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Impresión 3D

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La impresión 3D tiene más de 30 años de existencia. 1986 Charles Hull inventa la estereolitografía, abriendo con ello un nuevo camino para la obtención de modelos físicos a partir de diseños informáticos. Pero no solo eso, sino que con la aportación de Charles Hull haría posible la fabricación de modelos con geometrías complejas que en la época serían impensables. Ciertamente Charles fue un pionero y a raíz de su invención se creó una de las compañías más importantes de tecnología 3D que hay hoy día en este mercado: 3D Systems.

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la temperatura puede variar entre los 210⁰C y los 240⁰C. Las principales ventajas e inconvenientes que aporta esta tecnología son: Principales ventajas SLA (Stereolithography):

Robustez y sencillez de componentes Asequibilidad de los consumibles Tamaño de la base de impresión La estereolitografía es un proceso (habitualmente mayor que en otras tecnologías) adición emplea Amplia gama deque plásticos y compositeresina que

Principales inconvenientes Velocidad de fabricación baja Frecuencia de aparición de defectos de impresión

de fabricación por Desperdicio de material en los soportes cura mediante luz ultravioleta en un tanque, y un láser ultravioleta para construir los objetos.en Los objetos tridimensionales son SLA (Stereolithography): este caso la tecnología se basa en la fotopolimerización de una resina sensible a la luz ultravioleta quede proyecta haz de láser. El láser va una solidificando cada obtenidos mediante la adición finasel capas, impresas capa sucesivamente hasta obtener el volumen. encima de otra. Cada capa es una sección transversal del objeto que el láser traza en la superficie de la resina, que ventajas La resina líquida Principales es el materialPrincipales consumible. curainconvenientes y se Precisión Tamaño de la base de impresión solidifica medianteAcabado la exposición al láser de Escasa luz ultravioleta, variedad de materiales quedando así la capa recién solidificada pegada a la capa Velocidad de fabricación Desperdicio de material en los soportes Materiales transparentes y traslúcidos previa que existía debajo suya.

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Una vez que la capa a imprimir ha sido creada, la plataforma de elevación del equipo desciende una distancia equivalente al grosor de una capa de resina solidificada (típicamente entre 0.05 y 0.15 mm). Una hoja barre la pieza dejando una nueva capa de resina líquida en la superficie de la cubeta, lista para la siguiente impresión del láser. De esta forma se va creando, capa a capa una pieza tridimensional. Una vez que la pieza tridimensional se ha completado, ésta se sumerge en un baño químico que retira el exceso de resina y, posteriormente, curada en un horno de luz ultravioleta.

VIDEO 1 https://www.youtube.com/watch?v=Z3KZUwn_7ns

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La estructura del ABS es una mezcla de un copolímero vítreo (estireno-acrilonitrilo) y un compuesto elástico principalmente el polímero de butadieno. Resistente al impacto.

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capa sucesivamente hasta obtener el volumen. Principales ventajas Precisión Acabado Velocidad de fabricación Materiales transparentes y traslúcidos

Principales inconvenientes Tamaño de la base de impresión Escasa variedad de materiales Desperdicio de material en los soportes

Curso de Especialización en Biomateriales !7

En 1984 los doctores Joseph Beaman y Carl Deckard, del departamento de ingeniería mecánica de la Universidad de Austin (Texas), desarrollan la tecnología SLS y no solo eso, también construyen varias máquinas para ejecutar esta técnica de modelado de forma exitosa.

SLS (Selective laser sintering), sinterizado selectivo por láser El sinterizado es un proceso basado en el tratamiento térmico de un polvo normalmente a temperatura menor a la de fusión. Esta tecnología es parecida a la anterior pero en este caso el láser solidifica el material en polvo. Es una técnica de adición de prototipado rápido en el cual se deposita una capa de polvo, de unas décimas de milímetro, en una cuba que se ha calentado a una temperatura ligeramente inferior al punto de fusión del polvo. Seguidamente un láser CO2 sinteriza el polvo en los puntos seleccionados (causando que las partículas se fusionen y solidifiquen).

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Comparado con otros métodos de fabricación por adición, el SLS puede producir piezas a partir de un rango relativamente amplio de materiales de polvo. Estos incluyen polímeros como el naylon (puro, con fibras de vidrio u otras fibras), o poliestireno, metales que incluyen acero, titanio, aleaciones y compuestos. !9

de un polvo normalmente a temperatura menor a la de fusión. Esta tecnología es parecida a la anterior pero en este caso el láser solidifica el material en polvo. Principales ventajas Precisión Acabado Velocidad de fabricación No desperdicia material

Principales inconvenientes Coste de los materiales Escasa variedad de materiales

SLM (Selective laser melting): un método muy similar al anterior pero sobrepasando la temperatura de fusión de los materiales.

VIDEO 2

PolyJet photopolymer: Esta tecnología mezcla las características mecánicas de la FDM con un

https://www.youtube.com/watch?v=9E5MfBAV_tA

cabezal que se desplaza a lo largo de una base de impresión, con la tecnología de fotocurado propias de la estereolitografía. El cabezal va depositando unas finas gotas de material fundido que posteriormente será curado con un haz de luz ultravioleta.

DLP (Digital Light Processing): Muy parecida a la estereolitografía, con la diferencia de que para iniciar el curado del material fotosensible, utiliza luz en el espectro visible. Esta fuente de luz puede ser una pantalla de teléfono móvil, un haz de proyector, etc.

Syringe Extrusion: el método utilizado en las bioimpresoras una forma de preservar el material celular y depositarlo en el scaffold sin que sufra grandes daños. Además de aportar la ventaja de que puede absorber el cultivo celular directamente de una placa Petri.

Biomateriales e impresión 3D.

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Paralelamente, a finales de los 80 (1988) en la mente de Scott Crump maduraba la idea de la fabricación por capas y con ella la empresa Stratasys. Gracias a esto, en 1995 vería la luz la tecnología Fused Deposition Modelling (FDM) una de las tecnologías que más han calado en nuestros días por su sencillez y versatilidad y concretamente en este módulo, por la importancia que tiene en la bioimpresión. FDM o FFF (Fused deposition modeling)

Modelado por deposición fundida es la tecnología más utilizada todavía, se basa en calentar un extrusor, que se asemeja a una boquilla o tobera, hasta la temperatura de fusión del material que estemos utilizando. El extrusor va depositando capas sucesivas del grosor que le va indiquemos para finalmente obtener el volumen de la pieza que le indiquemos. Para los de impresión 3D accesibles en el materiales más comunes en FFF la temperatura puede variar entre los 2100C y los 2400C.

dica

peculiaridades. Para poder distinguir , explicaremos brevemente cada una

ología más asemeja a el material s sucesivas volumen de unes en FFF 240⁰C. Las tecnología

Principales inconvenientes cidad de fabricación baja uencia de aparición de defectos de impresión

erdicio de material en los soportes

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principales ventajas e inconvenientes que aporta esta tecnología son: Principales ventajas Robustez y sencillez de componentes Asequibilidad de los consumibles Tamaño de la base de impresión (habitualmente mayor que en otras tecnologías) Amplia gama de plásticos y composite

Principales inconvenientes Velocidad de fabricación baja Frecuencia de aparición de defectos de impresión Desperdicio de material en los soportes

SLA (Stereolithography): en este caso la tecnología se basa en la fotopolimerización de una resina ABS sensible a la luz ultravioleta que proyecta el haz de láser. El láser va solidificando cada Filamento capa sucesivamente hasta obtener el volumen. Actualmente se utilizan varios materiales para este proceso de fabricación. Principales ventajas Acrilonitrilo butadienoPrecisión estireno (ABS) Poliácido láctico (PLA)Acabado Velocidad de fabricación Policarbonato Materiales transparentes y traslúcidos

Principales inconvenientes Tamaño de la base de impresión Escasa variedad de materiales Desperdicio de material en los soportes

Policaprolactona (PCL) Polifenilsulfona (PPSU) Polieterimida (PEI) La polieterimida «Ultem 9085» es resistente al fuego y a los disolventes. Ceras Chocolate y otros alimentos para uso en repostería Acetato de polivinilo (PVA) utilizado para soportes hidrosolubles

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VIDEO 3 https://www.youtube.com/watch?v=JMc45B6KmLs

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SLM (Selective laser melting): un método muy similar al SLS pero sobrepasando la temperatura de fusión de los materiales.

La selección de los parámetros de proceso apropiados (por ejemplo, potencia del láser, dirección de construcción, espaciado de sombreado de escaneo) juega un papel fundamental en la determinación de las propiedades finales.

VIDEO 4 https://www.youtube.com/watch?v=Mjf6oaMVWr8 !14

PolyJet photopolymer: Esta tecnología mezcla las características mecánicas de la FDM con un cabezal que se desplaza a lo largo de una base de impresión, con la tecnología de fotocurado propias de la estereolitografía. El cabezal va depositando unas finas gotas de material fundido que posteriormente será curado con un haz de luz ultravioleta.

VIDEO 5 https://www.youtube.com/watch?v=MuDDBqmxO3o !15

DLP (Digital Light Processing): Muy parecida a la estereolitografía, con la diferencia de que para iniciar el curado del material fotosensible, utiliza luz en el espectro visible. Esta fuente de luz puede ser una pantalla de teléfono móvil, un haz de proyector, etc. Syringe Extrusion: el método utilizado en las bioimpresoras una forma de preservar el material celular y depositarlo en el scaffold sin que sufra grandes daños. Además de aportar la ventaja de que puede absorber el cultivo celular directamente de una placa Petri.

VIDEO 6 https://www.youtube.com/watch?v=ok5EjiFZ5_Q

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de una placa Petri.

Biomateriales e impresión 3D. Las numerosas alternativas existentes en cuanto a tecnologías y materiales hacen de la tecnología de impresión 3D una gran herramienta para el campo de fabricación de elementos construidos con biomateriales. Dentro de este nexo biomateriales-impresión 3D se puede hacer la siguiente clasificación. IMPRESIÓN 3D DE PLÁSTICOS Y METALES

•Para la fabricación de implantes o instrumental quirúrgico

IMPRESIÓN 3D UNIDA AL DESARROLLO DE LOS BIOMATERIALES (BIOPOLÍMEROS, HIDROGELES, CERÁMICAS,…)

•Para la fabricación de stents, fármacos o dispositivos biónicos

IMPRESIÓN 3D EN INGENIERÍA DE TEJIDOS

•Para la obtención de modelos in vitro o regeneración tisular

Curso de Especialización en Biomateriales

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Plásticos y metales. Actualmente existen cada vez más ejemplos de prótesis personalizadas fabricadas con impresión 3D, incluso ya fabricadas en metal (prótesis de talón, de esternón, de mandíbula, entre otras). El elemento de controversia en este momento no es tanto la obtención de resultados, que los hay, sino en lo relativo a la certificación por parte de los organismos sanitarios que avanza a un ritmo distinto al del desarrollo de esta técnica tan disruptiva como es la impresión 3D.

Biopolímeros, hidrogeles, cerámicas. La fabricación mediante impresión 3D de stents de diferentes tipos con biopolímeros con diversas peculiaridades (liberación de fármaco, reabsorción controlada, etc) es una realidad, así como la fabricación de soluciones farmacológicas personalizadas mediante impresión 3D. En este último caso en una fase muy inicial, pero con algún ejemplo ya en el mercado como un medicamento contra la epilepsia.

Impresión 3D e ingeniería de tejidos. Es en este campo donde actualmente la comunidad científica está batallando en relación a la impresión 3D con fines médicos. La capacidad de diseñar y fabricar nuevos materiales y estructuras complejas es determinante en esta disciplina. Esta posibilidad plantea soluciones a problemas tan graves como defectos congénitos, traumatismos, o tumores en los que es necesario reemplazar el tejido maligno del paciente, con tejido sano. Esta última opción de reemplazo de tejidos, introduce una de las aplicaciones más importantes de la manufactura !18 aditiva aplicada a la ingeniería de tejidos: Los scaffolds o andamiajes.

Impresión3D 3De eingeniería ingeniería tejidos. Impresión dede tejidos. eneste estecampo campodonde donde actualmente la comunidad científica batallando en relación EsEsen actualmente la comunidad científica estáestá batallando en relación a la a la impresión La La capacidad de de diseñar y fabricar nuevos materiales y impresión3D3Dcon confines finesmédicos. médicos. capacidad diseñar y fabricar nuevos materiales y estructuras eses determinante en en estaesta disciplina. EstaEsta posibilidad plantea soluciones a estructurascomplejas complejas determinante disciplina. posibilidad plantea soluciones a problemas defectos congénitos, traumatismos, o tumores en los problemastan tangraves gravescomo como defectos congénitos, traumatismos, o tumores en que los es que es necesario tejido maligno deldel paciente, concon tejido sano.sano. Esta Esta última opción de de necesarioreemplazar reemplazarel el tejido maligno paciente, tejido última opción reemplazo unauna de de las las aplicaciones másmás importantes de lade manufactura reemplazodedetejidos, tejidos,introduce introduce aplicaciones importantes la manufactura aditiva ingeniería dede tejidos: LosLos scaffolds o andamiajes. aditivaaplicada aplicadaa la a la ingeniería tejidos: scaffolds o andamiajes. LaLafabricación andamiajes para queque el tejido sanosano pueda crecer en elen soporte que leque le fabricacióndedeestos estos andamiajes para el tejido pueda crecer el soporte hemos creado es una tarea compleja, teniendo en cuenta que estamos tratando con material hemos creado es una tarea compleja, teniendo en cuenta que estamos tratando con material vivo, y como tal, deberemos respetar todas y cada una de las funciones para que las células del vivo, y como tal, deberemos respetar todas y cada una de las funciones para que las células del huésped o las que depositemos, se nutran, se comuniquen y se diferencien. Para que estas tres huésped o las que depositemos, se nutran, se comuniquen y se diferencien. Para que estas tres condiciones se den y haya un ambiente celular adecuado el material que usemos para crear condiciones se den y haya un ambiente celular adecuado el material que usemos para crear ese andamio ha de ser evaluado a nivel macro, micro y nano. Como intuiréis esto supone un ese andamio ha de ser evaluado a nivel macro, micro y nano. Como intuiréis esto supone un reto para la ingeniería de materiales, que aun sabiendo perfectamente cómo se comportan los reto para en la ingeniería de materiales, aun sabiendo cómoalguna se comportan materiales esas tres escalas se añadeque la dificultad de serperfectamente obtenidos mediante de las los materialesanteriormente en esas tres escalas la dificultad tecnologías citadas se de añade manufactura aditiva.de ser obtenidos mediante alguna de las tecnologías anteriormente citadas de manufactura aditiva. Como hemos visto, cada tecnología tiene sus particularidades, no todos los biomateriales Comoser hemos visto, cada las tecnología tiene sus particularidades, no todos los biomateriales puede impresos en todas tecnologías. puede ser impresos en todas las tecnologías. Imaginemos por un momento que hacemos pasar por el extrusor de una FDM material Imaginemos momentodañaríamos que hacemos pasar pornuestro el extrusor de una material biológico; con por todaunseguridad de tal forma material que FDM quedaría !19 biológico; Por con otro todalado, seguridad de tal forma nuestro material que quedaría inservible. como dañaríamos ya comentamos, debemos diseñar cuidadosamente el

crecimiento celular. La desventaja es la dificultad de eliminar el polvo sobrante.

metálicos con la microestructura diseñada de tal manera que fuesen atractivos para el crecimiento celular. La desventaja es la dificultad de eliminar el polvo sobrante.

En las imágenes superiores podemos ver, gracias a la microscopía electrónica de barrido, un scaffold de En las imágenes superiores podemos procesado ver, graciaspor a lamicroestereolitografía. microscopía electrónica de barrido, un scaffold de polipropileno fumarato e hidroxiapatita polipropileno fumarato e hidroxiapatita procesado por microestereolitografía.

En las superiores se se pueden apreciar en este este mismo mismo En imágenes las imágenes superiores pueden apreciarcélulas célulasprecursoras precursoras de de osteoblastos osteoblastos en scaffold. scaffold.

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A

Scaffold de fosfato tricálcico y polipropileno hecho con FDM

B C

Scaffold producidos por SLS Scaffold obtenido por bioimpresión de colágeno, alginato y sílice

D E

Scaffolds de hidroxiapatita Oreja biónica impresa en 3D

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