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Oct 29, 2023

¡Eso es imposible!

El 26 de septiembre de 1984, el consultor de distribución de películas Ben Camack correctamente

El 26 de septiembre de 1984, el consultor de distribución de películas Ben Camack respondió correctamente a esta pista de Jeopardy de $ 1,000: "Inventor de la imprenta asociado con el libro más valioso del mundo". Lamentablemente, lo arruinó al final después de no poder identificar el único planeta que no lleva el nombre de una figura mitológica griega o romana (la Tierra), aunque se fue a casa con un equipaje nuevo y reluciente, un juego de lavadora/secadora y unos cuantos miles de dólares. del dinero del premio imponible.

La respuesta (o pregunta, recuerde, es "¡Jeopardy!"), por supuesto, es Johannes Gutenberg, quien desarrolló un proceso de producción en masa para una imprenta de tipos móviles a mediados del siglo XV que culminó con la impresión de unas 180 copias de la Sagrada Escritura de 42 líneas, también conocida como la "Biblia de Gutenberg". Y mientras muchos otros contribuirían a su trabajo durante los siglos siguientes, el mundo sería un lugar muy diferente hoy en día si el artesano alemán no hubiera iniciado lo que ahora se conoce como la revolución de la imprenta, un desarrollo que condujo al Renacimiento, las comunicaciones masivas globales. y, en definitiva, la impresión 3D.

Gracias a Jeff DeGrange y sus colegas de Impossible Objects Inc., con sede en Chicago, la creación de Gutenberg actualmente disfruta de otro tipo de renacimiento. El director comercial explicó que la fabricación aditiva basada en compuestos (CBAM) de la empresa funciona de una manera inquietantemente similar a la de una imprenta moderna. "Es de alta velocidad, como se ve en la producción de periódicos, pero utiliza materiales de fibra de carbono y fibra de vidrio en lugar de papel", señaló.

Al igual que con una impresora 2D, el proceso comienza con la aplicación selectiva de tinta a un sustrato. Con CBAM, el primero es un "fluido acuoso de inyección de tinta térmica" que actúa como un adhesivo durante el siguiente paso, que es inundar la superficie con un polvo de Nylon 12 o PEEK (poliéter-éter cetona) de morfología similar a la utilizada en selectivo -sinterizado por láser (SLS), impregnando así el tejido. Luego, un sistema de vacío elimina cualquier exceso de polvo y la hoja se traslada a una estación de apilamiento automatizada, similar a la preparación de un libro para su publicación.

Las similitudes terminan ahí, sin embargo. Una vez que se ha impreso cada rebanada de la imagen 3D, la pila se calienta hasta el punto de fusión del polímero y se comprime, fusionando las capas y uniéndolas firmemente al sustrato de tela. El paso final es colocar el bloque de material consolidado en una cabina de granallado llena de perlas abrasivas suaves. Estos golpean la pieza de trabajo, rompiendo las fibras no fusionadas hasta que la pieza terminada (o piezas, en la mayoría de los casos) emerge suave y lista para trabajar.

El proceso que acabamos de describir es CBAM-2, que Impossible Objects caracteriza como un sistema de bajo volumen. La próxima iteración, CBAM-HS, se basa aún más en el concepto de imprenta al reemplazar las hojas individuales de tela de fibra larga con rollos de material. Esto brinda a los usuarios una mayor flexibilidad en el tamaño de las piezas y la escalabilidad y, debido a que la impresora se alimenta continuamente, es significativamente más rápida que las tecnologías de la competencia. Impossible Objects también está trabajando en combinaciones de materiales adicionales, como vidrio o láminas de fibra de carbono fusionadas con elastómeros y materiales termoestables.

Esta última combinación de materiales ayudará a consolidar la posición de la compañía en la industria electrónica, donde suministra "paletas de soldadura por ola de bajo costo" impresas en 3D y otras herramientas utilizadas para fabricar placas de circuito impreso (PCB).

"Cualquier cosa que contenga un PCB es un área de enfoque clave para nosotros", dijo DeGrange. "Solo piense en toda la electrónica en nuestras vidas. Casi todos ellos requieren un accesorio o herramienta de algún tipo, y muchos están mecanizados por CNC a partir de tableros de fibra PEEK, un material que es bastante resistente para las herramientas de corte. Esta es otra área donde la fabricación aditiva en general, pero particularmente el proceso CBAM, está demostrando ser una alternativa más rentable".

Hay historias de éxito similares sobre componentes para drones y otras aeronaves no tripuladas, porque la fibra de carbono es fuerte y liviana. Cuando se fusiona con polímeros de grado de ingeniería como PEEK y Nylon, luego se imprime en 3D en estructuras de topología optimizada, se convierte en un reemplazo viable para el metal en estos y otros usos exigentes similares.

"También estamos viendo un gran interés en el mercado de vehículos eléctricos", dijo DeGrange. "Los gabinetes de batería hechos de plástico termoestable y fibra de vidrio, por ejemplo, son bastante fuertes, livianos y resistentes al fuego. También existe el potencial para el uso de fibra de carbono en la construcción de celdas de combustible, pero al igual que con otras aplicaciones, todavía estamos en las primeras etapas".

Impossible Objects también tiene la vista puesta en productos comerciales fabricados en el mercado de moldeo por inyección de plástico. "Por supuesto, AM no requiere ninguna inversión en moldes o herramientas", explicó DeGrange, "pero su velocidad de fabricación limitada siempre ha sido un serio detractor, particularmente cuando se mueve hacia volúmenes de producción medios a altos como los que se encuentran en la industria automotriz y de consumo". sectores de productos Anticipo que CBAM-HS competirá bastante bien en estas áreas ".

Con más de 35 años en el campo, DeGrange sabe todo sobre todo lo relacionado con los aditivos. Después de graduarse de la Universidad de Washington en St. Louis con una maestría en ingeniería de fabricación, DeGrange se convirtió en ingeniero senior de materiales y procesos en McDonnell Douglas. Eso fue en 1988, y pasó la década siguiente abordando una variedad de proyectos, desde la fabricación y el ensamblaje de componentes de aeronaves hasta la implementación de sistemas automatizados de manejo y recuperación de materiales en la planta de producción.

Cuando Boeing adquirió McDonnell Douglas en 1997, DeGrange pasó a encabezar los esfuerzos de investigación, tecnología y materiales y procesos de fabricación aditiva de la empresa, donde trabajó durante otros 10 años. También dirigió la certificación y calificación de Boeing del hardware de vuelo construido con diferentes tecnologías AM para los programas de aeronaves F/A-18 Super Hornet y 787.

En 2008, DeGrange aprovechó su amplio conocimiento de AM y el sector aeroespacial para trabajar en Stratasys como vicepresidente para crear una unidad comercial vertical para aplicaciones de producción. Aunque no lo sabía en ese momento, los próximos siete años sentarían las bases para su puesto actual en Impossible Objects, cargo que ocupa desde que se unió a la empresa en 2014.

A pesar de todo, DeGrange ha dado libremente de su tiempo. Ayudó a fundar el Centro de Investigación de Fabricación Directa en la Universidad de Paderborn en Alemania. Ha sido mentor de estudiantes en el Museo de Ciencia e Industria de Chicago y FIRST Robotics, una organización que apoya a los jóvenes interesados ​​en STEM, y es asesor de la junta directiva de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Iowa.

DeGrange también se desempeña en una capacidad similar en la Universidad de Minnesota, donde comparte su conocimiento de AM en el Centro de Dispositivos Médicos Earl E. Bakken.

DeGrange estuvo allí durante los primeros días de AM, cuando la estereolitografía y el modelado por deposición fundida eran las únicas impresoras disponibles. Habiendo trabajado en ambos lados de la valla aditiva, primero como usuario, luego como proveedor, tiene una visión valiosa de lo que enfrenta cada uno. Cuando se le preguntó qué deparan los próximos 10 años para la industria y su empleador actual, DeGrange tenía mucho que decir.

Si bien ciertamente promociona la velocidad de construcción acelerada de CBAM (con mejoras aún más rápidas por venir), sugiere que los fabricantes de impresoras 3D (y sus clientes) también deben pensar en la repetibilidad, la confiabilidad, el tiempo de actividad y el rendimiento de sus equipos.

Otra observación es que el enfoque de "todo el sistema de material cerrado" podría tener su lugar, y que es importante que los proveedores ajusten sus productos para materias primas específicas, pero el usuario final también debe tener un camino para experimentar con otros materiales. "Algunas empresas de impresoras 3D continúan obteniendo muy buenos márgenes en sus consumibles, aunque creo que eso está comenzando a cambiar a medida que la tecnología continúa su crecimiento hacia la fabricación y los clientes esperan una mayor libertad de abastecimiento de materiales".

DeGrange pasó a llamar al elefante en la habitación: procesamiento posterior. Como sabe cualquiera que haya operado una impresora 3D, las piezas no solo salen de estas máquinas terminadas y listas para funcionar. "Ya sea metal, polímeros o compuestos, hay mucho trabajo posterior que debe realizarse antes de llegar a un producto final", agregó. "Hasta que automaticemos estos pasos, la adopción por parte de los fabricantes de alto volumen seguirá siendo mínima".

A pesar de estas consideraciones, DeGrange es optimista sobre el futuro de AM. "Con la llegada de la generación más joven y todas las diferentes herramientas de optimización de diseño que tienen disponibles, creo que AM realmente verá una aceptación y un crecimiento continuos, especialmente si podemos resolver los problemas de automatización que acabo de mencionar. Agregue a eso la impresión 3D velocidad y precisión cada vez mayores, junto con el desarrollo de materiales específicos de AM, y estamos en la cúspide de algo que realmente cambiará las reglas del juego".