rapidez de montaje, significan una ventaja que no sólo es beneficiosa al medio ambiente, sino que son una gran oportunidad para re-pensar -por ejemplo-  la Arquitectura de emergencia. Refugios para contextos extremos o soluciones habitacionales mínimas para situaciones de desastres naturales como huracánes, sismos, maremotos, incendios u otros, pueden ser importantes desafíos de diseño para que Arquitectos podamos dar sentido a estos sistemas y las tecnologías robóticas en la Arquitectura se transformen en una verdadera herramienta para alcanzar un diseño más humano y una mejor calidad de vida.

Cortesía de 3ders

Cortesía de 3ders

Cortesía de Contour crafting

Cortesía de Wall street Journal

Cortesía de 3ders

Cortesía de Contour crafting

Cortesía de Contour crafting

Cortesía de 3ders

Cortesía de 3ders

Cortesía de 3ders

Detalle proceso inyección + piezas metálicas. Image Cortesía de USC

Detalle proceso inyección alma rígida

Detalle proceso de inyección

Sistema de transporte del pórtico móvil

(1) Contour Crafting. Robotic construction system(2) Joshua Pearce. “Environmental Life Cycle Analysis of Distributed 3D Printing and Conventional Manufacturing of Polymer Products”
(3) Behrokh Khoshnevis es Director del Centro de Tecnologías de fabricación automatizadas (CRAFT, por sus siglas en inglés) y Director del Programa de Postgrado en Ingeniería de Manufactura de la USC.
* Ilustraciones de detalle de “University Of Southern California: Extrusion of cementitious material with different curing rates”

La tecnología de medición de cinco ejes de Renishaw

Revo: tecnología y aplicaciones

La ventaja que proporciona el sistema de cinco ejes de Renishaw es la minimización de los errores dinámicos causados por la masa de la estructura CMM móvil, permitiendo unas velocidades de exploración significativamente superiores. La tecnología de medición de cinco ejes de Renishaw es, sin duda alguna, el futuro de la exploración y, como tal, Renishaw ha invertido fuertemente en la tecnología requerida para llevar al mercado la revolución de las mediciones.

Tradicionalmente, cuando se utiliza CMM para explorar la superficie empleando una sonda fija o un cabezal de indexación, existe un límite de rendimiento dinámico después del cual el rendimiento metrológico de CMM se vuelve impredecible. El límite dinámico gestiona la velocidad de examinado y, por lo tanto, también la productividad. La exploración CMM tradicional está restringida a aproximadamente 10 mm/seg. en la mayoría de los casos, siempre que se requiera precisión. Es posible examinar más rápido, a velocidades de entre 100 y 150 mm/s.
Cuando se emplea un sistema de medición de cinco ejes, muchos de los errores dinámicos de CMM no deseados se eliminan porque el cabezal de medición realiza la mayor parte del trabajo. Como el cabezal es mucho más ligero y más dinámico que CMM, con una mejor respuesta de frecuencia, es capaz de seguir los cambios de forma rápida en la geometría de piezas sin introducir errores dañinos. Esto permite a CMM llevar a cabo de la mejor forma posible aquello para lo que ha sido diseñado, es decir, desplazarse a una velocidad constante en un único vector mientras se lleva a cabo la medición.

El sistema Revo permite unas velocidades de exploración significativamente superiores a otros sistemas.

Resumen del sistema Revo

El cabezal de medición Revo se caracteriza por la tecnología de cojinete de aire esférico en cada uno de sus dos ejes, cada uno de ellos accionado por los motores sin cepillo del estado del aire vinculados a los codificadores de gran resolución para proporcionar un posicionamiento ultrarrápido de gran precisión.
El sistema dispone de los siguientes elementos:

• Cabezal Revo
• Soportes de sonda de sensor de punta y lápiz RSP2 2D
• Rango de sondas RSP3 3D
• Lápiz y sonda de medición de acabado superficial SFP1
• Controlador CMM universal UCC2-2
• Tarjeta de interfaz Revo PCI (para UCC2-2)
• Amplificador de tensión de servomecanismos SPA2-2
• MCU5

Tecnología de cabezal

El cabezal Revo está fabricado utilizando la tecnología patentada de cojinetes de aire altamente desarrollada para proporcionar una plataforma de metrología ultra rígida. La baja resistencia y la baja fricción permiten grandes aceleraciones y reversos en el sentido. Los cojinetes, uno en cada eje, albergan motores sin cepillo de gran especificación unidos a los codificadores de 0,08 segundos por arco, que se traduce en una capacidad de lectura de posición por debajo de los 0,1 µm en la punta de la sonda de 250 mm.
La rotación infinita se realiza mediante los contactos de los anillos colectores dorados duros ubicados entre los ejes. Se trata de la única pieza de diseño donde las superficies móviles están en contacto. Han sido probadas a 50.000.000 ciclos, en la que la prueba se detiene sin ninguna degradación percibible.
Esto supone una vida útil superior a los 5 años en un ciclo de trabajo típico de antes de ponerlo en marcha. Los anillos colectores se utilizan solo para la alimentación; la comunicación se establece mediante un link capacitivo entre ejes y no está sujeta a degradación.
Los cojinetes neumáticos tienen una rigidez radial de 30 N por micrón, que da lugar a una plataforma de metrología estable capaz de soportar grandes aceleraciones y velocidades de exploración de superficie hasta 500 mm/s. La combinación de estas especificaciones, junto con las características de la sonda y el sistema de servocontrol permite unas mediciones de precisión ultra rápidas, acelerando la medición mediante porcentajes. Así se contribuye a un uso más eficaz de CMM y a un cuello de botella reducido.
Además de una medición de gran velocidad, los sistemas de medición de Renishaw de 5 ejes permiten el reposicionamiento rápido, con el cabezal capaz de desplazarse de manera síncrona con el CMM a la reposición entre características. El movimiento de 5 ejes también permite el acceso a características que previamente han requerido complejas configuraciones del lápiz y un volumen de trabajo de CMM superior, contribuyendo con ambos a disminuir costes y metrología.

Tecnología de la sonda

Para minimizar los efectos dinámicos del movimiento de gran velocidad en el mecanismo de la sonda, el nuevo diseño de sonda utiliza luz láser para detectar de forma precisa la posición exacta de la punta. Un haz de luz láser se emite directamente de su fuente en el cuerpo de la sonda, montado en el cabezal Revo, debajo un lápiz vacío, hasta el reflector en la punta del lápiz.
Al contrario de lo que ocurre con el estilo convencional, que tiene que ser todo lo profundo posible, el lápiz Revo está diseñado para dobladuras, típicamente ~50 μm, en la punta. Refleja la ruta de retorno del haz láser, que se recibe mediante el PSD (detector de posición) montado también en el cuerpo de la sonda.

Funcionamiento del lápiz Revo.

El movimiento del punto láser en el PSD se traduce en una salida de medición combinándolo con la geometría del cabezal y de la sonda y cada una de las salidas escaladas del eje CMM. Por lo tanto, puede modificarse la posición de la punta del lápiz exacta. Esto sucede mientras la punta del lápiz explora de manera dinámica la pieza mientras el cabezal se desplaza de forma síncrona con el CMM.
El rango de la sonda Revo se caracteriza por tres tipos de sensores. El descrito previamente ha sido diseñado para poder medir la mayoría de las características, y tiene capacidad 2D. Además, hay una serie de sondas en 3D basadas en tecnología SP25M, el innovador PH10 de Renishaw montado en la sonda de exploración, y una sonda de medición de acabado de superficies. Las sondas se conocen como RSP2 (sonda de exploración 2D Revo), RSP3-# (sonda de exploración 3D Revo) y SFP1 (sonda de acabado superficial) respectivamente. El RSP2 realizará la mayor parte del trabajo, con RSP3– para las cuales hay un abanico de sondas dependiendo de la longitud de lápiz– sólo necesaria para aplicaciones a manivela o de lápiz de disco. El RSP2 dispone de un cuerpo de sonda individual con soportes de lápiz que varían de longitud, de 175 mm a 500 mm, desde el centro del eje inferior del cabezal, mientras el RSP3 se caracteriza por los soportes de lápiz estándar SP25M.
El cambiador de sonda y lápiz basado en el conocido sistema MRS se puede configurar utilizando puertos individuales para customizar un sistema en función de las necesidades exactas de la aplicación de medición.

Sondas Renishaw.

Tecnología el sistema de control

Los sistemas de medición de 5 ejes de Renishaw están basados en UCC2-2/SPA2-2. El controlador universal CMM UCC2-2 de Renishaw es para la exploración de tres y cinco ejes y dispone de alimentación de procesamiento para hacer funcionar el cabezal y el CMM de forma síncrona. Está acoplado al amplificador de tensión de servomecanismos SPA2-2 que se caracteriza por la capacidad de 5 ejes.

Interacción con el controlador C

La primera razón para la introducción de UCC2-2 es controlar el sistema de cabezal CMM y Revo. Para sincronizar el CMM y los ejes de cabezal, debe utilizarse un único procesador si deben sobrepasarse el tiempo crucial y las tareas de gestión de datos.
Los puntos de datos de recolección del cabezal y la sonda en 4 kH₃, dos veces el porcentaje de procesamiento de UCC. Esto significa que pueden cargarse y analizarse más datos después del procesamiento, en áreas de la pieza que puedan requerirlo, sin tener en cuenta el tiempo CMM, aumentando, por tanto, la productividad. En contexto, a 500 mm/s en un núcleo de 100 mm iguala los puntos de datos ~25.000 por rev. o cada 0,25 mm.
Además de los retos de la gestión de datos, deben resolverse los de la sincronidad. Toda la información sobre la superficie de la pieza proviene de la punta de la sonda. Mientras puede conocerse bien la geometría básica de la característica, debe seguirse la superficie real. Esto requiere un sistema de control de servomecanismos muy responsable que permite mantener el contacto con la superficie a través de los cambios en ambas orientaciones de giro del cabezal, así como el movimiento de CMM.
Todos los sistemas de exploración deben mantener el contacto con la superficie utilizando los ejes CMM, pero el tipo de sonda de exploración empleada para la exploración de los tres ejes son dispositivos de menor frecuencia con un rango mayor que las sondas Revo. Esto permite a la estructura de CMM la oportunidad de servoaccionar para mantener el reflejo de la sonda dentro del rango, esto último significa que la velocidad es mucho inferior.
Revo tiene una respuesta de frecuencia superior que las sondas de exploración tradicionales, pero a lugar a un diseño que reduce el rango de la sonda. En la práctica, no tiene ninguna consecuencia porque el cabezal es capaz de mantener el rango de la sonda mientras el CMM proporciona el movimiento de los ejes X, Y y Z. Por supuesto, la tarea principal es sincronizar diversas entradas y salidas para permitir un movimiento de 5 ejes. Básicamente, las salidas de escala del cabezal y CMM deben combinarse y procesarse de una manera que permite a los accionamientos de ambos el CMM y el cabezal para responder de forma síncrona a la respuesta de la sonda desde la superficie de la pieza. Todo esto se logra en el sistema UCC2-2 y SPA2-2.

Integración con el software de aplicación CMM

La integración Revo tiene lugar mediante la interfaz I++DME. I++DME es una interfaz común entre el software de aplicación en el rango del equipo de medición. Se trata de una conexión basada en cliente/servidor entre el hardware de equipo de medición y el software de aplicación de metrología empleado para la programación.

Integración con la aplicación software

El fabricante CMM o la empresa de software de aplicación debe proporcionar un cliente capaz de comunicarse utilizando el protocolo I++DME. El controlador CMM debe disponer de una aplicación de servidor capaz de comunicarse vía protocolo I++DME. En caso del UCC de Renishaw se proporciona mediante UCCserver.
Una ventaja significativa de este método es que las mejoras de la capacidad de medición de cinco ejes de Renishaw están disponibles para los paquetes de software de aplicación de metrología mediante una retarea individual de UCCserver con compatibilidad retraída mantenida.

Calibración Revo

Un elemento esencial de utilizar cualquier sistema de medición es la calibración. Tradicionalmente, esta calibración debe realizarse para todas las posiciones en un cabezal articulado con cada sonda y combinación de lápiz a utilizar. De forma similar, debe realizarse para los sistemas de exploración de cabezal fijo y los respectivos conjuntos de lápices empleados.
Con Revo, la calibración se emplea de una manera más sofisticada que suele dar lugar a mediciones más frecuentes y calibraciones de menos tiempo. Es importante decir que la calibración establece la geometría del cabezal y de la sonda. Permite derivar todas las posiciones de la calibración, de modo que cualquier posición o combinación de movimiento de eje puede utilizarse de forma precisa para la medición. Se alcanza con las lecturas del codificador y el mapa de errores del codificador asociado y combinándolo con los cálculos geométricos y el resultado de la sonda para computar la posición de la punta exacta en el espacio para todas las posiciones.
Todo esto se realiza aplicando una rutina similar a la prueba ISO10360-4, que dura unos pocos minutos; una vez completado este paso, pueden inferirse todas las posiciones. Todo lo que permanece es necesario para la calibración de la sonda diferente y los soportes del lápiz. Una vez más, se trata de una rutina similar para la calibración de geometría pero ligeramente más corta. Se logra un importante ahorro de tiempo, que se añade a la impresionante lista de beneficios de los resultados y la precisión de la medición.

Aplicaciones Revo

La tecnología de medición de cinco ejes de Renishaw abre las puertas sin duda a una medición superior en CMMs. También creará excitantes oportunidades para desarrollar aplicaciones que cumplan mejor con los requisitos de las tecnologías actuales y de futuro, y métodos de fabricación.

Aplicaciones del sistema Revo.

Resumen de beneficios de sistemas

• Incorpora la tecnología de medición de cinco ejes Renishaw minimizando el movimiento de CMM y los errores dinámicos CMM asociados.
• Velocidad de medición incrementada, hasta 500 mm/s dando lugar a un resultado de medición incrementado.
• Niveles de recolección de datos hasta 4.000 puntos por segundos.
• El posicionamiento infinito y el movimiento de cinco ejes reduce las transiciones no productivas entre características.
• Desgaste mínimo de lápiz debido a fuerzas de de exploración extremadamente bajas.
• Posicionamiento infinito y acceso de ayuda al movimiento de cinco ejes para características difíciles.
• Calibración rápida con todas las posiciones, necesitando más tiempo para la medición.
• Alcance máximo hasta 500 mm con longitud de trabajo eficaz mantenida.
• Capacidad de rotación continua facilitando los retos de programación de piezas.
• Lápices M2 estándares.
• Tecnologías de sonda intercambiables para permitir la medición de acabado superficial en CMM como parte del programa de inspección.

Fabricación aditiva: presente y futuro de los implantes biomédicos

En los últimos tiempos, la industria europea ha visto disminuir su competitividad en la producción masiva de piezas, frente a terceros países que están experimentando un gran desarrollo industrial. Ello se debe fundamentalmente a algunas de las ventajas competitivas de estos países: mano de obra de menor coste, impuestos más bajos y acceso directo a las materias primas. No obstante, Europa sigue estando a la cabeza de los avances tecnológicos, lo cual le permite mantener el liderazgo en relación con el desarrollo de productos personalizados y de alto valor añadido. En particular, uno de los nichos donde las empresas europeas tienen mayor potencial, es el de fabricación de series cortas, de productos personalizados, utilizando tecnologías de fabricación avanzada.

La Fabricación Aditiva (FA), también conocida como Fabricación Rápida o 3D Printing, es precisamente una de esas tecnologías avanzadas que permite realizar ‘diseños complejos y perfectamente adaptados a la funcionalidad del producto’. Surgidas en la década de los noventa, estas tecnologías se utilizaban principalmente para fabricar prototipos visuales de baja calidad y resistencia. En la actualidad, y después de dos décadas de evolución tanto en materiales como en los principios activos del procesado, la FA es capaz de procesar aleaciones metálicas de altas prestaciones, tales como titanio, cromo cobalto, acero, etc. Simultáneamente, la filosofía de fabricación por capas, que permite un diseño libre de limitaciones tecnológicas, ha ido calando en el mundo de los diseñadores industriales e ingenieros, por lo que la FA tiene cada vez mayor aceptación en la industria. El sector de ‘productos biomédicos’ es uno de los que mejor puede aprovechar el valor añadido de la Fabricación Aditiva por varias razones. En primer lugar, fabricar material por capas permite obtener ‘implantes con zonas porosas’, en las que los poros están ‘hechos a medida, con tamaño controlado’ y ‘muy bien conectados’. Algunos estudios, indican que las células óseas crecen muy bien a través de titanio fabricado mediante FA y producen una excelente osteointegración del implante. Los implantes de titanio fabricados mediante esta tecnología combinan un cuerpo sólido con regiones porosas en una sola pieza, lo cual les permite ofrecer altas prestaciones y una elevada osteointegración. En segundo lugar, la mayoría de piezas fabricadas mediante FA suelen requerir un postprocesado mecánico, con el fin de obtener una calidad superficial similar a la que se obtendría mediante mecanizado. Sin embargo, en los implantes médicos esta peculiaridad resulta ventajosa, ya que la rugosidad superficial es un factor positivo, puesto que permite una mejor fijación del implante al elemento óseo. En tercer lugar, la ‘libertad de formas y diseño’ que caracteriza a las piezas fabricadas mediante FA, es esencial, ya que permite producir implantes absolutamente personalizados, a medida del paciente en cuestión. Por último, pero no menos importante, la fusión selectiva de materiales cuando se usa este tipo de tecnologías, suele producirse en atmósfera especial (gas inerte o vacío) lo cual otorga a las piezas una pureza elevada. El caso de estudio mostrado en la Figura 1, realizado conjuntamente por Aimme y el Instituto de Biomecánica de Valencia, ofrece una visión completa de las características previamente descritas.

Figura 1. Vástago de cadera hecho a medida (titanio 6-aluminio 4-vanadio), con zona porosa superficial para mejor osteointegración, encajado en el modelo del paciente hecho en estereolitografía.

Caracterización técnica

Una de las definiciones más completas de Fabricación Aditiva es la que estableció el Comité F42 de la ASTM (American Society for Testing and Materials). Según el ASTM F2792-12a ‘Standard Terminology for Additive Manufacturing Technologies’, la Fabricación Aditiva ha sido definida como “proceso de unión de materiales para crear objetos, a partir de la información contenida en un modelo 3D, usualmente capa por capa, por contraposición a tecnologías de fabricación por sustracción, como es el mecanizado tradicional” (ASTM, 2010).
La fabricación aditiva de un implante se inicia con la segmentación del modelo 3D del mismo en capas muy finas (de 30 a 100 µm, según la tecnología). El fichero que contiene la información del conjunto de capas (con la extensión.SLI, .SLC, .ABF; según la tecnología patentada) es enviado al sistema de fabricación aditiva, que reconstruye capa por capa el modelo físico de la pieza en el material deseado. Dicha reconstrucción consiste en la deposición de una capa fina de polvo metálico y la aplicación de una fuente de energía (generalmente haz de láser o haz de electrones) sobre ella. La deposición de la primera capa se realiza sobre una placa de fabricación y luego capa sobre capa. El material no alcanzado por el haz queda intacto y se puede reciclar para la fabricación siguiente. El resultado de la fabricación es una pieza física idéntica al modelo 3D del implante. Si es necesario, la pieza se puede someter a postprocesado mecánico (mecanizado de superficies de ensamblaje, pulido, etc.) y térmico (homogeneización, HIP, etc.).

Figura 2. Etapas que componen la Fabricación Aditiva.

El flujo de trabajo en la fabricación de implantes mediante FA consiste en: diseño del implante o en su caso reconstrucción según imágenes CT, preprocesado virtual (creación del archivo capeado), fabricación directa digital del implante, postprocesado mecánico y térmico (si resulta necesario), postprocesado sanitario (esterilización, envasado, etc.) e implantación quirúrgica como paso final.

Figura 3. Flujo de trabajo en la fabricación de implantes personalizados usando tecnologías de FA.

Aun siendo un flujo de trabajo similar al seguido por tecnologías convencionales (forja, el mecanizado, etc.), la fabricación de implantes mediante FA tiene importantes ventajas en la producción de los implantes customizados:

1. Reducción del tiempo de entrega, debido a alta productividad y fabricación directa del modelo electrónico;
2. Alta capacidad de customización con flexibilidad de diseño total, incluyendo zonas porosas hechas a medida, canales internos, etc;
3. Ahorro sustancial en material, debido al reciclado completo del material no procesado;
4. Ausencia de utillajes y moldes, debido a la fabricación directa del producto;
5. Prestaciones mecánicas idénticas al material colado o forjado, debido a una fusión local completa de polvo.

Al mismo tiempo, la FA tiene una característica singular muy valorada en la fabricación de productos personalizados de todo tipo. La cámara de fabricación tiene un volumen de tamaño medio de 250x 250x 250 mm. Como regla general, todos los modelos que pueden caber en el volumen de la cámara de fabricación, son fabricados a la vez, puesto que la máquina no interpreta modelos sino las capas albergadas en el archivo capeado. Por tanto, a diferencia de otros procesos de fabricación, donde cada implante personalizado es fabricado individualmente, mediante la FA se pueden fabricar al mismo tiempo múltiples implantes, completamente distintos y personalizados según el paciente concreto. En la Figura 4 se muestra una fabricación conjunta de 21 placas de osteosíntesis de fisionomía diferente. Poder fabricar a la vez implantes completamente personalizados reduce costes de fabricación de manera muy significativa y mejora la competitividad del precio ofertado.

Figura 4. Un ejemplo de fabricación conjunta de diferentes implantes personalizados en una misma fabricación (cortesía de Surgival).

Así pues, resulta evidente que la Fabricación Aditiva es una opción muy competitiva a la hora de fabricar series relativamente cortas de implantes, con elevado valor añadido y alto nivel de personalización. Sin embargo, no hay que olvidar que con este tipo de tecnologías no se pretende sustituir las tecnologías convencionales, puesto que la FA no puede competir en la fabricación de series grandes de implantes estandarizados en tallas. Sin embargo, el desarrollo de nuevos materiales, la mejora tecnológica, el incremento de productividad y el abaratamiento de equipos en torno a la Fabricación Aditiva, son realidades que se van observando año tras año, por lo que parece lógico considerar que estas tecnologías pueden representar el futuro, no solo de la producción de implantes médicos, sino de otros muchos productos sanitarios.