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

Publicado el abril 17, 2019 por Lucía C.
impresión 3D de cerámica

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.

Hace unos meses, durante el segundo informe de la firma Smartech Publishing se presentó el último reporte sobre la evolución de la impresión 3D de cerámica. Se afirma que en 2028 esta industria generará hasta $ 3.6 mil millones en todo el mundo. Aunque aún no está tan asentada como las tecnologías de plástico o incluso la fabricación aditiva de metal, tiene un gran futuro. De acuerdo al informe, la impresión 3D de cerámica alcanzará su madurez en 2025 propagándose como una técnica de manufactura en diferentes industrias.

impresión 3D de cerámica

Evolución del mercado de la impresión 3D de cerámica (Créditos: Smartech Publishing)

Evolución de una nueva tecnología 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…; 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. Este  último tipo no incluye arcilla, y especialmente valorada en industrias como la automoción o aeroespacial.

impresión 3d de cerámica

La arcilla es un material ancestral utilizado en la manufactura (Créditos: Cerámicas Baltà)

Al igual que los distintos tipo de materiales, actualmente existen diferentes métodos de impresión 3D de cerámica. Algunos de los más conocidos son las tecnologías de fotopolimerización como SLA y DLP, Binder Jetting, Deposición de Material  (LDM – Liquid Deposition Modeling); y la más reciente, Nano Particle Jetting de la empresa israelí XJet.

Binder Jetting especializada en materiales cerámicos

Binder Jetting o Inyección 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.

impresión 3D de cerámica

Tecnología de impresión 3D de materiales cerámicos: Binder Jetting (Créditos Johnson Matthey)

Estereolitografía y fotopolimerizaciónde materiales cerámicos

Hay otras tecnologías que también se remontan a la llegada de las tecnologías de fabricación aditiva como la esterolitografía, aunque no fue hasta años después que se fueron incorporando los materiales cerámicos. Uno de los grandes pioneros dentro de la industria de la fabricación aditiva cerámica es la empresa francesa 3DCeram.

“Fue en 2005 que Christophe Chaput decidió investigar la posibilidad de fabricación aditiva combinada con cerámica. Comenzó a imprimir piezas biomédicas, implantes de cráneo… En 2009, él y yo compramos la empresa Cerampilot y decidimos cambiar el nombre a 3DCeram y cambiar su modelo de negocio, es decir, fabricar piezas solo a través de impresión 3D”, nos comentó Richard Gaignon, CEO de 3DCeram, tras preguntarle sobre los orígenes de sus desarrollos. A partir del 2014, la empresa francesa se unió a la tecnología DLP al incorporar un láser UV a sus máquinas. Actualmente cuentan con una amplia gama de impresoras 3D como la C900, una máquina híbrida,  que puede imprimir más de un material al mismo tiempo, dedicada a la industria electrónica y la energía. Más otras dos máquinas adicionales que lanzan este año: La C100 una máquina “KISS (Keep It Smart and Simple)” de acuerdo al fabricante. Y su C3600 especializada en cerámica técnica.

impresión 3D de cerámica

Solución de fabricación aditiva de 3DCeram (Créditos: 3DCeram)

Además de los desarrollos de la empresa francesa, hay actores como el gigante 3D Systems que ofrece resinas cerámicas dentro de sus materiales, algo que también incorporó la empresa estadounidense especializada en impresoras 3D de SLA de escritorio, Formlabs. La empresa ADMATEC de los Países Bajos especializada en cerámicas técnicas y fabricando con tecnología DLP.

impresión 3D de cerámica

Impresoras 3D de escritorio también ofrecen la opción de resinas cerámicas (Créditos: Formlabs)

Deposición de Material o Liquid Deposition Modeling

La técnica de deposición de material o también llamada LDM (Liquid Deposition Modeling), es la técnica que más se ha extendido entre diferentes actores. Consiste en la deposición de capas de material cerámico hasta conformar la pieza o modelo, siguiendo las bases de la técnica FDM pero con extrusores adaptados al material. Está técnica es igualmente la de menor coste, ya que la arcilla y los polímeros de relleno son sus principales materiales.

En la utilización de esta técnica han surgido múltiples actores, desde máquinas de escritorio que han tenido gran aceptación como la ClayXYZ lanzada en 2017 o la LUTM V4 que llegó al mercado en 2018 con un carácter más artístico. Uno de los más reconocidos es la empresa italiana WASP que fabrica con materiales cerámicos a gran escala. ¿Su meta? Desarrollar una aldea a través de materiales locales en 3D e impulsar la fabricación sostenible en la construcción y el mobiliario.

impresión 3D de cerámica

Técnica de deposición de material (Créditos: WASP)

NanoParticle Jetting ™, la impresión 3D líquida

Técnica desarrollada por la empresa israelí XJET, gracias a la experiencia de su CEO Hanan Gothiat al haber fundado Objet Geometries, empresa detrás de la tecnología PolyJet. Tras años de trabajo y más de 80 patentes bajo la manga, en 2016 lanzó la NanoParticle Jetting ™, tecnología desarrollada para metal y cerámica. Sus primeras soluciones fueron  los sistemas Carmel 1400 y Carmel 700 AM.

“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”.

impresión 3D de cerámica

Carmel 1400, solución desarrollada por la empresa israelí. (Créditos: XJet)

Lo desarrollos en cuento técnicas y materiales dentro de la impresión 3D de cerámica sigue creciendo. Hace algunas semanas el grupo japonés Canon se dió a conocer su técnica para materiales cerámicos, así como un material capaz de ser utilizado con máquinas de Sinterizado Selectivo por Láser. Se espera que en los próximos años más actores se sigan sumando a la evolución de esta tecnología.

La llegada de la impresión 3D de cerámica a diferentes industrias

La introducción de los materiales cerámicos técnicos en diferentes industrias se ve cada día como un beneficio a largo plazo. Muchas empresas se inician gracias a los servicios de impresión 3D cerámicos que existen actualmente. Los grandes actores dentro de este campo como Materialise o Shapeways ofrecen diferentes posibilidades de fabricación. De igual manera, los propios fabricantes ofrecen igualmente las posibilidades de servicios de impresión 3D como 3DCerams o Admatec. Pero también las empresas tradicionales de cerámica están apostando por la fabricación aditiva.

impresión 3D de cerámica

Diferentes desarrollos para la industria han llegado con la impresión 3D de cerámica (Créditos: XJet)

Cerámicas Baltà  un taller con más de 30 años de experiencia en la cerámica tradicional y artística. La necesidad de implementar la tecnología aditiva al taller respondió básicamente a tres puntos: abrir una oportunidad económica nueva, dar a nuestros clientes nuevas posibilidades de fabricación y entrar en un nicho de mercado con muchas posibilidades y para el cual teníamos “in house” 3 herramientas consolidadas: conocimientos de diseño y modelado digital + conocimientos cerámicos + infraestructura cerámica”, nos comentó Martí Baltà, CEO de Cerámicas Baltà y Protopenedes 3D.

Para fabricantes como esta empresa catalana con muchos años de experiencia en el campo de la cerámica. La consideran un material muy versátil con gran resistencia y propiedades.

impresión 3D de cerámicas

Martí Baltà en el taller de impresión 3D de cerámica (Créditos: Taller Baltà)

“Es un material que una vez sinterizado en todos los casos es inerte y ecológico, hay mezclas de materiales cerámicos con grandes propiedades en aislamiento térmico o eléctrico. Y lo que no hay que olvidar nunca, cuando hablamos de impresión cerámica hablamos de producto final, no de prototipo.”, continuó Baltà.

Empresas como XJet vieron la oportunidad de los materiales cerámicos como piezas finales desde hace varios años. En lo últimos años han comprobado que distintas industrias de la salud, la energía o la automoción que inicialmente habían adoptado las técnicas de fabricación aditiva de plásticos o metales, están comenzado desarrollos con técnicas de cerámica.

impresión 3D de cerámica

(Créditos: XJet)

“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”.

¿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.

(Créditos: Taller Baltà)

Cada día aumentan más la producción en la impresión 3D de cerámica (Créditos: Taller Baltà)

“En el sector del diseño y la artesanía, el LDM se impondrá como una opción a tener en cuenta en casi todos los talleres de ceramistas jóvenes, que ya están incluyendo en sus estudios académicos el modelado digital y la impresión con esta tecnología”, nos cuenta Martí Baltà al hablar del futuro de esta industria. Comenta igualmente que en su opinión: “En el sector médico, el DLP o SLA se irá usando cada vez más en implantología y el binder jetting tendrá muchas posibilidades de copar el nicho para el sector protésico”, está última técnica será igualmente la mejor adoptada por diferentes industrias debido a la calidad de las piezas.

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 al 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”.

Impresión 3D de cerámica

Las formaciones en impresión 3D de cerámica serán clave para el asentamiento de las tecnologías

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