Impresoras 3D

Las noticias sobre impresión médica en 3D de los últimos meses han estado dominadas en gran medida por historias con temas de coronavirus. Máscaras, ventiladores, válvulas … incluso el descubrimiento de vacunas con la ayuda de la impresión 3D.

Pero el mundo médico ha disfrutado durante mucho tiempo de una relación con la impresión 3D, incluso antes de que recientemente se lanzara a los ojos del público con Covid-19.

Comenzó con prótesis externas básicas, que utilizaban la capacidad de la impresión 3D para fabricar piezas personalizadas adaptadas a las necesidades anatómicas únicas de los pacientes. Luego, a medida que avanzaban los materiales y métodos, comenzamos a ver implantes impresos en 3D que aparecían dentro del cuerpo.

Entonces, con la gente caminando con componentes externos e internos impresos en 3D que forman parte de sus cuerpos, estaba claro que los artículos impresos en 3D estaban bien para los dispositivos médicos.

¿Qué más se podría mejorar? ¿Qué tal la geometría interna de un implante? ¿Quizás imprimir algunas estructuras trabeculares y agregar un poco de porosidad para ayudar a la osteointegración? Tal vez un implante de titanio está haciendo que un paciente camine de manera extraña porque el metaimplante en sí no tiene la misma flexión que el hueso que reemplazó.

De hecho, hay una manera. Cuando la impresión 3D se combina con nuevos materiales, diseño generativo y software de optimización de topología, la industria de los implantes médicos recibe un impulso en términos de innovación y tiempo de desarrollo de productos.

NuVasive: implantes de columna con topología optimizada

Una empresa que realiza innovaciones en el campo de los implantes espinales es NuVasive , como empresa estadounidense que se ha centrado en la fabricación de estructuras ligeras y más fuertes que promueven un mejor crecimiento óseo en el implante (osteointegración).

NuVasive lanzó su implante Modulus en 2020. Pudieron pasar del concepto al mercado en solo un año con la ayuda de 3D Systems , con su tecnología Direct Metal Printing ( DMP ) y su equipo de ingenieros de aplicaciones.

Desde entonces, el módulo ha crecido de un solo producto a una línea completa de productos de implantes, con cada producto optimizado topológicamente para proporcionar el mejor equilibrio de peso, fuerza y detectabilidad de rayos X, lo que permite a los cirujanos verificar el implante y cómo bien se ha integrado con el hueso natural.

Nuevo titanio para imprimir

Por supuesto, hay más en la impresión de implantes que simplemente asegurarse de que tengan la misma forma y volumen que lo que se supone que debe reemplazar, instalarlo dentro de un paciente y esperar lo mejor.

Muchos factores, además de la geometría sólida, afectan la osteointegración.

Una de esas fracturas es el propio material del implante.

Un equipo de investigadores de la Universidad McMaster ha estado investigando el uso de titanio de grado Ti-5553 para implantes impresos en 3D. La mayoría de los implantes se imprimen actualmente con materia prima en polvo Ti64 … pero puede que esta no sea la solución óptima para el mejor material de implante completo. El Ti-5553 no es generalmente común en implantes médicos. Se encuentra más comúnmente en las estructuras de aviones de combate y helicópteros rusos.

El beneficio de Ti5553 proviene de tener un módulo elástico más bajo en comparación con Ti64, lo que debería reducir el blindaje de tensión una vez instalado en el paciente.

Con esto en mente, el equipo comenzó a comparar la aleación aeroespacial con su contraparte biomédica, la Ti64.

El equipo imprimió probetas de ambas aleaciones de titanio y las sometió a un proceso de anodización que alteró la topología de las muestras impresas. La anodización produce pequeñas características superficiales, llamadas nanoporos y nanotubos en las muestras de titanio. Son estas características topográficas las que pueden ayudar a la unión del hueso.

Los resultados mostraron que los tubos más grandes se desarrollaron en el Ti5553 después de la anodización en comparación con el Ti64 tradicional. Esto significa que la Ti5553 no solo es buena para imprimir, también es mejor para la osteointegración.

¿Que sigue?

Aunque hay mucha innovación en este campo, todavía queda mucho trabajo por hacer para observar los beneficios a largo plazo. Después de todo, el campo es todavía nuevo.

“Las jaulas de titanio impresas en 3D proporcionan una geometría peculiar que optimiza el perfil de crecimiento óseo, pero esto debe ser confirmado por más estudios”, dijo Enrico Tessitore, vicepresidente de la Unidad de Neurocirugía de los Hospitales Universitarios de Ginebra en una entrevista con Spinal News International .

Su instituto está participando en un estudio aleatorio que involucra jaulas intersomáticas impresas en 3D mientras hablamos.

“Realizamos una exploración SPECT-CT muy temprana para ver si hay una integración temprana de estas jaulas. En comparación con las jaulas de PEEK, por ejemplo. La tecnología de impresión 3D parece promover la fusión al facilitar el crecimiento de células óseas desde las placas terminales hasta la caja «.

Por lo tanto, el futuro parece bastante brillante para cualquiera que necesite un implante espinal en un futuro no muy lejano.

Las impresoras 3D están evolucionando, se están probando nuevos materiales, el nuevo software está permitiendo mejores geometrías … y lo más importante, estos flujos de trabajo se están probando y certificando médicamente para ayudar a pacientes reales. Y estos flujos de trabajo solo cuentan con AM, no pintan la imagen completa. Las herramientas quirúrgicas guiadas por realidad aumentada y guiadas robóticamente desempeñarán un papel en la mejora de la cirugía de columna en la próxima década.

Y cuando uno se acerca a la mediana edad con todas las fallas corporales que la acompañan, eso solo puede ser algo bueno.

El fabricante alemán de electrodomésticos Miele ofrece archivos CAD para la impresión 3D de componentes adicionales para su propia gama de electrodomésticos.

Según el sitio web de Miele, son «el primer fabricante de electrodomésticos del mundo en ofrecer una gama más amplia de accesorios imprimibles en 3D».

¿Es eso cierto? Un poco. Depende de cómo lo mires. ¿Se refieren a imprimibles o impresos? ¿Y más ancho que qué exactamente?

Echemos un vistazo a las piezas que se ofrecen antes de deconstruir el reclamo en esa cita y ver qué tan cierto es.

Hay 10 archivos de piezas disponibles para descargar, la mayoría de ellos diseñados para ser utilizados como accesorios para las aspiradoras de Miele. Los componentes, que se han subido a la página 3D4U de Miele en Thingiverse , son los siguientes:

• Separador de objetos de valor : este es un accesorio de aspiración que evita que succione joyas y cosas cuando aspire sus joyas.
• Clip de café : este artículo ayuda a sellar una bolsa de café para que no se derrame granos en su bebida mientras prepara la infusión (realmente útil).
• Adaptador doble: el adaptador doble permite usar dos cabezales de vacío simultáneamente por alguna razón.
• Auxiliar de limpieza de pozos : este dispositivo se adapta a la aspiradora y elimina la suciedad mientras se perforan orificios con un taladro eléctrico.
• Dispensador de motivos : dispensa un motivo en su café. Hay un archivo de plantilla para que modifique su diseño además del archivo del dispensador en sí.
• Micro mango : una pequeña boquilla para la aspiradora.
• Boquilla Flexi : así es exactamente como suena. Es una boquilla flexible para su aspiradora.
• Bubble Attachment – Sí, esto es real. Hace burbujas.
• Soporte mono : hay una imagen de esto a continuación. Aparentemente, este componente permite al usuario acoplar otro accesorio a su aspiradora «al alcance de la mano».

Es posible que haya notado un tema común en esos elementos. La mayoría de ellos probablemente no sean el tipo de cosas en las que gastaría dinero. Es probable que no poder alcanzar un accesorio de vacío rápidamente no sea un problema real que deba abordarse.

Estos artículos son lo que probablemente llamaría productos de valor agregado. Añaden valor a sus productos existentes y también a la propia empresa. Y utilizaron los recursos existentes para crear este proyecto (e incluso utilizaron Thingiverse en lugar de diseñar su propio repositorio CAD). Por lo tanto, es algo divertido para todos que probablemente no costó mucho implementar, y probablemente también sea bueno para el marketing.

¿Girar o ganar?

Volviendo a la afirmación de que son «el primer fabricante de electrodomésticos del mundo en ofrecer una gama más amplia de accesorios imprimibles en 3D».

Incluso hace una década, los visionarios en línea especulaban sobre cómo algún día veremos los inventarios de repuestos de fabricantes de electrodomésticos completos transferidos a una base de datos. Los repuestos impresos en 3D , nos aseguraron, se enviarían como datos a los hogares de las personas, donde simplemente podrían fabricar piezas de lavadoras a pedido.

Bueno, la idea no murió. Whirlpool todavía estaba trabajando en esta idea hasta 2020 con una empresa de impresión 3D de Singapur llamada Spare Parts 3D .

Whirlpool permitió que Spare Parts 3D realizara un análisis de catálogo utilizando el software patentado Digipart de Spare Parts 3D.

El software revisó automáticamente más de 11 000 SKU y se descubrió que el 7% de los SKU estaban en riesgo de obsolescencia o escasez, y se encontró que eran rentables si se cambiaban a la fabricación aditiva. La siguiente etapa para Whirlpool y compañía es digitalizar un grupo más grande de piezas.

Según el sitio web de Spare Parts 3D, algunas de estas piezas «ya se habían producido bajo demanda y se habían entregado a los clientes».

Entonces, con eso en mente, podemos decir que Miele ciertamente no es el primer fabricante de electrodomésticos en ofrecer accesorios impresos en 3D. Whirlpool lo ha estado haciendo durante al menos 2 años.

Pero ahí radica la diferencia.

Whirlpool lo ha analizado desde un punto de vista logístico y económico y está conservando su IP y archivos, imprimiendo sus propias piezas bajo demanda en el sitio y luego enviándolas al cliente cercano. Whirlpool no quiere renunciar a esa fuente de ingresos. De modo que han analizado e identificado las partes que se beneficiarán de la AM y las implementaron en consecuencia.

Aparentemente, a Miele no le preocupa tanto hacer una tonelada de dinero con esto (al menos a corto plazo), y parece algo más divertido que puede conducir a algo en el futuro (lo cual es bueno para el marketing). La compañía dice que agregarán más archivos.

Sería bueno ver algunos elementos más útiles, con un poco más de complejidad y posiblemente partes móviles instaladas durante la impresión.

Miele tiene un montón de diseñadores de productos e ingenieros de fabricación de clase mundial trabajando dentro de sus filas, por lo que será interesante ver qué cosas divertidas y útiles presentan a continuación.

Mientras tanto, aquí está la burbuja adjunta como se prometió.

Como ya sabe cualquiera que haya tocado una impresora 3D, muchos procesos de fabricación aditiva diferentes dan como resultado la anisotropía de la pieza. Es decir, la resistencia de la pieza varía a lo largo de los diferentes ejes, normalmente debido a que las secciones de unión entre capas tienen menos resistencia que las moléculas unidas en la propia capa.

Esto es un problema por una variedad de razones, principalmente centradas en la orientación de la pieza mientras se imprime, y también en su uso final. Naturalmente, con una parte isotrópica, puede usarlo en la vida real sabiendo que no se romperá si lo mira de manera incorrecta.

Bueno, 3D Systems lo tiene cubierto si desea algo de isotropía en su vida. E incluso han hecho un video para recordarte por qué lo necesitas.

“Las piezas de la Figura 4 tienen propiedades isotrópicas. Hemos realizado las pruebas y documentado los resultados, y esto es un gran problema para el rendimiento porque la orientación de la pieza no cambia la resistencia de la pieza, lo que permite una capacidad mucho mayor ”, dijo Marty Johnson, miembro técnico de 3D Systems.

Sí, el carácter isotrópico de una pieza aparentemente afecta directamente el rendimiento de una línea de producción. ¿Cómo?

Si está imprimiendo con un método de impresión 3D más tradicional con resultados anisotrópicos, primero debe orientar su trabajo de impresión para que la pieza funcione como se diseñó, luego debe orientarla para maximizar el espacio en la impresora (si imprime en volúmenes de nivel de producción) … todos estos son factores increíblemente restrictivos cuando se trata de diseñar un buen producto y diseñarlo de manera que su fabricación se haya optimizado económicamente hablando.

Si la orientación de la construcción ya no afecta la resistencia, la libertad de diseño aumenta significativamente. Puede imprimirlo en cualquier orientación, funcionará igual en cualquier dirección (en igualdad de condiciones). Ahora puede imprimir muchas de las mismas piezas de una sola vez, pero orientadas en diferentes direcciones en la misma placa de construcción, y aprovechar al máximo esa área. No importa la resistencia de la pieza final.

Parece que los detalles aparentemente pequeños, como la isotropía de las piezas que damos por sentado como fanáticos de la impresión 3D, pueden tener efectos posteriores. Comida para el pensamiento.

La gente de Driftworks ha estado modificando y probando un Lamborghini Murcielago como parte de una serie de Youtube en curso. El propietario, Phil Morrison , se compromete por completo a personalizar el superdeportivo italiano al cambiarlo de un cambio electrónico a uno manual, cambiar la suspensión, agregar ITB personalizados (cuerpos de acelerador individuales) y hacer mucho más. Pero realizó un experimento particularmente interesante después de instalar los nuevos ITB y encabezados: imprimió en 3D diferentes configuraciones de pila de entrada para ver qué efecto tendrían en los caballos de fuerza.

Prueba de diferentes configuraciones de la pila de admisión

Las chimeneas de admisión dirigen el aire hacia los cuerpos del acelerador que controlan la cantidad de aire que ingresa al motor. A todo gas, el motor V12 del Murciélago aspira mucho aire. El ajuste de la longitud y la forma de las chimeneas de admisión afecta la cantidad de aire que se puede aspirar y, por lo tanto, los caballos de fuerza. El equipo de Driftworks diseñó tres variaciones de las pilas de admisión para probar: corto, mediano y alto. Todos tienen tapas acampanadas para maximizar el volumen de admisión y reducir la turbulencia del aire. Estas piezas solo manejan aire frío, pero se conectan a los ITB que obviamente se calientan, por lo que se imprimieron en PETG para soportar temperaturas moderadamente altas.

Esperaba que hubiera alguna ganancia de rendimiento de las pilas impresas, pero lo sorprendente es lo significativas que fueron las ganancias: ¡la friolera de 26 caballos de fuerza en las ruedas con la ingesta media! En el mundo del tuning de automóviles, todo el mundo está íntimamente familiarizado con la ley de rendimientos decrecientes, ya que cuanto mejor es el rendimiento de un vehículo, más difícil es obtener más rendimiento. Los motores de serie ya son máquinas de alta ingeniería (sin juego de palabras), por lo que los sintonizadores gastan miles de euroes simplemente tratando de obtener otros diez caballos de fuerza de sus autos. Este es un automóvil que tiene más de 600 caballos de fuerza, por lo que encontrar otros 26 caballos debajo del capó es bastante difícil. Hacerlo con cinco euroes de PETG impreso en 3D parece una broma cruel para los sintonizadores de todo el mundo. Es impresionante, por decir lo menos.

Al utilizar la impresión 3D aquí, los chicos de Driftworks pudieron crear de forma rápida y económica algunos prototipos para concretar el ajuste perfecto y luego producir varias variaciones de las piezas de prueba reales. Lo lograron en cuestión de horas, internamente, con solo unos pocos euroes en materiales. Imprimir en tres tamaños diferentes les permitió determinar instantáneamente la configuración ideal sin tener que volver a la mesa de dibujo después de cada prueba. Esa es la belleza de la impresión 3D. Y ya que estamos en el tema de la belleza, Phil incluso pudo igualar la estética de su Lamborghini imprimiendo las pilas en negro. Consigue otro para la impresión 3D.

Mira el video a continuación. Tenga cuidado, se pone ruidoso.

Imagen destacada cortesía de Driftworks.

La gama de materiales disponibles en la impresión 3D, incluso dentro del modelado de deposición fundida, ha crecido considerablemente en los últimos años. No solo hay varias marcas de renombre que llevan todo tipo de termoplásticos como ABS, PLA, nailon y PETG, sino que también hay compuestos de todos esos materiales que están incrustados con varias partículas / hebras como fibra de carbono y fibra de vidrio. Existe otra variedad de impresión 3D compuesta que se está volviendo cada vez más popular: la fibra continua.

Picado vs continuo

Con el filamento relleno de fibra estándar, las hebras de fibra se cortan muy cortas para que el material se pueda imprimir. El inconveniente más obvio es que hay poca superposición entre las fibras y la practicidad no hay fibras que crucen las capas contiguas. Como tal, las piezas impresas con materiales rellenos de fibra a menudo son solo un poco más fuertes o rígidas que las piezas impresas en 3D estándar.

La impresión 3D de fibra continua es exactamente como suena. En lugar de incrustar millones de hebras de fibra de medio milímetro de largo en el filamento cuando se fabrica, se utiliza un carrete de fibra para incrustar hebras de fibra muy largas en las piezas a medida que se imprimen. La impresión 3D de fibra continua proporciona sustancialmente más resistencia y rigidez porque imita mejor el proceso de fabricación de las piezas tradicionales de fibra de carbono, donde largas hebras de fibra se superponen en una resina.

Los costos de la fibra de carbono convencional

Las piezas de fibra de carbono convencionales son muy caras, no por el coste de las materias primas, sino por los costes del equipo necesario para enviar y procesar esos materiales. Pre-preg es un término que se aplica a un compuesto de fibra de carbono y resina que aún está húmedo y listo para darle forma; tiene que estar refrigerado desde el momento en que se fabrica hasta el momento en que se utiliza, lo que significa que hay muchos costos logísticos adicionales. Para fabricar piezas de fibra de carbono, primero hay que hacer moldes, que por supuesto no son gratuitos. Y curar las piezas finales requiere autoclaves que sean tan grandes como las piezas mismas, y considerando que la fibra de carbono es una opción popular para construir aviones, los autoclaves son comprensiblemente costosos de construir y operar.

Con la impresión 3D de fibra continua, casi todos esos costos desaparecen sin sacrificar la resistencia. Hay varias empresas que ofrecen impresión 3D de fibra continua, pero vamos a ver tres de las marcas más conocidas.

Markforged tiene varias máquinas que pueden colocar fibras continuas. Sus sistemas se basan en cabezales de herramientas separados para depositar los diferentes materiales: uno extruye una matriz termoplástica como una impresora 3D normal y el otro coloca hebras de fibra en áreas seleccionadas para aumentar la resistencia a la tracción. Pueden trabajar con fibra de carbono, fibra de vidrio y kevlar.

El sistema de fibra de Desktop Metal funciona de manera muy similar a la solución Markforged, excepto que su tecnología Micro Automated Fiber Placement (µAFP) utiliza rollos de cinta de fibra en lugar de carretes de fibra. Puede incrustar fibra de carbono en nailon, PEEK y PEKK, y el nailon también se puede incrustar con fibra de vidrio. Afirman que sus piezas pueden ser más fuertes que el acero y más ligeras que el aluminio.

Continuous Composites adopta un enfoque diferente con su solución CF3D. En lugar de utilizar un termoplástico por su material rígido, emplea un fotopolímero. El cabezal de la herramienta cubre la hebra de fibra con un fotopolímero a medida que se deposita y luego la cura inmediatamente con una potente luz ultravioleta. Esto le permite incrustar cada línea con fibra, no solo áreas seleccionadas. También significa que puede salvar grandes espacios sin necesidad de soportes. El sistema CF3D es compatible con fibras estructurales como carbono, vidrio y aramida, así como con fibras funcionales como óptica y metal, lo que permite todo tipo de ingeniosos trucos como sensores y circuitos integrados.

Si bien estos sistemas no son tan asequibles como la mayoría de las impresoras 3D de escritorio , son significativamente más accesibles que la mayoría de las impresoras 3D de metal y los equipos convencionales de fabricación de fibra de carbono, y son mucho más fáciles de usar. La selección de materiales para este segmento seguirá creciendo con el sector de materiales de impresión 3D en su conjunto; Se desarrollarán más polímeros para la matriz y se liberarán más fibras para igualar. No me sorprendería si ya hay científicos de materiales que desarrollan fibras que se expanden y contraen cuando se calientan o se exponen a una corriente eléctrica, lo que haría las delicias de quienes trabajan en robótica blanda y electrónica integrada.

Imagen destacada cortesía de Continuous Composites.