Fabricación Digital: Definición y Herramientas

La fabricación digital es un proceso de fabricación en el que los datos de un diseño digital (diseño CAD) se transfieren a herramientas de fabricación asistida por ordenador, las cuales dirigen el proceso de fabricación del prototipo sin necesidad de interacción humana. Las principales herramientas de fabricación digital son:

• Herramientas de fabricación aditiva: El material se añade capa a capa de forma sucesiva hasta crear piezas tridimensionales. Las más conocidas son las impresoras 3D.
• Herramientas de fabricación sustractiva: Se parte de un bloque o una barra de un material determinado, al que se le va retirando el exceso hasta dejar la forma deseada. Las máquinas de este tipo se denominan «Máquinas de control numérico (CNC)». Las más utilizadas son las fresadoras, los tornos y las cortadoras láser.

La Impresora 3D: Componentes y Funcionamiento

Una impresora 3D es una máquina capaz de imprimir figuras con volumen a partir de un diseño hecho por ordenador. La primera impresora 3D surgió hace más de 30 años, con el nacimiento de la estereolitografía, una técnica que permite crear un objeto 3D a partir de datos digitales. En 2005, se creó una impresora 3D de código abierto capaz de imprimir sus propios componentes. Gracias a ella, las impresoras 3D comenzaron a llegar al campo educativo y al doméstico, impulsado también por el abaratamiento de sus costes de producción.

Partes Principales de una Impresora 3D

• Extrusor: Es la pieza encargada de tomar el filamento de la bobina y depositarlo en la base de impresión en la cantidad precisa.
• Electrónica: Controla todos los procesos en la impresora.
• Mecánica: Está formada por los motores y mecanismos que mueven el material y lo depositan en el lugar seleccionado.

Materiales de Impresión 3D: Plásticos y sus Propiedades

Los plásticos más usados en la impresión 3D son el ABS, para usos industriales, y el PLA, para uso doméstico.

Tipos de Plásticos para Impresión 3D

• ABS (acrilonitrilo butadieno estireno): Plástico muy tenaz, duro y rígido. Aguanta altas temperaturas y es fácil pintar sobre él. Es muy resistente y presenta una cierta flexibilidad. Para poder usarlo en la impresión, debe calentarse a una temperatura entre 230 y 260 ºC.
• PLA (poliácido láctico): Creado a partir de materiales naturales como el almidón de maíz o la caña de azúcar. Es biodegradable y su uso en impresión no emite ningún tipo de gas tóxico. Resiste muy bien a la humedad y es estable a la radiación ultravioleta (no se decolora).
• LayBrick: Es un filamento para impresoras 3D formado por una mezcla de materiales plásticos y yeso. A partir de él, se obtienen piezas con aspecto de piedra arenisca.
• Laywoo-D3: Es un filamento para impresión 3D formado por un polímero y un 40% de polvo de madera. A partir de él, se obtienen piezas con un terminado parecido a la madera.
• Filaflex: Es un filamento elástico con una base de poliuretano y otros aditivos que le confieren gran elasticidad.

Proceso de Impresión 3D: Diseño, Laminado e Impresión

El proceso de impresión en 3 dimensiones consta de tres etapas diferenciadas:

1. Diseño: En primer lugar, hay que diseñar la pieza que queremos imprimir. Para ello, podemos usar programas como Blender, Tinkercad, AutoCAD, etc. Guardamos el archivo en formato STL.
2. Laminado: Los programas de laminado traducen el fichero STL a formato GCODE, que es el que entiende la impresora. Estos programas se ocupan de determinar las capas de plástico necesarias para conformar la pieza diseñada y el orden en que se van a suceder. Cura y Slicer son dos de los programas de laminación más usados a nivel mundial.
3. Impresión: El archivo GCODE que se genera en el proceso de laminación se copia a una tarjeta de memoria y se introduce en la impresora 3D, o bien se conecta por cable al ordenador.

El Dilema de los Plásticos: Ventajas, Inconvenientes y la Regla de las 3R

Ventajas de los Plásticos

En el sector de la vivienda, los materiales plásticos han mejorado los aislamientos térmicos. En el sector del transporte, contribuyen a que los coches sean más ligeros y consuman menos combustible. En el sector de la alimentación, protegen los alimentos y evitan el desperdicio. En el sector de los electrodomésticos, su uso ha aumentado la eficiencia energética.

Inconvenientes de los Plásticos

El principal inconveniente es su durabilidad. Al no ser biodegradables, necesitan muchos años y radiación ultravioleta para descomponerse. Esto provoca la acumulación de plásticos en playas y mares, contaminando las aguas y afectando a la flora y fauna marina.

La Regla de las 3R

• Reducir: Evitar el uso de plásticos de usar y tirar, optando por alternativas sostenibles como botellas de cristal y envoltorios de cartón.
• Reutilizar: Dar una segunda vida a los plásticos, convirtiéndolos en objetos útiles. Por ejemplo, una botella de agua puede servir como macetero.
• Reciclar: El reciclado del plástico se lleva a cabo en plantas especializadas a partir de los materiales plásticos depositados en los contenedores amarillos. En estas plantas, se agrupan según su procedencia y se trituran para obtener «granza», que luego se mezcla con aditivos y colorantes para crear nuevas piezas de plástico.

Clasificación y Tipos de Plásticos

Denominamos plásticos a una serie de materiales con una estructura similar, moldeables bajo condiciones de presión y temperatura adecuadas, y que mantienen su forma al cesar estas condiciones. La mayoría de los plásticos son sintéticos, aunque también los hay de origen natural.

• Plásticos Sintéticos: Se obtienen a partir del petróleo y sus derivados.
• Plásticos Naturales: Se obtienen de materias primas naturales, como el látex, el almidón y la celulosa.

A la cadena formada por la unión de monómeros se la denomina polímero. Los plásticos se clasifican en:

• Termoestables: Plásticos formados por cadenas de polímeros entrecruzadas con fuertes enlaces.
• Termoplásticos: Plásticos formados por cadenas lineales de polímeros con enlaces débiles.
• Elastómeros: Plásticos formados por cadenas de polímeros enrolladas.

Plásticos Termoestables

En los plásticos termoestables, las cadenas de polímeros están entrelazadas formando redes. Pueden ser moldeados mediante calor, pero una vez conformados, no pueden volver a fundirse. Si se exponen a temperaturas elevadas, se degradan. Algunos ejemplos:

• Melamina: Resistente a altas temperaturas y productos químicos, fácil de limpiar. Se usa en recubrimientos de tableros, muebles y útiles de cocina.
• Baquelita: Plástico duro y frágil, de color oscuro, resistente al calor (aunque a altas temperaturas se carboniza). Se utiliza en mangos de útiles de cocina, accesorios eléctricos y enchufes.
• Resinas de poliéster: Rígidas y frágiles, reforzadas con fibra de vidrio para mayor resistencia. Se utilizan en carrocerías de coches y piscinas de jardín.

Plásticos Termoplásticos

Los materiales termoplásticos se ablandan con el calor, se pueden moldear y volver a fundir repetidamente debido a la débil unión de sus polímeros.

• Teflón: Material antiadherente, resistente a productos químicos, impermeable y buen aislante térmico y eléctrico.
• Fibras Textiles Sintéticas: Más resistentes que las fibras naturales (algodón, lana, seda). Incluyen:
  • Nailon: Termoplástico de la familia de las poliamidas, fuerte y flexible. Usado en medias, cazadoras, airbags y tela de paracaídas.
  • Poliéster: Termoestable, usado solo o combinado. Absorbe poca agua y se seca rápido. Se usa en prendas de vestir, bolsas de viaje y telas impermeables.
  • Elastano (Lycra): Elastómero de la familia de los poliuretanos. Combinado con otras fibras, se usa en medias, corsetería, bañadores y prendas ajustadas.
  • Kevlar: Poliamida sintética ligera y resistente a la rotura. Su resistencia a la tracción es superior a la del acero. Se usa en chaquetas, cuerdas, hilo de coser, guantes anticorte y chalecos antibalas.

Otros termoplásticos comunes y sus usos:

1. PET (polietileno tereftalato): Totalmente reciclable, ligero, resistente y transparente. Apto para alimentos. Usado en botellas de agua y bebidas.
2. HDPE (polietileno de alta densidad): Opaco, poco flexible y resistente a químicos. No tóxico. Usado en botellas de leche, bolsas, tuberías y recipientes.
3. PVC (policloruro de vinilo): Resistente a la abrasión e impactos. Usado en tuberías, aislamientos de cables y perfiles de puertas y ventanas.
4. LDPE (polietileno de baja densidad): Suave, flexible y fácil de rayar. Usado en bolsas y film de envasado.
5. PP (polipropileno): Fácilmente moldeable y coloreable, resistente a disolventes y fracturas. Usado en juguetes, carpetas, embalajes, material sanitario y enseres domésticos.
6. PS (poliestireno): Ligero y frágil. Usado en envases de lácteos, papelería y juguetes. El poliestireno expandido (porexpán) se usa en embalajes, envases alimentarios y aislamientos.
7. Otros: Mezclas de resinas como nailon, policarbonato o ABS.

Los materiales plásticos de los grupos 1, 2, 4 y 5 son fácilmente reciclables. Los del grupo 3 y 6 son reciclables en plantas especializadas. Los del grupo 7 son difíciles o imposibles de reciclar.

Elastómeros

Los elastómeros son materiales muy flexibles, que recuperan su forma tras ser deformados. Se degradan con el calor y no pueden volver a fundirse. Ejemplos:

• Caucho: Natural (látex) o sintético. Elástico. Usado en neumáticos, gomas elásticas y suelas de zapato.
• Neopreno: Flexible, aislante e impermeable. Usado en trajes de inmersión, aparatos ortopédicos, aislamiento térmico y correas de transmisión.
• Siliconas: Flexibles, suaves y resistentes. Usadas en sellado de juntas, aislamientos eléctricos y prótesis médicas.

Técnicas de Fabricación con Materiales Plásticos

Los procesos de conformado de materiales plásticos son cada vez más eficientes. Los más comunes son:

• Extrusión: Para materiales termoplásticos, obteniendo productos largos (tubos, perfiles). El plástico se vierte en una tolva, cae sobre un tornillo sinfín giratorio, se funde en un tubo caliente y sale con la forma de la boquilla. Luego se refrigera.
• Moldeo por inyección: El plástico fundido se inyecta en un molde frío, donde solidifica. Se usa para carcasas, juguetes, cubos, etc.
• Moldeo por compresión: Para plásticos termoestables. El plástico se coloca entre un molde y un contramolde. Por presión y calor, se funde y adquiere la forma. Se usa para piezas pequeñas como clavijas.
• Soplado: Se parte de un tubo extruido, se insufla aire hasta que se dilata y toma la forma de un molde. Para botellas, juguetes y objetos huecos.
• Conformado al vacío: Láminas termoplásticas se calientan y se depositan sobre un molde. Se hace el vacío para que adopten la forma. Para envases de yogur, hueveras, etc.