Binder Jetting vs Material Jetting, ¿qué tecnología utilizar?
Si bien en la actualidad existen muchos procesos de fabricación aditiva, algunos son similares en ciertos aspectos. Desde los materiales utilizados, la fuente de calor, el cabezal de impresión, y muchos puntos más. Pongamos de ejemplo las tecnologías Material Jetting y Binder Jetting, que consisten en la inyección de materia en chorro sobre un área de impresión. Sin embargo, estas dos técnicas no son del todo iguales y de hecho son dos ramas distintas en la familia de tecnologías de fabricación aditiva. La inyección de material (Material Jetting) deposita gotas de resina fotosensible que luego se endurecen con luz ultravioleta. Por otro lado, la inyección aglutinante (Binder Jetting) proyecta un agente aglutinante sobre el lecho de polvo, que permite unir las partículas del material en polvo. Hemos querido comparar estas dos tecnologías para comprender mejor sus especificidades, sus similitudes y diferencias, y conocer cuál es la más adecuada para cada aplicación en particular.
Antes de entrar de lleno en el asunto, veamos el contexto de desarrollo de estas dos tecnologías. El proceso Material Jetting (MJ) fue patentado en 1999 por el fabricante Objet Ltd. Tras ser adquirida por Stratasys en 2012, la empresa denominó la tecnología como PolyJet, término con el que seguro que estás familiarizado. En cuanto al Binder Jetting (BJ), encontramos el primer trabajo de desarrollo iniciado por el MIT en 1993, que fue rápidamente asumido por Z Corporation, adquirida a su vez por 3D Systems en 2012. Para la parte de Metal Binder Jetting, es el fabricante ExOne quien desarrolló una primera máquina lanzada en 1996.
Proceso de fabricación
¿Cómo funciona la inyección de material o Material Jetting?
El proceso de inyección de material se basa en el mismo principio que el de la impresión en 2D. Varios cabezales de impresión depositan gotas de material en una placa de impresión, como una impresora 2D que aplica la tinta en la hoja de papel. En este caso, el material utilizado es una resina fotosensible que se endurece por el paso de luz ultravioleta sobre la bandeja. El material se deposita en una sola pasada y, tras esto, la bandeja de impresión desciende para comenzar el proceso de nuevo.
El uso de varios cabezales de impresión permite combinar distintos tipos de fotopolímeros y mezclar varios colores. Además, ofrece una rápida velocidad de fabricación. Al igual que con los procesos SLA, DLP o LCD, el Material Jetting requiere el uso de estructuras de soporte, creadas a partir de un material soluble que el usuario puede quitar una vez finalizada la impresión.
La inyección de material utiliza múltiples cabezales de impresión. | Créditos: Stratasys
Este proceso de fabricación aditiva dio lugar al NanoParticle Jetting patentado por Xjet, que consiste en proyectar nanopartículas de material cargadas con polvo metálico o cerámico. Una vez que las gotas se depositan en la bandeja, se evaporan por efecto del calor, dejando espacio para el metal o cerámica en cuestión. También cabe mencionar el proceso DOD o Drop-On-Demand que utiliza dos cabezales de impresión, uno para el material de fabricación y el otro para el soporte. La principal diferencia radica en el hecho de que el material solo se deposita donde se necesita, a diferencia de Material Jetting que proyecta el material de forma lineal. El método DOD es compatible con materiales más viscosos y se utiliza principalmente para hacer modelos de cera para fundición de alta precisión.
¿Cómo funciona la inyección aglutinante o Binder Jetting?
Como su nombre indica, esta tecnología se basa en el uso de un aglutinante y material en polvo. Concretamente, la máquina deposita el agente aglutinante sobre una capa de polvo. actuando como un adhesivo que permite unir las partículas. El proceso se repite capa a capa hasta obtener la parte final. Al igual que con el proceso de sinterización selectiva por láser, la inyección aglutinante no requiere ningún medio de impresión ya que el polvo actúa como tal. Una vez finalizada la impresión, se deberá retirar el contenedor de polvo, los restos de material de la pieza y limpiarla. Por tanto, es necesario tener en cuenta las etapas adicionales de posprocesamiento. Además es posible agregar color a las impresiones. De hecho, hay carretes de colores que, una vez aplicados, colorearán el material final.
Esta tecnología es compatible con muchos materiales, incluidos el metal y la cerámica. Dependiendo del tipo de polvo utilizado, el proceso de fabricación será diferente. De hecho, el uso de metal, por ejemplo, implica etapas adicionales de sinterización o recocido para unir las partículas de polvo y otorgar a la pieza buenas propiedades mecánicas. Por el contrario, un molde de arena para la fundición, por ejemplo, estará listo para usarse nada más salir de la impresora 3D. Pero nos centraremos en todo lo referente a materiales más adelante.
No olvidemos que la tecnología desarrollada por HP, llamada Multi Jet Fusion, es muy similar al Binder Jetting en el sentido de que también utiliza un lecho de polvo y un agente que actúa como aglutinante. También se compara mucho con la SLS. Sin embargo, MJF sigue siendo un proceso separado, que no cae en la misma rama que Binder Jetting.
Características
Empecemos por la inyección de material. Se trata de una tecnología que puede mezclar varios colores y materiales, por lo que permite la creación de piezas ultra detalladas pero también transparentes. Así podremos obtener estructuras muy realistas, un punto que abordaremos en el apartado de aplicaciones. Otras características destacables son el acabado superficial y la alta velocidad de impresión. Generalmente se obtiene una superficie muy lisa, con posibilidad de obtener un efecto mate o brillante. Además, el uso de varios cabezales de impresión permite depositar múltiples gotas de material a la vez de manera más rápida.
Al igual que con la estereolitografía, el Material Jetting requerirá pasos de postratamiento. De hecho, los soportes de impresión son obligatorios y, por lo tanto, deben retirarse una vez que la máquina se haya parado. Dado que las resinas utilizadas son fotosensibles, se degradarán si se sobreexponen a la luz. En general, las piezas producidas mediante inyección de material son frágiles y no contarán buenas propiedades mecánicas. Es por eso que se utiliza más para la creación de prototipos visuales y estéticos. Por último, suele tener un volumen de impresión promedio, lo cual no es ideal para crear piezas muy grandes.
El Material Jetting ofrece transparencia y múltiples detalles | Créditos: Stratasys
Para la inyección aglutinante (excluiremos el Metal BJ por ahora), también podemos hablar de impresión 3D multicolor incluso si esta no es su principal característica. Destaca por la posibilidad de imprimir sin soporte, aprovechando toda la superficie de la bandeja. De esta forma, el usuario podrá crear piezas de mayor tamaño (especialmente con arena y cerámica). Sin embargo, se sigue necesitando un postprocesamiento, como por ejemplo aspirar el exceso de polvo restante.
La inyección aglutinante da como resultado un menor riesgo de deformación y distorsión en comparación con otras tecnologías, porque el proceso se lleva a cabo a temperatura ambiente. Además cuenta con propiedades mecánicas medias y alta porosidad.
El Binder Jetting también puede producir piezas coloreadas. | Créditos: Joseph Forslund/Lund University
Si por el contrario nos fijamos en la inyección de polvo metálico, encontramos que es un proceso menos costoso que los que se basan en el uso de un láser. Más barato pero quizás menos interesante en algunos aspectos. El proceso crea una parte “verde”, que tendrá que ser recocida o sinterizada en un horno específico. Habrá que tener en cuenta el encogimiento de la pieza y las posibles deformaciones que puede sufrir. También será necesario un paso de infiltración para llenar los huecos que deja el aglutinante eliminado. Esto es similar al moldeo por inyección de metal, que no ofrece las mismas propiedades mecánicas. Por tanto, es un proceso que no será necesariamente adecuado para la producción de piezas acabadas. Sin embargo, el MBJ ofrece una mejor rugosidad superficial y permitirá el diseño de piezas más grandes, debido a la ausencia de soportes.
Materiales compatibles
Las tecnologías de inyección de material son compatibles con la mayoría de los polímeros. De hecho, asociado a este proceso, a menudo encontramos termoplásticos clásicos como ABS y PLA. Otros polímeros, como el nylon y el policarbonato, también son ampliamente utilizados por los usuarios del proceso de inyección de material.
En cuanto a los materiales más comunes para el proceso de inyección de aglutinante, en su mayoría son metales y cerámica, pero también arena. Todos se utilizan en formato granular. Entre los diferentes metales, destaca la habitual implementación de aleaciones metálicas, como el titanio, los aceros inoxidables o incluso el cobre. Por sus características, permiten fabricar piezas mucho más resistentes y ligeras. Además, desde hace varios años, también es posible utilizar polímeros convencionales, como ABS o PLA. Finalmente, en algunas aplicaciones, la tecnología Binder Jetting a veces se asocia con comestibles. Por ejemplo, The Sugar Lab, como su nombre indica, usa azúcar en lugar de materiales tradicionales.
Una pieza impresa en 3D con metal mediante el proceso Binder Jetting. | Créditos: Kreos
Casos de aplicación
Gracias a su capacidad para crear piezas con detalles precisos y múltiples colores, el Material Jetting ha demostrado su valía en el sector médico. Permite crear modelos anatómicos para facilitar el trabajo de los profesionales, lo cual ayuda a los cirujanos a formarse durante la fase preoperatoria, o mostrar a los pacientes en un modelo físico qué patología están sufriendo. Sin embargo, la principal ventaja del proceso por inyección de material radica en la fabricación de prototipos, principalmente gracias a su capacidad para producir rápidamente piezas muy precisas.
Por su parte, la tecnología Binder Jetting está destinada a varios sectores. Se puede encontrar en la industria del cine para la creación de accesorios y escenarios. De manera más general, el Binder Jetting permite fabricar moldes de fundición en arena. Estos moldes deben llenarse de metal antes de que se rompan. Debido a su corto tiempo de fabricación y la posibilidad de producir piezas individuales, este proceso es muy popular en el sector. Además, en algunos casos, como la asociación entre el Ejército de los EE. UU. y ExOne, esta tecnología viene en ayuda del sector militar. El fabricante estadounidense de impresoras 3D ha desarrollado una planta de impresión 3D móvil para las tropas estadounidenses, de modo que puedan reemplazar rápidamente las piezas defectuosas. Por último, aunque es más inusual, el aglutinante de polvo se utiliza en el campo de la joyería.
Moldes de fundición impresos en 3D. | Créditos: Voxeljet
Principales fabricantes
Como hemos mencionado, la empresa Objet Ltd desarrolló el proceso de Material Jetting en 1999. Después de haber comercializado varias máquinas basadas en este proceso, la empresa fue adquirida en 2012 por Stratasys. El gigante estadounidense a su vez ha desarrollado su tecnología Polyjet. Si bien Stratasys puede ser el líder en tecnología de inyección de material, otras empresas también se han especializado en esta área. Este es el caso del fabricante japonés de impresoras 3D y 2D Mimaki, que al igual que la 3DUJ-553, lleva varios años ofreciendo máquinas basadas en el mismo proceso. También en Asia, la empresa israelí Xjet ha desarrollado una tecnología similar al Material Jetting. Llamado NanoParticle Jetting, este proceso permite crear piezas usando gotas líquidas cargadas con nanopartículas de metal o cerámica. Por último, 3D Systems también ha desarrollado su proceso denominado MultiJet.
El fabricante Mimaki ha desarrollado una gama de máquinas basadas en Material Jetting.
Inventado en 1993 por el MIT y adquirido dos años más tarde por Z Corporation, varias empresas son hoy líderes en el campo de la impresión 3D mediante encuadernación en polvo. Al igual que con la tecnología de inyección de material, 3D Systems es uno de los principales actores del sector. La empresa estadounidense, que compró Z Corporation en 2012, utiliza este proceso con materiales cerámicos y denominó a esta tecnología Impresión ColorJet. Y 3D Systems está lejos de ser la única empresa estadounidense que utiliza este proceso. ExOne, con sede en Pensilvania, también utiliza la tecnología Binder Jetting, pero a base de materiales metálicos. Al otro lado del Atlántico, Digital Metal, una subsidiaria de Höganäs, también se especializa en la pulverización de aglutinante en polvo metálico. Por último, la empresa alemana VoxelJet utiliza este proceso para imprimir piezas de termoplásticos y cerámica.
Precio
Como podrás imaginar, ya sea para Material Jetting o Binder Jetting, los precios de las impresoras 3D basadas en estos procesos son muy altos. Para la mayoría de ellos, se necesitan cientos de miles de dólares. Al no ser posible proporcionar precios exactos, para tales impresoras es necesario solicitar una cotización, sin embargo, se puede estimar aproximadamente el coste de las máquinas. Por ejemplo, la ProJet MJP 5600 de 3D Systems estaría disponible por una tarifa de algo más de 100.000€, mientras que el J5 MediJet de Stratasys se acercaría a los 60.000€. Como ambas impresoras se basan en el proceso de inyección en polvo, la diferencia de precio puede explicarse por su volumen de impresión. Por último, en lo que respecta al presupuesto necesario a la hora de adquirir este tipo de impresoras, es muy importante tener en cuenta el coste de los materiales. Obviamente, si se quieren hacer piezas a partir de un polvo metálico específico, el precio será más alto que si se usan polímeros convencionales.
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