Impresión 3D de cerámica: ¿una revolución dentro de la fabricación aditiva?

El origen de la utilización de la cerámica se remonta a la antigua Grecia, inicialmente creada para el desarrollo de vasijas o platos para usos alimentarios a base de arcilla cocida a temperaturas de hasta 500º. Más adelante alrededor del S. XIX se descubrieron los atributos de estos materiales en la industria, principalmente como aislante térmico y eléctrico en motores. Debido a su larga trayectoria, la llegada de la impresión 3D de cerámica era de esperarse, ya que los materiales cerámicos tienen propiedades mecánicas y geometrías de alta resolución que no habrían sido posibles de aprovechar con técnicas tradicionales.

Según un estudio del mercado publicado por MarketDigits en abril de 2024, el mercado de la impresión 3D de cerámica ha sido evaluada en 270 millones de dólares en 2023 y se espera que alcance los 2,600 millones de dólares en 2032, con un crecimiento del 28,6% durante el periodo analizado. Se trata de una tecnología de fabricación en crecimiento que sigue siendo un nicho de mercado en comparación con los procesos de polímeros o metales. Pero la impresión 3D de cerámica puede producir piezas precisas, resistentes y técnicas, dependiendo del material elegido. Echamos un vistazo a los fundamentos de la fabricación aditiva cerámica y a su lugar en el sector.

Los diferentes tipos de cerámica

Históricamente la arcilla ha sido el material más utilizado cuando hablamos de fabricación con materiales cerámicos. Es debido en gran medida al ser un material natural fácil de encontrar en casi cualquier entorno. Conforme han ido evolucionando los materiales han llegado más posibilidades de fabricación. Actualmente existen diferentes tipos de cerámicas: las más comunes son las que utilizamos en el entorno doméstico: en vajillas, azulejos, etc. Por otro lado tenemos la cerámica estructural, utilizada en la construcción como en tejas o ladrillos; la cerámica refractaria utilizada en revestimientos; y la cerámica técnica, materiales con una gran resistencia mecánica, térmica, química y eléctrica.

Esta última familia es especialmente apreciada por el sector de la fabricación aditiva porque presenta características muy interesantes para las industrias que la utilizan. Hay dos categorías principales: óxidos y no óxidos, con propiedades diferentes por su composición química. Estas cerámicas técnicas están disponibles en varias formas: filamento, polvo, resina, lo que influirá en la elección del proceso de impresión. Entre las más populares están la alúmina, apreciada por su dureza y resistencia a las altas temperaturas, y la zirconia, que tiene muy buenas propiedades mecánicas.

La arcilla es muy utilizada en la impresión 3D (créditos: Femke Rijerman)

Los procesos de impresión 3D de cerámica  

Binder Jetting especializada en materiales cerámicos  

Binder Jetting o inyección de aglutinante es una de las tecnologías que comenzaron a fabricar con polvos cerámicos. Sus inicios se remontan a la década de los 90 que empezó como un proyecto del MIT, adquirido por Z Corporation, y tras unos años de desarrollo fue comprada por 3D Systems. La técnica consiste en la fabricación a través de polvos cerámicos gracias a un aglutinante que sobre un lecho de polvo se solidifica en sección transversal. Dando como resultado modelos a todo color, aunque no muy resistentes para algunos propósitos industriales.

Tecnalia Research & Innovation es usuario de las máquinas Binder Jetting de Destkop Metal y produce piezas de carburo de silicio en particular. Iñigo Agote, director del proyecto y jefe de grupo, comenta: «Tras la sinterización, obtuvimos piezas con una densidad comparable a la de las piezas comerciales fabricadas tradicionalmente. Además, la dureza y la resistencia a la rotura del material también eran similares».

Estereolitografía y fotopolimerización de materiales cerámicos

La estereolitografía es otra tecnología muy popular en el sector de la fabricación aditiva; empezó a utilizarse con cerámica bastante tarde, pero su uso se ha generalizado y ofrece un alto nivel de precisión y detalle. Si vamos más allá, la tecnología DLP, que consiste en utilizar un proyector de vídeo en lugar de un láser como fuente de calor, también es compatible con la cerámica.

En cuanto a fabricantes, podemos citar a la empresa francesa 3D Ceram, por ejemplo, que es uno de los pioneros de la impresión 3D de cerámica por fotopolimerización, y Prodways. En el campo de la maquinaria industrial, Lithoz, Admatec y 3D Systems ofrecen soluciones de impresión 3D de cerámica con resina. Por último, el campo de las impresoras 3D de escritorio ya está muy desarrollado, con fabricantes como Formlabs y Tethon 3D. El objetivo es facilitar y abaratar el diseño de piezas cerámicas.

La placa de la máquina C3600 ULTIMATE de 3D Ceram (créditos: Dominique FONTENAT)

Extrusión de material 

La extrusión de material es sin duda una de las tecnologías de impresión 3D de cerámica más extendidas del mercado. Consiste en la deposición de capas de material cerámico hasta conformar la pieza o modelo, siguiendo los mismos principios que la técnica FDM pero utilizando extrusoras adaptadas al material. Generalmente se utilizan polímeros o arcilla para alimentar la máquina, lo que la convierte en una técnica más asequible que las mencionadas anteriormente.

Si observamos el uso de la arcilla, encontraremos una amplia gama de soluciones, desde máquinas de sobremesa como las que ofrece 3D Potter hasta máquinas más técnicas como las de Lynxter, o máquinas de gran formato como las que ofrece WASP. La elección dependerá de la aplicación final, como suele ocurrir en la fabricación aditiva.

Cuando se trata de polímeros, se puede elegir entre soluciones que utilizan filamentos, como las que ofrece la empresa francesa Nanoe, o máquinas compatibles con pellets. En ambos casos, hay que tener en cuenta las etapas de postratamiento, como el desbobinado y la sinterización.

La tecnología desarrollada por WASP

NanoParticle Jetting ™, la impresión 3D líquida 

La técnica fue desarrollada por la empresa israelí XJet, y consiste en depositar miles de gotitas que contienen nanopartículas cerámicas sobre la plancha de impresión. “La clave de la NanoParticle Jetting ™ comienza con su metodología única de dispersión de líquidos. Las suspensiones líquidas que contienen nanopartículas sólidas de materiales de soporte y construcción seleccionados se inyectan en la bandeja de impresión para fabricar de forma aditiva piezas detalladas. Las suspensiones líquidas se entregan e instalan en cartuchos sellados sin problemas” nos detalló Hanan Gothait. “La precisión de los cabezales de impresión de inyección de tinta más el uso de capas ultrafinas, que crean una resolución Z súper nítida, son importantes facilitadores de piezas de forma casi neta con los sistemas XJet. Esto es crucial para que la cerámica impresa en 3D logre una excelente forma y tolerancia dimensional”.

Las aplicaciones de la impresión 3D de cerámica  

La impresión cerámica en 3D se está abriendo camino en una amplia gama de industrias y ya ha demostrado su valía. Como ya hemos explicado, algunas cerámicas técnicas son especialmente interesantes por sus propiedades mecánicas y su perfil térmico. En función de la cerámica elegida, se pueden obtener piezas más resistentes a las altas temperaturas que el metal, optimizando al mismo tiempo el peso. Se trata, por lo tanto, de una tecnología probada para el sector aeroespacial, sometido a fuertes restricciones en materia de temperaturas. Además, algunas cerámicas son muy resistentes a la corrosión y tienen buenas propiedades de aislamiento eléctrico. En términos de aplicaciones, la impresión 3D con cerámicas puede utilizarse para diseñar filtros de radiofrecuencia para sistemas de comunicación como los satélites; moldes más resistentes para la fabricación de turbinas; utillaje y piezas de satélites.

Créditos de la foto: Lithoz

La impresión 3D de cerámica también está presente en el sector médico, donde ofrece la posibilidad de diseñar implantes personalizados o instrumentos quirúrgicos precisos. Algunas cerámicas son biocompatibles y bio-reabsorbibles, lo que las hace ideales para el diseño de implantes personalizados. Como ejemplo, 3DCeram explica: «La fabricación aditiva permite controlar la ubicación y la geometría de los poros en los sustitutos cerámicos, a diferencia de los implantes, que se hacen porosos añadiendo espuma orgánica o porógenos. La porosidad estructurada tridimensionalmente y el diámetro constante de los poros totalmente interconectados favorecen la osteointegración y la resistencia mecánica de los sustitutos. La resistencia mecánica a la compresión es de tres a cinco veces superior a la de las estructuras porosas convencionales. Se reduce considerablemente el riesgo de inflamación postoperatoria causada por el desprendimiento de micro desechos durante la manipulación y colocación del implante.»

La lista de aplicaciones de la impresión 3D de cerámica no es exhaustiva: podemos mencionar su impacto en el arte y la escultura gracias a las máquinas de extrusión que permiten depositar la arcilla de forma precisa y compleja. En investigación y desarrollo, es una tecnología especialmente interesante. Muchos laboratorios y universidades han invertido en la fabricación de prototipos de forma rápida y barata. Los equipos realizan constantemente experimentos y pruebas, durante los cuales necesitan componentes desarrollados a medida. La impresión 3D con cerámicas ofrece una mayor flexibilidad y permite fabricar la pieza en cuestión con mayor eficacia. Por último, la impresión 3D de cerámica se utiliza a menudo para diseñar los núcleos de los moldes de fundición.

“Se espera que la tecnología obtenga una aceptación total como un método de fabricación válido, necesario e incluso preferido”, añade Hanan Gothait. “La impresión 3D de cerámica todavía está en su infancia, pero está creciendo rápidamente. La principal fuerza impulsora detrás de esto es la creciente necesidad de una mayor resistencia a la temperatura, resistencia y tenacidad de las piezas y componentes, lo que lleva a los metales al límite de sus capacidades, donde la cerámica técnica funciona extremadamente bien”.

Implante impreso en 3D (créditos: Lithoz)

¿Cuál es el futuro de la impresión 3D de cerámica?

No cabe duda que la evolución de las técnicas de fabricación aditiva con materiales cerámicos es un hecho. Pero al igual que el resto de las técnicas de impresión 3D se adopta de diferentes maneras en cada industria. Así como la impresión 3D de metales ha encontrado especial aceptación en la industria aeroespacial o de la automoción. La impresión 3D de cerámica tiene que encontrar su lugar, y no espera ser en mucho tiempo ya que fabricantes como 3DCeram saben que en 10 años llegará la maduración de esta industria. En este apartado los materiales juegan un papel clave, aunque los materiales técnicos sean muy atractivos para ciertas industrias, la cerámicas más tradicionales también tienen beneficios para entornos más artísticos.

La propagación de las tecnologías de impresión 3D de cerámica ya está ocurriendo, pero aún hay detalles que fabricantes, servicios y usuarios deben tener en cuenta antes de adentrarse a estás técnica. De acuerdo con el CEO de XJet : “Existen algunos desafíos importantes que deben cumplirse para lograr este crecimiento, por ejemplo, programas de educación para ingenieros en cerámica. Así como profesionales de la cerámica impresa en 3D, y más. Un paso esencial en este progreso es la adopción de esta tecnología por parte de los principales actores en el mercado de la cerámica, incluidos fabricantes, proveedores de servicios y usuarios finales. Una vez que este proceso comience, crecerá como una bola de nieve y la convertirá en una tecnología legítima y popular”.

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*Créditos de la foto de portada: Nervous Systems/Formlabs